3, v.2Produção de carvão vegetal em pequena escala no Amazonas: aspectos legais e sócio - ambientaisO secador solar do INPA: uma alternativa econômica para secar madeira author indexsubject indexsearch form
Home Pagealphabetic event listing  





An. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003

 

Geração de eletricidade com turbina hidrocinética na Amazônia: o caso da comunidade de São Sebastião

 

 

Ricardo Wilson Aguiar da Cruz

Departamento de engenharia Mecânica, Instituto de Tecnologia da Amazônia, UTAM, 69.000, Manaus, AM, fone: 233.0806

 

 


RESUMO

Este trabalho propõe uma idéia com caráter de desenvolvimento sustentado para amenizar a penúria elétrica de uma micro-comunidade no Estado do Amazonas: a própria comunidade construindo seu dispositivo tecnológico para a geração local. Para tanto, elaborou-se um projeto, em vias de implantação. Neste trabalho elencam-se razões sócio-econômicas e parâmetros técnicos em torno da máquina ideal para esse fim, os grupo-geradores hidrocinéticos conhecidos na região como "cata-águas".

Palavras-chave: Micro-geração, cata-água, desenvolvimento sustentado.


ABSTRACT

This paper is the proposal of an idea characterized by the sustained development such a way to minimize the absence of electrical energy in a micro-community in State of Amazon: the community itself doing its technological device scheduled for local electrical generation. For so, a project has been designed and is under implementation. The work elects social, economical and technical parameters around the ideal machine intended for such a purpose, the hydro-kinetics turbines mainly known in Amazon as "water-catchers" ("cata-águas" in Portuguese).


 

 

INTRODUÇÃO

A carência de eletricidade é antiga no interior amazônico. Numa região de dimensões continentais, de população rarefeita, é gritante o ainda existente cenário de péssima oferta de energia elétrica nas cidades, a maioria não a dispondo em pelo menos 50% do dia, e de penúria dos ribeirinhos, às voltas com iluminação a lamparina.

A colonização da Amazônia procurou concentrar os povoados nas calhas dos rios mais centrais da região, principalmente o Rio Amazonas. Mais exatamente, hoje têm-se o seguinte quadro: 85% da população amazônica, a maior demanda elétrica (IBGE, 1992), está distribuída na calha oriental do rio, e é razoavelmente atendida pela CEAM, no que pesem seus eternos problemas de caixa, falta de peças de reposição e o caro transporte de combustível para essas cidades. No entanto, os 15% restantes estão justamente nas regiões mais inacessíveis e distantes, gerando um quadro de carência eterna de eletricidade. A taxa média per capita de demanda no interior é de 25 habitantes por kW (Cruz, 1995).

É comum a dispersão populacional na região, de forma que todo município mais parece um país europeu vazio. Assim surgem comunidades municipais dentro da área distrital dos municípios, geralmente em volta de um pequeno pólo econômico de exploração de produtos naturais da floresta (pau-rosa, andiroba, sorva, etc.), com população raramente excedendo 200 pessoas (IBGE, 1992). Algumas dessas comunidades chegam a distar 500 km da sede do município.

 

LOCALIDADE-MODELO DO TRABALHO

A Comunidade de São Sebastião localiza-se no Igarapé do Tarumã II, margem esquerda do Rio Negro, distrito de Manaus, de onde dista 85 Km ao norte. Nesta vila vivem 50 famílias, totalizando 425 pessoas, sendo 132 adultos (31,1%) e 293 crianças (68,9%). A única via de acesso é o Rio Negro e o Igarapé do Tarumã II (figura 1).

No levantamento feito in situ, constatou-se que a pouca energia elétrica de que a comunidade dispõe, é gerada por um pequeno grupo dieselétrico de 5 kVA, doado pelos padres Salesianos, sendo uma máquina com 10 anos de uso e que carece de manutenção. A compra do óleo diesel para o motor é bancada pela PMM-Manaus, e, não raro, pelos moradores. No geral, só há eletricidade 2 a 3 vezes por semana, no período noturno, das 18:30 às 21:30, principalmente nos sábados e domingos, cuja falta durante o dia não incentiva o surgimento de atividades econômicas e sociais que melhorem a vida do caboclo.

No contexto deste trabalho, idealizou-se um sistema-piloto de geração que opere 24 horas por dia, produzindo uma potência firme determinada por uma fração de 20% da taxa per capita de demanda, assumindo-se que este valor é a ordem de grandeza do consumo pelas atividades econômicas diurnas em Manaus. No caso específico da Comunidade de São Sebastião:

Capacidade do sistema-piloto =

Como informação adicional necessária, a Capitania dos Portos de Manaus forneceu dados de velocidades médias para o Igarapé do Tarumã II que constam na tabela I.

 

 

SELEÇÃO TÉCNICA DO GRUPO-GERADOR

As velocidades do Igarapé do Tarumã II têm potencial para aproveitamentos hidrocinéticos, alternativa aqui considerada. As análises feitas a seguir adotam a média das menores velocidades, a montante e no período das cheias do quadro I, no valor de 1,83 m/s.

Devido as turbinas hidrocinéticas só usarem a energia cinética dos rios, têm dimensões muito maiores dos que as turbinas hidráulicas convencionais, para uma mesma potência. Por isso, só é possível construir máquinas para potências muito baixas, para usos individuais. Em geral, a potência útil que uma turbina hidrocinética pode extrair da correnteza é dada por

sendo hhc o rendimento total do grupo hidrocinético (0,7 a 0,85); Cp o coeficiente de potência (máximo teórico de 0,593, o chamado limite de Betz); Af [m2] a área frontal do rotor; e v [m/s] a velocidade média do curso d'água. Quanto mais tosca a máquina, menor o produto hhc.Cp. No Canadá, Bélgica, EUA e Japão, países que mais as têm desenvolvido, este produto chega a atingir os 25% (Cruz, 1995), muito superior à expectativa na região.

As duas geometrias potencialmente aplicáveis são descritas a seguir; e na tabela II apresentam-se as características das máquinas:

 

 

Cata-água do INPA: adaptado de um cata-vento, com flutuadores de tambores de 200 l (Harwood, 1980). Este protótipo (fig.2) tinha 8 pás (no cata-vento, 18 pás). hhc.Cp é baixo, mas estima-se que pode ser dobrado se implementado desenvolvimento técnico. É uma alternativa de fácil execução, usando materiais locais, mesmo o rotor do cata-vento.

 

 

Darrieus tripá: deriva do rotor eólico de mesmo nome. A configuração hidrocinética de três pás retas com a forma de perfis aerodinâmicos vazados (fig. 3) é a que mostrou melhor performance, tanto experimental, pelo Instituto Canadense de Hidráulica, como teórica (Cruz, 1995). É uma máquina de maior que o cata-água.

 

 

Uma unidade do cata-água que atenda sozinho à demanda de base da comunidade, 3,5 kW elétricos, teria um diâmetro exagerado, tornando-se mecanicamente complicado. Assim, como o cata-água exige cursos d'água cuja profundidade tenha, no mínimo, 1 m a mais que o rotor (porque o rio tem velocidade zero no fundo), o ideal é o uso de várias máquinas em paralelo. Considerou-se máquinas com 2 m de diâmetro, porque os igarapés da região raramente excedem os 4 m de profundidade. Cada cata-água para este tamanho, a velocidade assumida e os dados da tabela II, deverá produzir:

Potência nominal =

tendo que o termo ao cubo acima é a correção da densidade de potência do cata-água, para a velocidade, que foi assumida em 1,83 m/s. De modo que os 3,5 kW elétricos exigiriam um número redondo de 13 máquinas.

Na opção pelo Darrieus tem-se que é uma máquina de confecção mais difícil do que o cata-água, justamente o rotor, e tem as mesmas restrições de profundidade do cata-água. O número de máquinas para atender à base da Comunidade de São Sebastião seria menor, se adotado os mesmos 2 m para comprimento das pás, desde que cada máquina produziria:

Potência nominal = 0,268 kW do cata-água

onde (4%/4,7%) corrige o produto hhc.Cp. Assim, 9 máquinas bastariam.

Os materiais e as técnicas de construção necessários para o grupo-gerador Darrieus são mais difíceis de encontrar no interior. Por isso, o grupo escolhido é o cata-água. Nesse caso, a especificação dos componentes deve seguir o que já foi testado pelo INPA (Harwood, 1983):

• Flutuadores em tambores de 200 litros amarrados por tirantes de arame e ripas de madeira;

• Plataforma do conjunto flutuante totalmente de madeira;

• Rotor construído a partir de um cata-vento de 2,0 m de diâmetro, reforçado nas extremidades com barra-chata fina de aço;

• Mancais do rotor construído em cumaru, madeira oleaginosa da região, já largamente usada com esta finalidade em motores de rabeta no interior da Amazônia;

• Alternador elétrico de automóvel, que podem ser recondicionados;

• Transmissão de força do rotor ao alternador usando corrente de bicicleta; e

• Poitas de ancoragem usando cabos de nylon e pedras.

 

ALGUMAS QUESTÕES ECONÔMICAS E EXTERNALIDADES

O custo total de 13 cata-águas para atender a demanda de base da Comunidade de São Sebastião (3,5 kW) é estimado em R$ 55.744 (janeiro de 2000), significando um custo de instalação da ordem de US$ 8.000,00/kW. É, comparado ao custo de implantação de grupos-geradores a diesel (U$ 500 a US$ 1.500,00/kW; Cruz, 1995), um valor muito alto, que pode cair se usados materiais refugados. O custo de implantação tende a cair mais ainda, devido aos efeitos de escala de produção, aprendizado e benefícios sociais diretos e indiretos. A título de comparação, pode-se aqui mencionar que a CEAM tem a PCH São Gabriel da Cachoeira orçada em US$ 4.000/kW (Cruz, 1995), para uma das áreas mais remotas do Alto Rio Negro, sem qualquer acesso rodoviário; e mesmo o fluvial, em apenas seis meses do ano.

No contexto de uma análise comparativa entre alternativas, deverá ser considerado a amortização dos custos de implantação, além dos custos de O&M. Em primeira aproximação, isso é o que se mostra na figura 4. Ali, assumidos os coeficientes técnicos expeditos da tabela III, tem-se o confronto entre o sistema hidrocinético concebido e um grupo-gerador diesel de igual tamanho (3,5 kW).

 

 

 

Os custos operacionais da figura 4 foram determinados assumindo o sistema hidrocinético operando 24 h/dia; e o diesel, 4, 8, 12, 16 e 20 h/dia (para ambos, 360 dias/ano). Dessa forma, Os custos operacionais são estimados estão na tabela IV.

 

 

No ponto de interseção das duas curvas da figura 4, tem-se o tempo de operação diário que o grupo diesel deve operar para que seu custo operacional iguale ao do sistema hidrocinético. Este tempo é 17 horas. Ou seja, mesmo considerando seu alto custo de investimento, o sistema hidrocinético propicia mais benefício energético diário, uma vez que pode operar 24 horas.

As externalidades consideradas tratam de questões ambientais e sócio-culturais. Estão listadas na tabela V, com uma avaliação de suas influências nas máquinas, em base qualitativa, devido não existir metodologia para avaliá-las numericamente, desde que ainda não foi intentado um experimento na escala deste projeto, na Amazônia, exceto o de Harwood (1980), que se ateve a testes de máquina, sem averiguação do alcance social da tecnologia.

Os riscos de danos por choque, perda de peças e danos aos peixes é maior no cata-água porque sua geometria tipo hélice, ao girar, promove maior barramento frontal do que as pás verticais do Darrieus. No entanto, não são empecilhos fortes. Para evitar o problema, o próprio INPA, quando dos ensaios do cata-água, propôs como medida simples antepor ao rotor uma tela de arame. Além disso, a baixíssima rotação dessas máquinas não são suficientes para criar ações centrífugas notáveis dentro d'água.

Na questão das técnicas construtivas, o cata-água exige menos do que o Darrieus, dado que usa técnicas totalmente artesanais. Também, o Darrieus é problemático na regulação de sua rotação pulsante, em decorrência da flutuação harmônica das forças hidrodinâmicas que atuam nos seus hidrofólios aerodinâmicos. Isso obriga a máquina a operar na rotação de projeto firmemente, porque as flutuações trazem o risco de travamento do rotor, que pararia de girar. Este fenômeno não existe no cata-água, capaz, até, de sofrer variações razoáveis de rotação sem parar o rotor.

As externalidades alcance do aprendizado e possibilidade de surgimento da fabricação dessas máquinas no interior são interligadas e da maior importância, posto que é justamente nisso onde reside a motivação para um projeto de grande importância social ligado à temática energética no interior da Amazônia. No tocante ao aprendizado, o cata-água tem possibilidades elevadas de difundir-se, porque é de desenho de rotor muito simples, algo que está ligada ao universo lúdico de qualquer pessoa: a brincadeira do cata-vento de papel. No Darrieus, são complicados as forças hidrodinâmicas nas pás e a influência do perfil aerodinâmico.

A externalidade escolaridade merece grande parte dos esforços para o êxito de um projeto sustentado. No próximo parágrafo, são indicadas idéias básicas visando internalizar os benefícios do ensino técnico necessário, para que a própria comunidade possa construir suas máquinas.

As três externalidades que referem-se a custos fixos indiretos decorrem do fato dessas máquinas não queimarem combustíveis, nem demandarem trocas freqüentes de lubrificantes. É inegável a eliminação dos estoques de derivados e peças, com a conseqüente minoração dos custos de conservação, manutenção de bases de estocagem e seguros de estocagem, se o grupo-gerador existente na comunidade for mantido para atender as pontas do micro-sistema (festas comunitárias).

As duas últimas externalidades da tabela III incorporam os problemas que advirão com o crescimento populacional da comunidade, atraído pela disponibilidade de eletricidade. Há riscos iguais de abalroamento por barcos para ambas as máquinas, que poderão ser evitados com isolamento adequado da área da instalação que, aliás, não deve situar-se na frente do ancoradouro local. E quanto ao crescimento da base de geração, O cata-água é, novamente, a máquina com maior potencial de, rapidamente, atende-los, pelos motivos já discutidos nos parágrafos anteriores.

 

ESTRATÉGIA PARA IMPLANTAÇÃO DO PROJETO

A proposta deste trabalho é centrada no desenvolvimento sustentado. A única forma de alcançar essa meta é pela difusão do conhecimento no interior. Este é o canal real para a solidificação de uma solução para a carência energética na Amazônia. O sucesso da difusão das técnicas de construção necessariamente passam pela questão do nível de escolaridade da comunidade, normalmente muito abaixo do desejável para o êxito de qualquer projeto social. Esta é uma externalidade de peso, que deverá ser tratada com a inclusão de metas educacionais no projeto. Além disso, é necessário financiamento para a construção das máquinas.

Na fase inicial do projeto deverão ser definidas as técnicas de ensino e de construção das máquinas interdependentemente, para o que é preciso constituir uma equipe multidisciplinar de engenharia e educação. A interveniência de pessoal da área de educação deverá se dar na definição da metodologia de difusão das informações. Nesse sentido, deve-se considerar o apoio da Secretaria de Educação do Estado – SEDUC, que dispõe de um grupo de ensino de povos nativos bem articulado. Ou então, do Serviço Social da Indústria – SESI, através dos barcos-escola de que dispõe.

No âmbito da engenharia, essa equipe deverá contar com professores engajados nas questões energéticas do Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto de Tecnologia da Amazônia – UTAM, órgão de ensino mantido pelo Governo do Estado do Amazonas; e do Departamento de Engenharia Elétrica da Faculdade de Tecnologia da Universidade Federal do Amazonas.

 

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

A auto-geração no interior é possível. Principalmente, como discutido, se o próprio homem é o senhor do processo. Não há novidade alguma nisso, se o homem tem acesso ao conhecimento, como, aliás, já diziam os gregos há 2 300 anos.

Numa primeira fase de implantação do projeto, podem-se prever reações de fontes políticas e ideológicas.

Tais problemas deverão ser abordados pelo diálogo constante, tanto nas localidades, por assembléias públicas, como pela mídia disponível, mostrando sempre os verdadeiros objetivos do projeto – o bem estar do homem.

Possíveis problemas técnicos deverão haver, principalmente no início, devido ao período demandado para o aprendizado de construção e operação. É nessa fase que o trabalho educacional deverá ser mais atuante, mantendo contato constante com as partes envolvidas no projeto.

Como mencionado no item "Algumas Questões Econômicas e Externalidades", o custo de implantação da tecnologia hidrocinética deverá cair no futuro, após o início de sua aplicação em larga escala no interior, benefício esse que certamente advirá do aprendizado.

É possível a integração da tecnologia hidrocinética com outras tecnologias de suprimento, notadamente com o motor diesel existente, compondo um mix de geração. A esta tecnologia de geração pode-se denominar, genericamente, de portfolio elétrico.

Um dos vícios que deverá ser tentado eliminar na comunidade é a prática, aprendida pela ação do domínio econômico e da ignorância, da dependência de um benfeitor. Isso tem levado ao fracasso qualquer intenção de benefício contida nas doações de moto-serras e motores estacionários ao interiorano, despreparado para mante-los. Nesses casos, o interiorano usa a doação até que quebre, e então dirige-se à sede da prefeitura local para reclamar por conserto e peças. Não há tentativa de procura por soluções próprias para os problemas, de modo a que nunca mais fosse preciso esse expediente. Essa ação tornaria evidente a sua auto-estima, sinalizando ao doador de que, doravante, as relações seriam diferentes. Uma forma de solucionar o problema é através de equipes de manutenção dos objetivos do projeto, formadas por estudantes, semelhantes ao antigo Projeto Rondon. Essas equipes deverão levantar as condições operacionais para cadastro de acompanhamento, e tomar decisões corretivas.

 

AGRADECIMENTOS

O autor expressa seu agradecimento ao povo da Comunidade de São Sebastião que, no topo de sua sabedoria simples, mas forte, contribuiu com fé na coleta dos dados que nortearam este trabalho.

 

REFERÊNCIAS

[1] HARWOOD, John Harry; Protótipo de um cata-água que gera 1 kW de Eletricidade; Acta Amazonica; Vol. 3; Num. 15; pp 403-412; Manaus; 1980.

[2] CRUZ, Ricardo Wilson Aguiar da; Modelagem de Turbina Hidrocinética a Eixo Vertical; Dissertação de mestrado; Itajubá; 1995.

[3] MAUAD, Frederico F. Análise de turbina de reação com pás de simples curvatura, uma opção para geração em microcentrais hidrelétricas; VI ENCIT/VI LATCYM; Anais; pp 1873-1876; Florianópolis; 1996.

[4] Boletim Estatístico da CEAM 1992; Companhia Energética do Amazonas; p 43; Manaus; 1993.

[5] Sinopse Preliminar do Censo Demográfico do Amazonas; Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística – IBGE; p 25; Rio de Janeiro; 1992.

[6] Dados hidrográficos avulsos da Capitania dos Portos de Manaus; Manaus; 1999.

[7] Panorama do setor elétrico no interior do Amazonas; Seminário "Alternativas Energéticas Para o Interior"; FIEAM; Avulso; Manaus; 1996.

[8] Projeto Potencialidades do Estado do Amazonas. Síntese dos Resultados – SUFRAMA; (www.suframa.gov.br/potenc.htm). Manaus:1999.