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How to cite this paperAn. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002
Instalação de eletrodiálise acionada por painéis fotovoltaicos
Paulo Cesar Marques de Carvalho; Sandro César Silveira Jucá
Grupo de Processamento de Energia e Controle, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará. Caixa Postal 6001, Campus do Pici, CEP 60455-760, Fortaleza, CE, Brasil
RESUMO
Este artigo descreve estudo de um sistema combinado utilizando as tecnologias de eletrodiálise e fotovoltaica e a possível aplicação deste sistema no Nordeste do Brasil.
O processo de eletrodiálise consiste basicamente na transferência de íons da água a ser dessalinizada através de membranas de cátions e ánions para um fluxo de concentrado. O produto deste processo são os fluxos de água potável, com concentração de sal dentro dos limites para o organismo humano e o de concentrado, com a maior parte do sal presente na água original.
A utilização de painéis fotovoltaicos para o acionamento deste processo, visando a dessalinização de grandes reservas de água salobra oriundas de poços profundos, é viável devido à existência, em regiões áridas e semi-áridas, de uma estrutura deficiente do abastecimento de água potável, ao fato do interior do Nordeste ser caracterizado por um baixo grau de eletrificação, e ao uso direto pelo processo de eletrodiálise da corrente contínua proveniente dos painéis fotovoltaicos.
Palavras chaves: Energia solar, sistema fotovoltaico, eletrodiálise.
ABSTRACT
This paper describes the survey of a combined electrodialysis and PV system and its application in the Brazilian Northeast region.
The process of electrodialysis consists in the transference of ions out of the water whose excess of salt shall be taken away through a membrane of cation and anion to a concentrated flow. The results are the flows of drinkable water with a proper quantity of salt to human organism and the concentrated one that has got mostly the salt from the initial water.
The use of PV arrays to power that plant, which aims to take away the excess of brackish water from deep wells, is feasible in arid and half arid regions. At those places there is a deficient water supply, a short grid and a high level of solar radiation. The latter being the main way to drive the plant of desalination and spread the electrodialysis process of direct current by PV arrays.
1. INTRODUÇÃO
A área do chamado Polígono da Seca no interior do Nordeste compreende cerca de 950.000 km2 (60% da superfície total da região), representando a porção mais seca da mesma. Os resultados de uma seca dependem da capacidade de resistência e de convivência da população atingida: quanto mais carente e despreparada, maiores serão os reflexos da seca. Na tentativa de resolver o problema de abastecimento de água tem-se utilizado de duas estratégias básicas:
• a construção de açudes, visando o armazenamento da água superficial;
• a perfuração de poços, visando aproveitamento da água subterrânea.
Os açudes, devido às extensas superfícies de água expostas ao sol, facilitam a evaporação de grandes quantidades de água. Cada porção de água que é evaporada deixa sobre o solo um determinado volume de sais. Este processo já tem causado a impossibilidade do uso de alguns açudes, devido à existência de elevados teores de salinidade. Um outro fator limitante para a utilização de muitos açudes constitui a contaminação dos mesmos através de fezes humanas e de animais. Apesar desta problemática esta água é consumida por uma grande parte da população rural do Nordeste. O transporte da água até as comunidades isoladas se dá através de baldes ou através de carros pipa. O uso de água contaminada é uma das causas da alta mortalidade infantil na região. A substituição dos carros pipa por soluções efetivas constitui, portanto, tarefa de grande prioridade.
Através da perfuração de poços em locais adequados, é possível a obtenção de água do subsolo livre de contaminação em grandes volumes. De acordo com estudos realizados pela Associação Brasileira de Águas Subterrâneas (ABAS), pelo menos 19,5 bilhões de metros cúbicos de água poderiam ser extraídos por ano do subsolo nordestino sem o risco de esgotamento dos mananciais [8]. No entanto, os poços localizados no interior do Nordeste apresentam com freqüência elevado teor de sal na água. O processo ocorre devido ao contato no subsolo entre a água e a rocha cristalina, levando a um processo de salinização deste aqüífero ao longo do tempo. Para cumprir sua função no corpo humano, a água deve possuir sais. Esta concentração não pode ultrapassar um certo limite; caso isto ocorra, prejuízos irreparáveis são causados à saúde humana. Segundo a Organização Mundial de Saúde, a água potável deve ter uma concentração de sal de 500 ppm; a partir deste valor a água é considerada salobra e para concentrações em torno de 33.000 ppm temos a água do mar.
Um fato observado no semi-árido nordestino é que determinadas populações são obrigadas ao consumo de água com níveis de salinidade acima dos padrões recomendados, devido à falta de alternativas. Este fato tem sido verificado em diversas comunidades rurais, onde a fonte de abastecimento é feita através de poços perfurados no aqüífero cristalino, sendo observada uma alta taxa de sais. Cerca de 788.358 km2 da região encontram-se sobre terreno cristalino, o que corresponde a 51% da área total do Nordeste. Com exceção do Piauí, todos os estados do Nordeste localizados no Polígono da Seca possuem a maior parte de suas áreas sob terreno cristalino como indica a figura 1 [8].
Como a tecnologia fotovoltaica tem provado sua viabilidade tanto econômica quanto técnica em regiões remotas sem rede elétrica com sistemas de bombeamento de água e de iluminação, a dessalinização de água salobra vem sendo uma área de pesquisa com excelentes perspectivas. Podemos citar como exemplo o sistema de dessalinização utilizando a tecnologia de osmose reversa acionada por painéis fotovoltaicos feito na comunidade carente de Coité - Pedreiras no município de Caucaia, distante cerca de 25 km de Fortaleza, que fornece água potável proveniente de um poço de água salobra com vazão nominal de 0,25 m3 por hora [3].
2. PROCESSO DE ELETRODIÁLISE
Para deixar a água salobra oriunda de poços profundos em condições de uso, deve ser a mesma tratada. Para este objetivo tem assumido uma importância crescente nos últimos anos a tecnologia da eletrodiálise, ocupando um espaço antes preenchido pelos processos de dessalinização baseados em mudança de fase (processos térmicos).
O processo de eletrodiálise consiste basicamente na transferência de íons da água a ser dessalinizada através de membranas de cátions e ánions para um fluxo de concentrado conforme a figura 2.
Através desta divisão, são originados dois fluxos:
• fluxo de água potável, com concentração de sal dentro dos limites para o organismo humano;
• fluxo de concentrado, com a maior parte do sal presente na água original.
Os principais motivos que levam ao uso cada vez maior da eletrodiálise a nível mundial são o grande desenvolvimento alcançado na fabricação de membranas, através da pesquisa de novos materiais, e o baixo consumo de energia apresentado por este processo para tratamento de águas salobras, quando comparado com processos térmicos tradicionais. Dessa forma, a presente pesquisa pretende contribuir para a superação da problemática da estrutura deficiente de abastecimento de água, através do estudo de viabilização de uma instalação de eletrodiálise acionada por painéis fotovoltaicos.
A água salobra oriunda do poço profundo é acumulada em reservatórios. Uma parte desta água é dessalinizada; outra parte permanece nos reservatórios, sendo usada pela população para outros fins que não o de alimentação. A água potável que deixa a instalação de eletrodiálise poder ser armazenada em um outro reservatório específico, visando o abastecimento da população. O concentrado pode ter os seguintes destinos:
• reservatório aberto, onde a água é evaporada e o sal deixado pode ser usado para alimentação humana e de animais;
• coletor solar, onde a água evaporada é condensada e pode ser então adicionada à água potável, aumentando a produção da instalação;
• para descargas sanitárias de uma escola ou posto de saúde da comunidade;
• Para irrigação de plantas que suportam alto teor de sal (erva do sal).
3. ACIONAMENTO FOTOVOLTAICO
A utilização de painéis fotovoltaicos para o acionamento de instalações de eletrodiálise visando a dessalinização de águas salobras oriundas de poços profundos é viável principalmente devido:
• ao uso direto da geração de corrente contínua dos painéis fotovoltaicos pelo processo de eletrodiálise;
• ao fato do interior do Nordeste ser caracterizado por um baixo grau de eletrificação;
• aos níveis de radiação solar que influenciam diretamente na quantidade de energia gerada pelo painel fotovoltaico.
Medições feitas em Coité - Pedreiras no estado do Ceará demonstram estes níveis de radiação solar em KWh/m2.dia indicados na tabela 1:
Instalações de eletrodiálise acionadas por painéis fotovoltaicos no interior do Nordeste podem contribuir de forma significativa para a geração de uma infraestrutura mínima no semi-árido.
Com isto busca-se a redução do êxodo rural e a criação de uma base econômica que garanta a sobrevivência das populações interioranas.
4. CONHECIMENTOS EXISTENTES SOBRE O ASSUNTO A NÍVEL MUNDIAL
Para projetar esse sistema pioneiro no Brasil, foram feitas pesquisas de Instalações de eletrodiálise acionadas por Painéis fotovoltaicos a nível mundial.
As principais experiências comprovadas estão localizadas em Tanot na Índia, no Vale Spencer nos Estados Unidos e na cidade de Fukue no Japão.
Em tanot na Índia a água salobra apresenta dureza entre 4500 a 5000 ppm estando disponível em poços abertos com profundidades de 25 a 45 metros e é extraída geralmente com ajuda de camelos.
Uma planta de eletrodiálise acionada por painéis fotovoltaicos de 450 Wp com capacidade de 1m3 por dia foi instalada para fornecer água potável em torno de 1000 ppm de dureza para população local. O arranjo fotovoltaico consiste em seis células padrões de 30 watts de pico conectados em série, e em três séries agrupadas em paralelo para fornecer uma tensão do circuito aberto de aproximadamente 118 volts e de corrente de circuito curto de aproximadamente 5,5 ampères.
A água salobra de aproximadamente 5000 ppm de dureza é bombeada para uma caixa d'água através de uma bomba movida por um motor diesel, e a planta de eletrodiálise é alimentada por gravidade através do painel de distribuição de fluxo. São ajustadas as taxas de fluxo e diluição do concentrado. Depois que o potencial elétrico dos painéis fotovoltaicos é aplicado, a água é dessalinizada [7].
Esse sistema de dessalinização, mostrado na figura 3, utiliza o tanque de armazenamento de água para suprir a ausência de baterias e um motor diesel no lugar de um motor elétrico acionado pelos painéis para acionar a bomba de água, caracterizando-se assim como um sistema híbrido.
O Vale Spencer é representante de muitas comunidades remotas espalhadas pelo sudoeste dos EUA que necessitam de suprimento de água potável.
A planta fotovoltaica do Vale Spencer consiste em dois sistemas elétricos separados: dois arranjos para a bomba de água e três arranjos para a unidade de eletrodiálise [5].
A cidade de Fukue, na prefeitura de Nagasaki, no Japão, foi escolhida como planta de demonstração em 1988 e um protótipo foi feito usando um programa de simulação do sistema.
Após análise, o projeto e a construção foram concluídos e a operação começou em julho 1990.
A inspeção periódica da eficiência do sistema mostrou a comparação satisfatória entre os valores de simulação e os valores obtidos na operação da planta demonstrativa [2].
As características das plantas citadas são mostradas na tabela 2.
Tais experimentos têm mostrado a viabilidade para dessalinização de água com concentração de até 5.000 ppm e a grande vantagem é a obtenção de água potável proveniente da água salobra das regiões áridas e semi-áridas distantes dos grandes centros urbanos, sem a utilização da rede elétrica, o que caracteriza os locais das plantas citadas, e a maior parte do semi-árido nordestino.
Nota-se que é maior a razão da vazão de água produzida pela potência dos painéis fotovoltaicos para águas salobras com baixos níveis de dessalinização.
5.CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou uma análise da viabilidade técnica de dessalinização de água salobra via instalação de eletrodiálise acionada por painéis fotovoltaicos, tendo em vista os índices de radiação solar o que contribui para a geração de energia para este sistema combinado.
Almeja-se com tal estudo contribuir para o uso de reservas de água existentes no subsolo do Polígono da Seca da região Nordeste do Brasil.
AGRADECIMENTOS
Os autores deste artigo agradecem ao corpo técnico do Grupo de Processamento de Energia e Controle do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará pela coleta de dados de radiação solar em Coité - Pedreiras no estado do Ceará.
REFERÊNCIAS
[1] Carvalho, P.C.M.:
Água Potável via Energia Solar, Ciência hoje, n. 158, 2000
[2] Ishimaru:
Solar photovoltaic desalination of brackish remote areas by electrodialysis; Desalination, 98, 1994
[3] Carvalho, P.C.M., Montenegro, F. F. D Experiências adquiridas na Implementação da primeira Instalação de Osmose reversa acionada por painéis fotovoltaicos do Brasil, AGRENER, 2000
[4] Wangnik, K.:
1990 worldwide desalting plants inventory - The development of the desalination market; 12th international symposium on desalination and water reuse (Proceedings), Malta, 1991
[5] Photovotaic Electrodialysis Reversal (PV/EDR), The Water Treatment Technology (WTTP) Program Newsletter - No. 3 - Winter 1995
[6] Carvalho, O.:
A economia política do Nordeste: seca, irrigação e desenvolvimento; 1988
[7] Adiga, Adhikary, Narayanan, Harkare, Gomkale, Govindan:
Performance analysis of photovoltaic electrodialysis desalination plant at Tanote in Thar desert; Desalination, 67, 1987
[8] SBPC: Ciência Hoje; Volume 19, número 110, 1995