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Como citar este trabalhoAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Uma proposta para alocação de centrais termelétricas como solução para universalização e desenvolvimento sustentável
Marcio Zamboti FortesI; Marcos Roberto GouvêaII
IProfessor Assistente Universidade Severino Sombra
IIProfessor Titular Escola Politécnica da USP
RESUMO
Este artigo apresenta uma metodologia para localização de plantas termelétricas, considerando não somente os conceitos econômicos para a escolha do melhor local de implantação, mas também, usando outras variáveis como combustível a ser utilizado, tecnologia de equipamento e impacto social a região. Pretende-se mostrar uma solução matemática usando-se funções como ferramenta para analise do projeto e atendendo ao conceito de universalização e desenvolvimento sustentável e introduzindo conceitos para estudos de geração distribuída. Este artigo apresenta como sugestão de analise a possibilidade de estudo de resíduos renováveis como combustíveis alternativos para geração de energia regional. A metodologia a ser utilizada será uma referencia inicial aos estudos de implantação e mostra uma oportunidade diferente para o desenvolvimento socioeconômico de uma comunidade, considerando-se ainda aspectos ambientais e um adequado aproveitamento de resíduos agrícolas ou industriais da microrregião.
ABSTRACT
This paper concerns a methodology for the location of power plants, but not only considering the economical and technical concepts. It intends to show a mathematical solution using functions that will be tools for each analyzes of the project also considering the social and environmental variables. According to universalization concept and maintainable development, this paper presents as a suggestion in this analyzes and it makes possible a study with new comparative focus between technologies and application opportunities in regional renewable residues. The methodology will be used as reference for an initial study in the evaluation of the development that a short region can reach with the implantation of a power plants and to demonstrate a different opportunity in the use of agricultural or industrial residues.
1 - Introdução
O Desenvolvimento sustentável é definido por: "Um processo de mudança no qual a exploração dos recursos, a orientação dos investimentos, o desenvolvimento tecnológico e a mudança institucional estão em harmonia e melhoram o potencial existente e futuro para satisfazer a necessidade humana". E este têm sido o grande paradigma para o planejamento do setor elétrico.
Como expandir racionalmente sem agredir de forma irreversível o meio ambiente? É necessário atender a demanda suprimida dos grandes centros, mas também atender áreas onde a pobreza é aparente e a aplicação da universalização se torna necessária. A universalização do atendimento com energia elétrica é tratada na Lei 10.438 de abril de 2002, que determina que a ANEEL, regulamente e crie prazos para as concessionárias reduzirem ou zerarem o índice dos sem-luz em suas áreas de atendimento. Convém destacar que mais de 45% dos domicílios em luz se encontram na Região Nordeste e que o atendimento a estes domicílios propiciará um elevado desenvolvimento socioeconômico para a região, visto que a energia elétrica proporciona outros benefícios indiretos com acesso a educação, conforto e informação, que podem ser obtidos com a criação de escolas, aquisição de bens de consumo (geladeiras, eletrodomésticos, etc.) e televisores/computadores. Não se pode esquecer que o atendimento de energia elétrica as comunidades hoje não atendidas por luz elétrica, leva também a uma melhoria das condições de saúde nestas regiões, visto que podem ser criados postos de saúde e atendimento regular das casas com água potável e tratada.
Em alguns casos este atendimento poderá ser feito por uma pequena geração de energia elétrica conectada na baixa tensão, com projetos exclusivos a geração e/ou cogeração, podendo ser desenvolvido por Produtos Independentes de Energia - PIE, para conexão em algumas situações até em sistemas de distribuição já existentes, mas, com baixa desempenho, caracterizando a solução como uma geração distribuída.
Enfim, é necessário estudar formas viáveis de atender a esta população e este trabalho procura apresentar uma metodologia para alocação de centrais termelétricas que utilizem tecnologias e combustíveis renováveis, que considere os aspectos tecnológicos (equipamentos), ambientais, sociais (IDH), econômicos e atenda aos requisitos de universalização da energia elétrica. Estas soluções podem também incluir outros tipos de geração que não aquela através de centrais termelétricas, como por exemplo: geração por energia solar ou eólica.
O ponto importante é que estes sistemas propostos sejam integrados e que busquem benefícios locais com menores investimentos de capital, devido a um uso mais adequado das capacidades das linhas, menores distancias de distribuição, reduzindo custos com perdas no sistema.
2 - Tecnologias
A escolha da tecnologia a ser implementada na implantação de uma nova central termelétrica é importante, já que a variável custo tem papel importante na escolha. É necessário destacar que a definição da tecnologia, deve também considerar aspectos ambientais. Nesta analise, definiremos a melhor tecnologia escolhendo entre: geração energia/vapor com óleo diesel/biodiesel, geração energia/vapor por biomassa, geração de energia com gás e geração de energia com gás/biomassa gaseificada.
Poderá ser escolhida também a solução com a instalação de motores de combustão interna - MCI, que possuem características adaptadas a utilização de biodiesel. O investimento para a instalação de MCI esta em torno de 450-1000 US$/kW [1] e aplicações com este modelo já existem em analise, têm-se o exemplo de Moju no estado do Para [2].
A tabela 1 [3] ilustram-se algumas variáveis importantes para as tecnologias normalmente aplicadas em ciclos de cogeração e que podem ser parâmetros na analise da aplicação. As centrais termelétricas propostas podem ter configurações diversas, ficando a definição do melhor modelo ao pesquisador que estiver analisando os dados, considerando sempre que a ponto principal consiste em universalização e desenvolvimento sustentável da região.
3 - Análise Social
Estudam-se vários índices para o desenvolvimento humano e as condições de vida, e os principais são o IDH (Índice de Desenvolvimento Humano), o IDH-M (Índice de Desenvolvimento Humano-Municipal) e o ICV (Índice de Condições de Vida). Os dois últimos citados são calculados para todos os municípios brasileiros nos anos de censo populacional como em 1970, 1980 e 1991. Até o aparecimento do conceito de Desenvolvimento Humano, o indicador que era utilizado para se medir o quanto um município, região ou pais estava se desenvolvendo era pelo calculo do PIB per capita. O IDH foi criado em 1990, pelos economistas Mahbud ul Hag e Amartva Sen que receberam por este trabalho um premio Nobel.
O IDH é numérico e esta entre 0 (com menor desenvolvimento) e 1 (com maior desenvolvimento), sendo que, considera-se a seguinte divisão para o indicador: elevado valores entre 0,8 e 0,942, médio para valores entre 0,511 e 0,796 e baixo valores entre 0,275 e 0,499. O estabelecimento e calculo do indicador é feito pelo PNUD (Programa das Nações Unidas para o desenvolvimento, conhecido internacionalmente como UNDP). A concepção do IDH procura-se alem da característica renda (ainda avaliada pelo PIB real per capita, em dólares utilizando a metodologia conhecida como paridade do poder de compra - PCC, entre os paises), identifica-se a longevidade da população (identificado pela esperança de vida ao nascer e condições de saúde da população) e o grau de maturidade educacional (avaliada pela taxa de alfabetização dos adultos e uma avaliação combinada da taxa de matricula nos três níveis de ensino).
4 - Combustíveis renováveis
Como alternativa tecnológica e social, neste artigo adota-se como exemplo alguns combustíveis renováveis que possam ser cultivados e industrializados para utilização em sistemas termelétricos [4].
Exemplo 1 - Cana-de-açúcar
Neste cenário determina-se o potencial de geração excedente de eletricidade conforme, considerando com opção tecnológica uma caldeira com 21 bar - 300 °C, turbinas múltiplos estágios para acionamentos de moendas com potencial de geração de eletricidade excedente de 10 kWt/tc (somente em safra). O consumo de vapor no processo é estimado em 500 kg/tc.
Exemplo 2 - Óleos vegetais
Neste cenário, considera-se a opção tecnológica com um motor ciclo diesel que possibilita um consumo de 250 Kg/MWh. Os dados apresentados neste cenário consideram a utilização do óleo de dendê ou palma. Mas, existem estudos para a utilização de outros óleos vegetais como por exemplo o óleo de oiticica, o óleo originado de amêndoas de pequi, óleo de copaíba, óleo de babaçu, óleo de licuri (coquilho) e mesmo os óleos de milho, algodão, girassol e soja. Conforme estudos da National Biodiesel Board (NBB), empresa Americana, o Brasil possui 40 das 50 espécies oleaginosas capazes de produzir biodiesel.
A alternativa de geração de energia com óleos vegetais, se deve principalmente ao fato que o óleo diesel tem seu valor comercial substancialmente elevado quando atende a comunidades menores e isoladas. Nos estudos já efetuados, (pode-se citar o exemplo de aplicação na Vila Soledade, uma comunidade no município de Moju, distante 120 km de Belém [1]), deve-se ainda utilizar o diesel para a partida do grupo gerador até que este atinja temperaturas adequadas de operação e no desligamento quando o diesel deve ser utilizado para limpeza dos bicos injetores. Esta em fase de desenvolvimento equipamentos como reatores que podem melhorar a eficiência do óleo vegetal utilizado, fazendo com que o mesmo passe a ter uma viscosidade similar ao do óleo diesel.
Convém comentar que esta tecnologia atende a principio a comunidades isoladas, onde o custo para suprimento de uma rede elétrica conectada ao sistema interligado brasileiro seria de custo elevado, e como grande vantagem apresenta a característica de não ser tóxico, não é explosivo e tão pouco inflamável, possui a característica de ser biodegradável. Como é um cultivo de longo ciclo, possui a característica de fixação do homem no campo, com bom aproveitamento de mão de obra por hectare, desde que seja cultivado com foco em produtividade.
Deve-se salientar que os óleos vegetais têm no Brasil um foco de produção para fins alimentícios e portanto esta alternativa como gerador de energia deve ser desenvolvida para este fim, tendo como contrapartida a melhoria da qualidade de vida do homem do campo que pode ter acesso a estes produtos alimentícios também originados desta cultura.
Exemplo 3 - Casca de Arroz
Neste cenário, considera-se a opção tecnológica com uso de sistemas de ciclo de vapor com pequeno porte e rendimento em torno de 15%. Adotou-se conforme [4] que a casca de arroz representa 30% do peso do arroz colhido e que seu P.C.I. é 3384 kcal/kg.
Exemplo 4- Resíduos Florestais - Silvicultura
Neste cenário, considera-se a opção tecnológica o ciclo a vapor de pequeno porte com rendimento de 15%. Considera-se que o índice de resíduos no campo esta em torno de 17,65%, que possui um P.C.I. de 2.000 kcal/kg e que a densidade media do eucalipto no Brasil é em torno de 450 kg/m3
Outras formas de energia renováveis podem também ser utilizadas nas analises de implantação de sistemas geradores., a citar sistemas solares fotovoltaicos e sistemas eólicos. Os custos de implantação para tais sistemas são referenciados em [6], por 368,7-1262 US$/MWh para sistemas solares e entre 197,9-211,4 US$/MWh em sistemas eólicos. E ainda em casos específicos pode-se utilizar sistemas híbridos do tipo: solar-diesel, eolico-diesel, solar-eolico, diesel-eolico-solar, biogas-eolico-solar e até biodiesel-solar, biodiesel-eolico e outras combinações, desde que adequadamente integrados aos recursos disponíveis na região e adequados ao foco de desenvolvimento socio-economico-tecnologico-ambiental proposto pelo modelo.
5- Aspectos ambientais
Deve-se considerar na analise o impacto ambiental que a implantação de uma central termelétrica possa causar a uma região. Para avaliação deste critério deve-se verificar principalmente os níveis de emissão de alguns poluentes, a citar:
- CO2 e metano, contribuem fortemente para a ocorrência do efeito estufa
- SOx contribui para a ocorrência das chamadas chuvas acidas, sua avaliação também pode ser feita em termos de dióxido de enxofre
- NOx mais relacionado aos efeitos da altas temperaturas das chamas do queimador, de difícil equacionamento. Convém lembrar que NOx é o termo geral que designa a soma de monóxido de nitrogênio (NO) e o dióxido de nitrogênio (NO2), que são os dois componentes mais emitidos em processos de combustão.
Deve-se considerar para analises mais aprofundadas outros impactos ambientais, a citar: níveis de ruído, impacto visual, colisão de pássaros (no caso de geradores eólicos), e resíduos provenientes da destruição de algumas partes dos equipamentos (por exemplo, módulos das placas de geradores solares possuem cádmio e outros metais, que podem atingir o ambiente ao redor da instalação em caso de quebra acidental/deteriorização do equipamento). Dentro desta filosofia, o projeto deve contemplar um completo planejamento para controle e se necessário descarte dos produtos considerados agressivos ao meio-ambiente.
6- Função objetivo
Para avaliar-se a melhor localização de uma planta termelétrica que atenda aos requisitos sugeridos como indicadores, deve-se definir alguns critérios para esta função. Neste modelo, iremos aplicar como critérios as variáveis: custo da tecnologia, impacto social (baseado no IDH), rentabilidade do combustível renovável alternativo (considerando o potencial de resíduo regional), impacto ambiental e índice de universalização. Importante citar que o resultado obtido em uma única analise não é representativo, mas servirá de referencia para comparações em outros cenários.
Custo da Tecnologia
Este fator será analisado pelo custo de implantação, manutenção e operação de uma central termelétrica na região. Deve-se atentar que este índice é comparativo e não eliminatório, visto que, em alguns casos não existem muitas opções tecnológicas disponíveis e a analise deve ser efetuada com base nos equipamentos atualmente disponíveis. Desta forma, equaciona-se por:
Sendo que
Cequip custo em milhõesR$ do MW instalado
CO&M custo mensal para equipe de operação e manutenção da central medido em milR$
CMNT custo mensal com peças de reposição e insumos medido em milhõesR$
Impacto Social - Avaliação pelo IDH
A metodologia para avaliação do impacto social será pelo valor de IDH. Sabe-se que a região com menor desenvolvimento apresenta IDH próximo a zero e a região com maior desenvolvimento IDH próxima a , ou seja, a função objeto considerando o impacto social deve ser condicionada a variação possível ao IDH com a implantação da termelétrica., em quanto tempo estima-se esta melhoria e o numero de habitantes atingidos com a implantação da solução. Sugere-se adotar para esta variável o seguinte equacionamento.
Sendo que
tIDH representa tempo estimado para implantação e confirmação das melhorias
ΔIDH representa a variação prevista para o IDH da região
XHAB representa o numero de habitantes atingidos pela implantação do projeto
IIDH é o próprio Índice de Desenvolvimento Humano.
Rendimento do Combustível Residual
Neste item considera-se o potencial de energia elétrica disponível através de resíduos agrícolas regionais. Devem ser avaliados não somente os resíduos já existentes pelas culturas atualmente exploradas na região, mas também, a possibilidade de incremento nestas culturas. Neste item, considera-se que o aumento da área cultivada represente a utilização de maior numero de pessoas no cultivo, gerando emprego e renda a região.
Sendo que
η rendimento kW/ton
V quantidade atual de resíduos disponíveis
ΔV quantidade incremental no volume de resíduos com o aumento da produção com finalidade de aproveitamento na central termelétrica
ΔMO numero de posições de trabalho a serem criadas com o aumento da produção para de ΔV
Impacto Ambiental
Com respeito ao impacto ambiental, a legislação brasileira limita as emissões gasosas e os órgãos estaduais enquadram por classes (I, II e III) as áreas onde podem ser instaladas as centrais térmicas, desta forma , sugere-se o seguinte equacionamento para esta variável.
Sendo que :
IClasse este índice pode ser 1 para aprovação do projeto na área indicada ou 0 para desqualificar o projeto, neste caso, 0 desqualifica totalmente o projeto.
ΔppmCO2 relação entre a ppm das emissões de CO2 do projeto e o valor admissível em norma
Δppm SOx relação entre a ppm das emissões de SOx do projeto e o valor admissível em norma
Δppm NOx relação entre a ppm das emissões de NOx do projeto e o valor admissível em norma
Universalização
Em referencia a esta variável, equaciona-se baseando no consumo per capita da região. Se a região não dispõe de energia elétrica, considera-se com alto potencial para instalação da central termelétrica e no equacionamento admite-se como de valor 0,01 kWh/Hab.
Sendo
KWhHab consumo mensal de energia elétrica por habitante.
Destaca-se neste parâmetro o fato de que se a região não possui energia elétrica, terá grande impacto na escolha da instalação da central termelétrica ou outra opção de geração e o ganho para o desenvolvimento da região será notado rapidamente. Se a região possui baixo consumo por habitante, devido muitas vezes a precariedade da distribuição ou condições econômicas da população, com a implantação da central, e neste caso a geração distribuída apresenta excelente alternativa, a população terá melhoria de renda, terá melhor atendimento na qualidade da energia e assim poderá adquirir novos bens eletroeletrônicos, ter maior conforto, ter acesso a serviço de saúde e escolas, com conseqüente desenvolvimento regional.
7 - Modelagem
No estudo para a escolha da melhor localização para implantação de uma central termelétrica com finalidade de universalização da energia elétrica e atendendo ao conceito de desenvolvimento sustentável, podendo-se utilizar a filosofia de geração distribuída, deve-se equacionar as funções descritas anteriormente e simular-se cenários para os casos desejados.
Pode-se utilizar ferramentas de analise econômica para o estudo , verificando-se tempo de retorno, fator de recuperação de capital, custo de investimento e outros índices, mas a proposta sugerida baseia-se em requisitos socioeconômico- ambientais.
A partir das funções estabelecidas, pode-se utilizar de ferramentas matemáticas de otimização para se encontrar o ponto ótimo do modelo, sendo que a melhor solução será o obtida pela maximização da função :
8 - Exemplo de Analise
A titulo de exemplificação consideremos uma avaliação para implantação de uma central termelétrica que irá gerar energia a partir da utilização de resíduos do cultivo da cana-de-açúcar no leste Alagoano. Sabe-se que a região possui grande potencial teórico de geração com este resíduo, em torno de 59,56 MW com 24.392.320 ton/ano de cana moída [4], e que o estado de Alagoas possuía em 2000 um IDH de 0,633. Inicialmente consideraremos a implantação de uma central termelétrica utilizando biomassa em um sistema BIG-GT (Biomassa-integrated/gás turbine) [6]. Baseando-se no cenário 1, e considerando-se que esta central terá em torno de 100 funcionários, sabendo-se que o custo de manutenção anual médio esta em torno de 4% do custo equipamento, todos os índices de poluentes estão atendendo a legislação local, que o a região é extremamente precária no atendimento de energia (considerar consumo de 0,01 kWh/hab) e que estima-se um crescimento de 6.000.000 ton/ano com a geração de 300 empregos no cultivo, teremos:
Estes valores serão a referencia e o principal objetivo será maximizar as equações para obter melhor performance na aplicação do projeto.
9 - Conclusão
Com esta proposta pretendeu-se apresentar uma nova sugestão na analise de implantação de centrais termelétricas e outras centrais geradoras. A localização de uma nova central, pode estar vinculada a variáveis de desenvolvimento social, requisitos ambientais, além dos parâmetros econômicos amplamente explorados nas analises de projetos.
O objetivo do trabalho foi apresentar alguns fatores que podem ser considerados quando da escolha do local de implantação, analisando-se os resíduos regionais, o potencial de consumo e o desenvolvimento regional.
Deve-se atentar que a analise não pode ser efetuada para um único caso de tecnologia, mas sim, procurar explorar ao máximo os equipamentos disponíveis no mercado e suas eficiências, considerando também em uma fase futura de analise os custos com redução de poluentes e os custos para conexão a rede de distribuição dentro da filosofia de geração distribuída.
10 - Referencias
[1] A. G. DOMSCHKE, J.C.NEGRI e S.N.BARILLARI, Geração Termoelétrica a partir de Motores de Combustão Interna; XVI SNPTEE - Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, GPT-03, Campinas; outubro;2001.
[2] S.T.COELHO, O.C.SILVA, S.M.S.G.VELAZQUEZ, C.E.G.SILOTTO e M.B.C.A MONTEIRO, PROVEGAM - Implantação e Testes de uma Unidade de Demonstração de Utilização Energética de Óleo Vegetal; IV CBPE - Congresso Brasileiro de Planejamento Energético, Itajubá; março;2004.
[3] J.A BALESTIERI, Cogeração - geração combinada de eletricidade e calor; Editora da UFSC; Florianópolis; 2002.
[4] S.T.COELHO, 0.C.SILVA, M.CONSIGLIO, M.PISETTA e M.B.C.A. MONTEIRO, Panorama do Potencial de Biomassa no Brasil; Projeto BRA/00/29; ANEEL; Dezembro;2002.
[5] L.M.TORTORELLO, O Impacto da Oferta de Energia Elétrica no Desenvolvimento Social - Uma Contribuição ao Modelo de Planejamento da Expansão; Dissertação de Mestrado; EPUSP; 2003.
[6] L.B. dos REIS, Geração de energia Elétrica - Tecnologia, Inserção Ambiental, Planejamento, Operação e Analise de Viabilidade; Editora Manole; Barueri; 2003.