“MICRO-GERAÇÃO NO SISTEMA MULTIMUNICIPAL DE ÁGUA DAS ÁGUAS DO ALGARVE. CENTRAL DE BELICHE”

7/21/2019 MICRO-GERAO NO SISTEMA MULTIMUNICIPAL DE GUA DAS GUAS DO ALGARVE. CENTRAL DE BELICHE

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XII Simposio Iberoamericano sobre planificacin de sistemas de abastecimiento y drenaje

MICRO-GERAO NO SISTEMA MULTIMUNICIPAL DE GUA DASGUAS DO ALGARVE. CENTRAL DE BELICHE

I rene Samora (1), H elena M . Ramos (2), Ddia Covas (3), Anton J. Schleiss (4)

(1) Instituto Superior Tcnico, Lisboa, +351218418129, [email protected](2) Instituto Superior Tcnico, Lisboa, +351218418151, [email protected](3) Instituto Superior Tcnico, Lisboa, +351218418149, didia.covas @civil.ist.utl.pt(4) cole Polytechnique Ffrale de Lausanne, Lausanne, [email protected]

RESUMO

A Barragem de Beliche no Algarve tem como principais objetivos o abastecimento pblico e a rega. Deforma a contribuir para uma melhor eficincia energtica e para uma reduo das emisses de CO2 para aatmosfera, foi instalada uma central micro-hidroeltrica na ETA de Beliche. Foram instaladas duas turbinasnuma cmara de vlvulas, a montante da estao de tratamento de gua, e deixando-se espao suficiente paraa instalao futura de um terceiro grupo. As turbinas so PAT (pumps as turbine bombas funcionandocomo turbinas) e foram testadas para a determinao dos seus pontos de funcionamento. Para otimizar aeficincia do sistema foi realizada uma anlise de custo-benefcio, tendo-se considerado diferentes cenriosde operao.

Palavras-chave: Produo micro-hidroeltrica, PAT, anlise de custo-benefcio.

ABSTRACT

The Beliche dam in Algarve is mainly for irrigation and water consumption uses. In order to improve theenergy efficiency of the system and contribute for the reduction of CO2 emissions to the atmosphere, amicro-hydropower plant was installed in the Beliche WTP. Two turbines were installed in a valves chamber,upstream the treatment devices, leaving enough room for a future third one. The turbines are pumps workingas turbine (PAT) and were tested for the determination of its operational points. For the purpose ofimproving the efficiency of this system, a cost-benefit analysis was carried, considering different scenariosof operation.

Key words: Micro-hydro, PAT, cost-benefit analysis.

SOBRE EL AUTOR PRINCIPAL

I rene Samora: Estudiante de doctorado en el Instituto Superior Tcnico (Ingeniera Civil). Investigadora deCEHIDRO.


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INTRODUO

A produo hidroeltrica de pequena escala (mini-hdricas e micro-hdricas) tem sido recentementedesenvolvida como uma soluo de energiarenovvel, em particular em sistemas de aduo.Esta soluo tem como vantagens utilizarcomponentes que j existem (reservatrios,condutas, vlvulas), no sendo necessrio grandestrabalhos de construo civil, e o uso de um caudaldirio contnuo e garantido (Vieira e Ramos, 2008).No entanto, ainda necessrio um aprofundamentodo estudo de solues para que estas sejameficientes e lucrativas em sistemas de abastecimentoe tratamento de guas. As principais razesprendem-se com (i) o facto de no existirem nomercado turbinas para pequenos caudais e pequenas

quedas e com (ii) a grande variabilidade de caudaisao longo do dia.

O presente documento pretende descrever um casode estudo pertencente s guas do Algarve (AdA), acentral de Beliche. Este estudo foi desenvolvido nombito do programa europeu TRUST Transitionsto the Urban Water Services of Tomorrow com oobjetivo de avaliar a situao atual. A central estpresentemente terminada e a funcionar, mas a suaproduo necessita de melhorias de operao, comose poder verificar com a anlise econmica

realizada.

APRESENTAO DO CASO DE ESTUDO

A empresa guas do Algarve S.A. gere o sistemamultimunicipal de gua (SMA) e o sistemamultimunicipal de saneamento (SMS) da regio doAlgarve. O SMA composto por 65 reservatrios,450 km de condutas, com dimetros variando entre60 e 1500 mm, e quatro fontes de abastecimento:

As barragens de Odeleite e Beliche, quefornecem gua s ETA de Tavira e Beliche.

A barragem da Bravura, que abastece a ETAde Fontanhas

As barragens do Funcho e de Odelouca, queabastecem a ETA de Alcantarilha

As barragens de Odeleite e Beliche, ligadas entre si,foram construdas com o principal objetivo de criarum reservatrio suficientemente grande para rega eabastecimento pblico da regio de Sotavento doAlgarve. Imediatamente a jusante da barragem de

Beliche encontra-se a ETA de Beliche (Figura 1) naqual, em 2008, foi instalada uma central micro-hdrica e cuja ligao rede eltrica nacionalocorreu em 2011.

Figura 1. Perfil hidrulico da barragem deBeliche e ETA.

Atualmente, a central possui duas turbinas instaladanuma cmara de vlvulas que foi adaptada para oefeito. As turbinas encontram-se imediatamente amontante dos dispositivos de tratamento da ETA, embypass ao troo principal de conduta que abastece aestao (Figura 2). A cmara e o bypass estopreparados para a instalao de uma eventual

terceira turbina (Figura 3).

Figura 2. Planta da central micro-hidroeltrica.

A entrada de gua na ETA controlada por umavlvula de descarga com controlo automtico.Anteriormente existia j um bypass ao circuitoprincipal dentro da cmara de vlvulas, que foiadaptado para receber as turbinas.

Figura 3. Vista do bypass no interior dacmara de vlvulas.


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Figura 4. Vista das turbinas no interior dacmara de vlvulas.

EFICINCIA DA TURBINA

As turbinas instaladas na central hidroeltrica deBeliche so do tipo PAT. Uma PAT consiste numabomba a funcionar em sentido inverso de forma a,em conjunto com um gerador de induo, produzirenergia. Esta uma tecnologia que tem sidoamplamente explorada e com resultadoscomprovados (Caxaria et. al, 2011).

A queda nominal na central hidroeltrica de Beliche

de 16,3 m e o caudal mdio dirio de 96,2 l/s, oqual foi utilizado como caudal nominal. Devido variabilidade de caudais, optou-se por instalar emBeliche duas PAT para caudal nominal de cerca de48 l/s (Figura 6).

A principal desvantagem na utilizao de PAT adificuldade em determinar as caractersticasnecessrias para selecionar a bomba mais indicadapara cada caso particular, o que de extremaimportncia para a viabilidade da instalao (Ramoset. al, 2009). Assim, antes da construo da centralhidroeltrica na ETA de Beliche, foi realizada umasrie de ensaios experimentais na ETA de Tavirapara determinar as principais curvas defuncionamento (curva caracterstica, curva derendimentos) e pontos de operao da PAT. Estestestes foram realizados por Livramento, 2013, quedescreveu com detalhe os protocolos experimentaisseguidos e os principais resultados obtidos.

Os testes experimentais na ETA de Tavira foramrealizados atravs da simulao de caractersticas

fsicas e hidrulicas semelhantes s encontradas naETA de Beliche. A albufeira de Beliche foi simulada

utilizando uma bomba submersvel (com 1.1 kW)controlada por um variador de frequncia parabombear a gua de um tanque diretamente para aPAT, induzindo a queda e o caudal pretendidos.Estes testes foram, consequentemente, limitadospelo ponto de operao mximo da bombasubmersvel.

Os primeiros testes foram realizados sem presso naextremidade de jusante da turbina para diferentesvelocidades de rotao. Os resultados obtidosapresentam-se na Figura 4 e na Figura 5.

Figura 5. Potncia eltrica para umasituao sem presso na extremidade de

jusante (Livramento, 2013).

Figura 6. Potncia eltrica para umasituao sem presso na extremidade de

jusante (Livramento, 2013).

Novos testes foram realizados, tendo-se desta vez

fixado a frequncia em 50 Hz (frequncia da rede).Nesta srie de ensaios foi induzida uma presso de3 m na extremidade de jusante da turbina parasimular a diferena de cotas entre a turbina e aentrada na ETA de Beliche. Para estas condies, osresultados obtidos foram os que se apresentam naTabela 1 e na Figura 6, nos quais se incluem tambmmedies do binrio no eixo da turbina. Os testesforam limitados pela bomba submersvel a 93% docaudal nominal e a 89% da queda total disponvelem Beliche.

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Figura 7. Resultados dos ensaios experimentais para 1500 rpm (50 Hz) e para uma situaocom presso na extremidade de jusante (Livramento, 2013).

Tabela 1. Valores mximos para 1500 rpm(50 Hz) e para uma situao com presso naextremidade de jusante (Livramento, 2013).

Caudal (l/s) 46,493

Presso a montante (bar) 1,868

Presso a jusante (bar) 0,2986

Queda (m) 15,69

Rendimento hidrulico (%) 76,37

SIMULAO DA PRODUOENERGTICA

Na estimativa da produo eltrica foramconsiderados dois cenrios:

Cenrio 1: produo apenas durante a estao alta;Cenrio 2: produo durante o ano inteiro.

A potncia de uma turbomquina dada por:

onde o peso volmico da gua (9800 N/m3),Hu (m) a queda til calculada pela diferena de cotasda linha de energia entre as seces de montante ejusante da turbina, Q o caudal (m3/s) e orendimento global do conjunto turbina-gerador.

Visto no se dispor de medies de nveis naalbufeira de Beliche, foi considerada uma quedamdia de 19 m nos clculos de produo de energia.

Com base nos testes realizados na ETA de Tavira,admitiu-se um rendimento hidrulico constante de74% e um rendimento eltrico de 90%. A potnciainstalada , portanto, de 11 kW.

Uma vez que a ETA funcionou apenas durante partedos anos de 2011 e 2012, a srie de caudais diriospara o primeiro cenrio foi obtida a partir dasmedies de volume de gua tratada fornecidas pelasguas do Algarve. A Figura 7 apresenta a variaodos caudais durante os anos de 2011 e 2012, assimcomo a mdia destes dois anos. As turbinasfuncionaram, em mdia, 182 dias por ano, o quecorresponde a aproximadamente 6 meses.


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Figura 8. Caudais dirios na ETA de Beliche.

A energia total produzida num ano mdio foi, destemodo, calculada em cerca de 28 784 kWh/ano para oprimeiro cenrio.

Para estimar a energia produzida no segundocenrio, com as turbinas em funcionamento 365 diaspor ano, aplicou-se uma simples proporo direta,resultando em 57 726 kWh/ano.

ANLISE ECONMICA

Na anlise econmica da explorao da centralmicro-eltrica de Beliche foram considerados doisesquemas de remunerao distintos:

Micro-gerao; Consumo in-situ.

Uma vez que a central de Beliche uma central deproduo de energia eltrica a partir de um recursorenovvel, baseada numa s tecnologia, que introduzmenos de 250 kWh na rede eltrica, esta podeintegrar-se no programa portugus de micro-gerao. Para ser admitida neste programa, no podeainda produzir ou fornecer rede eltrica nacionalmais de metade da potncia contratada paraconsumo com o comercializador. Deste modo, a

energia consumida na ETA deve ser igual ousuperior a 50% da energia produzida.

O programa portugus de micro-gerao estdefinido no Decreto Lei n 34/2011, posteriormenteregulado pela Portaria n 285/2011, e admite doisregimes de remunerao: o regime geral, no qual aenergia vendida de acordo com as condies demercado; e o regime bonificado, para o qual existeuma tarifa de referncia, que em 2011 era de250/MWh e cujo valor reduzido anualmente em14%. Existe ainda uma taxa a aplicar tarifa de

referncia que depende do tipo de energia primriautilizada. Para o caso da energia hdrica, esta taxa de 50%.

O regime bonificado mais vantajoso, pelo que foiconsiderado no clculo do lucro. Considerando queo projeto foi licenciado em 2011, a tarifa dereferncia de 250/MWh. A tarifa a aplicar ,portanto, de 125 MW/h, vlida durante 25 anos. Nofinal deste perodo, a remunerao altera-se para oregime geral.

Para o esquema de consumo in-situ, a remuneraofoi calculada a partir da tarifa mdia de compra. Apartir dos dados fornecidos pela EntidadeReguladora dos Servios Energticos (ERSE)respeitantes tarifa transitria de venda a clientesfinais em mdia tenso, estimou-se uma tarifa mdiade 118,9/MWh para o ano de 2011.

Dada a falta de informao relativa aos custos,

foram consideradas estimativas baseadas no estudode Ramos e Ramos, 2010. Neste estudo apresentada a variao dos custos de aquisio deuma turbina ou de uma PAT. (Figura 8).

Figura 9. Custos mdios de equipamento deproduo hidroeltrica (Ramos e Ramos,

2010).

As PAT so visivelmente menos dispendiosas que asturbinas. Na Figura 9 apresentam-se os custosmdios de aquisio de bombas.

Tendo em conta que o equipamento hidromecnicofoi instalado numa cmara j existente, no exigindoelevados custos de construo civil, admitiu-se umcusto de 30 000 para a aquisio e instalao dasPAT. Considerou-se ainda 2% deste custo paradespesas de manuteno durante o perodo deanlise.

Figura 10. Custos iniciais de bombas(Ramos e Ramos, 2010).


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A anlise econmica foi realizada a preosconstantes e assumindo diferentes taxas deatualizao para um perodo de 15 anos. O ValorAtual Lquido (VAL) e o rcio Benefcio-Custo(B/C) foram calculados para trs taxas deatualizao (2%, 4% e 6%) e a Taxa Interna deRentabilidade foi determinada para o perodo de 15anos. Os resultados para o primeiro cenrio deproduo de energia (produo apenas durante aestao alta) esto presentes na Tabela 2, e osresultados do segundo cenrio (produo durantetodo o ano) apresentam-se na Tabela 3.

Tabela 2. Anlise econmica do primeirocenrio.

Micro-gerao Consumo in-situTaxa de

atualizao2,0% 4,0% 6,0% 2,0% 4,0% 6,0%

VAL () 15323 8537 2911 13078 6594 1214

B/C 1,50 1,27 1,09 1,43 1,21 1,04

TIR 7,2% 6,5%

Tabela 3. Anlise econmica do segundocenrio.

Micro-gerao Consumo in-situ

Taxa de

atualizao 2,0% 4,0% 6,0% 2,0% 4,0% 6,0%

VAL () 61808 48760 38048 57306 44846 34644

B/C 3,02 2,56 2,20 2,87 2,44 2,09

TIR 18,7% 17,7%

Na Figuras 10 apresentam-se as estimativas do VALpara a opo de micro-gerao e na Figura 11apresentam-se as estimativas do VAL para oconsumo in-situ.

Figura 11. Estimativa do VAL para a opode micro-gerao.

Figura 12. Estimativa do VAL para a opode consumo in-situ.

Uma vez que os custos de investimento foramestimados, a anlise econmica foi repetida paraoutros valores, procurando-se aferir a sensibilidadedo projeto aos custos iniciais. Deste modo, admitiu-se um panorama mais econmico, com custosiniciais de 20 000 (Tabela 4 e 5), e um panoramamais dispendioso, com um custo de investimento de40 000 (Tabela 6 e 7).

Tabela 4. Anlise econmica do primeirocenrio para custos iniciais mais baixos.


Taxa deatualizao

2,0% 4,0% 6,0% 2,0% 4,0% 6,0%

VAL () 25626 19026 13589 23381 17083 11892

B/C 2,26 1,91 1,64 2,15 1,82 1,56

TIR 13,4% 12,6%

Tabela 5. Anlise econmica do segundocenrio para custos iniciais mais baixos.


Taxa deatualizao

2,0% 4,0% 6,0% 2,0% 4,0% 6,0%

VAL () 72111 59249 48726 23381 17083 11892

B/C 4,53 3,85 3,30 4,31 3,66 3,14

TIR 27,5% 26,3%

Tabela 6. Anlise econmica do primeirocenrio para custos iniciais mais elevados.


Taxa deatualizao

2,0% 4,0% 6,0% 2,0% 4,0% 6,0%

VAL () 5020 -1952 -7766 2775 -3895 -9463

B/C 1,12 0,95 0,82 1,07 0,91 0,78

TIR 3,4% 2,8%


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Tabela 7. Anlise econmica do segundocenrio para custos iniciais mais elevados.


Taxa deatualizao

2,0% 4,0% 6,0% 2,0% 4,0% 6,0%

VAL () 51506 38272 27370 47003 34375 23967

B/C 2,26 1,92 1,65 2,15 1,83 1,57

TIR 13,4% 12,6%

De acordo com resultados obtidos, apesar de oprimeiro cenrio ter VAL baixos, o segundo cenriotem condies para ser lucrativo para os trs custosiniciais considerados.

Pode-se concluir tambm que a remunerao noregime de micro-gerao mais vantajosa que o

consumo in-situ.

Os custos de investimento tm influncia norendimento, mas no caso do cenrio 2 no afetam aviabilidade, sendo sempre favorveis. Assim, aanlise econmica demonstra que a estao micro-hdrica tem condies para ser rentvel se as suasregras de operao forem melhoradas.

CONCLUSES

As guas do Algarve tm vindo a investir emsolues de micro-gerao, entre as quais seencontra a central de Beliche. Esta central estatualmente em funcionamento, utilizando a quedadisponvel na barragem de Beliche e o caudal tratadona ETA de Beliche, encontrando-se localizadaimediatamente a jusante da barragem.

Esto instaladas duas PAT, o que se apresenta comouma soluo econmica e adequada s condies dequeda e caudal da central.

A produo atualmente est a ser limitada a cerca demetade do ano. A anlise econmica realizadademonstra que produo pode ser superior atual seas regras de operao forem otimizadas e que acentral tem condies para ser vivel.

REFERENCIAS

Caxaria, G., Mesquita e Sousa, D. e Ramos, H.,(Maio, 2011). Small scale hydropower:generator analysis and optimization forwater supply systems. World RenewableEnergy Congress, Sweden.

Livramento, J. M. (2013). Central micro-hdricaincorporada em adutora, Tese para obteno de graude Mestrado em Energias Renovveis e Gesto de

Energia, Faculdade de Cincias e Tecnologia,Universidade do Algarve, 2013.

Ramos, H., Borga, A. e Simo, M. (Dezembro,2009). New design for low-power energyproduction in water pipe systems. WaterScience and Engineering pp. 69-84.

Ramos, J. S.E Ramos, H. (2010). Multi-criterionoptimization of energy management indrinking systems. Water Science andTechnology: Water Supply, IWA Publishing

Vol 10, N.1 pp. 39-49.

Vieira, F. and Ramos, H., (Novembro, 2008).Hybrid solution and pump-storageoptimization in water supply systemefficiency: A case study. Energy Policy,Elsevier, pp.4142-4148.

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