• Helena M Ramos

PRODUÇÃO DE ENERGIA MICRO-HÍDRICA, INVESTIGAÇÃO E INDÚSTRIA

Atualizado: Jul 11


Figura 1 – Investigação e aplicação



Investigação e aplicação


O IST participa no projecto REDAWN, na coordenção da Workpackage sobre as instalações piloto, com o apoio das diferentes instituições/entidades parceiras no projeto, dos diferentes cinco países intervenientes da área Atlântica. Os locais foram selecionados com vista a uma maior abrangência na divulgação do sucesso destas soluções de produção de energia nos vários sistemas do sector da água. Dependente do tipo de atuação e especialização dos parceiros no projeto, assim foram orientadas por forma a integrar a generalidade de possíveis soluções, como exemplos de sucesso de aplicação. No final do projeto pretende-se mostrar e convencer tanto a população, como as entidades gestoras, os donos de obra, entre outros, dos benefícios associados a estas soluções combinadas e de como ultrapassar as barreiras ainda existentes, quando se quer integrar água e energia, no setor da água, quando, até então, sempre a produção de energia e de água foram da competência exclusiva de cada respetivo setor. Desenvolveram-se parcerias por forma a juntar competências em investigação e aplicações na indústria, em diferentes áreas do setor da água (Figura 1).



Equipamento de baixo custo


As bombas a funcionar como turbinas (i.e. pump as turbines – PATs) são soluções de baixo custo, existentes no mercado, e são dispositivos bastante testados em modo de bomba, representando soluções confiáveis para a utilização como micro-hídricas, em redes do setor da água. Comparando com as turbinas convencionais, o seu menor custo deve-se à menor complexidade eletromecânica, rendimento inferior (dependendo das características e dimensão) e ausência de regulação. Contudo outra característica favorável é a sua difusão como bombas no setor da água, não existindo qualquer barreira psicológica à sua utilização, podendo ser utilizados também como dispositivos de produção de energia em água potável. Uma PAT apresenta um funcionamento semelhante ao de uma bomba, não contamina a água, e, além de controlar a pressão, ainda produz, em simultâneo, energia hidroelétrica, limpa e renovável por utilizar um recurso disponível, com um caudal garantido em redes de água. Essas vantagens são relevantes no setor da água, em especial quando se considera a pequena potência disponível para produção de energia localmente de forma descentralizada.


Uma carga hidráulica em excesso pode ser convertida em diferentes pontos da rede por forma a garantir valores ideais de pressão para os sistemas garantindo, em simultâneo a satisfação dos consumos. Deste modo, uma PAT é uma solução inteligente para substituir ou complementar válvulas redutoras de pressão, reduzindo a pegada de energia associada ao transporte de água, assim como as perdas de água em roturas ou fugas induzidas por excesso de pressão.


O projeto e a utilização de uma PAT são baseados em teorias bem estabelecidas. A complexidade do layout das micro-hídricas está ligada à necessidade de uma conduta em by-pass e/ou um circuito eletrónico que permita uma regulação ideal da turbina na presença da variação típica do caudal e da pressão observadas em qualquer ponto de uma rede de água. A regulação hidráulica e elétrica são as soluções tipicamente sugeridas. Muitos artigos científicos têm sido publicados recentemente para investigar os vários aspetos do projeto mecânico, a dinâmica dos fluidos e a confiabilidade das PATs, contribuindo para um projeto ideal de micro-hídricas. Além dessas vantagens assinaladas, a viabilidade económica é muito importante e deve ser analisada com base nos diferentes custos de energia, benefícios das tarifas de abastecimento e no menor consumo de água devido à redução de pressão. Finalmente, o impacto das micro-hídricas na gestão e operação de uma rede pode ser analisado de uma maneira mais abrangente, conjuntamente com todos os fatores que afetam a economia circular.


Apesar de todos esses avanços, a adoção das tecnologias PAT e micro-hídricas está aquém do espectável e existe, apenas, ainda um pequeno número de soluções. A experiência no projeto e construção da turbina PAT parece ainda pouco renovada para garantir a eficiência desejada. Por outro lado, denota-se a falta de orientações para algumas fases cruciais da aplicação em projeto, como a disponibilização das curvas características dos conversores de energia, no apoio à seleção das melhores PATs, no conhecimento detalhado e disponível dos sistemas do setor da água, na aquisição de dados, na otimização do melhor local e a da investigação aplicada a novas micro-turbinas (IST, UNINA, TCD, UCO e IG energy). Todas estas fases ainda requerem algum tempo de espera que desmotiva possíveis investidores ou donos de obra interessados nessas soluções.



Projetos selecionados


A criação de uma ligação institucional, social, ambiental e tecnológica entre dezassete entidades intervenientes (i.e., empresariais, académicas e gestoras) têm colaborado no REDAWN, de seis países da UE, tendo Portugal a incumbência de desenvolver dois projetos piloto de demonstração, um ao nível de uma unidade familiar de consumo de energia, a partir do aproveitamento de água de uma mina de tungsténio (IST e IG energy – Figura 2) e outro de um processo industrial de produção de papel (IST, Hidropower e RENOVA – Figura 3).


Figura 2 - Instalação piloto em Portugal – (esquerda) modelo CFD aplicado à simulação do escoamento na roda de uma MHP e (direita) a instalação para uma unidade unifamiliar, a partir de um reservatório de uma mina de tungsténio (IST/IG energy).



Através do projeto REDAWN vai ser desenvolvida na RENOVA uma solução energética de aproveitamento do escoamento efluente proveniente do tratamento da água no processo de fabrico de papel (ver figura 3), que antes da água tratada voltar a ser lançada ao rio pode acionar uma bomba a funcionar como turbina, porque para caudais pequenos as turbinas convencionais, não são viáveis devido ao elevado custo associado e dimensões disponíveis, e assim, a energia ali produzida vai ser redirecionada para a fábrica, para ser utilizada e compensar custos associados ao fabrico. É um processo que exige muita água e energia, sendo uma solução que combina da melhor forma estas duas componentes, como solução vantajosa a vários níveis. Com um circuito hidráulico instalado na encosta até à cota do rio, com um comprimento da ordem dos 200 m, com uma queda útil cerca de 30 m, um caudal de 35 l/s, consegue produzir cerca de 7 kW, com um caudal quase constante, apresentando um retorno do investimento de até 4 anos.


Figura 3 – Projeto para a instalação piloto em Portugal, em parceria com a RENOVA, Hidropower,IST e IG energy



Com outros projetos piloto, sobre a coordenação do IST, em mais dois países da Europa Atlântica, inclui Espanha, com uma micro-hídrica num sistema de rega, que exigiu estudos da Universidade de Córdoba, FAEN e FERRAGUA e, em França, numa estação de tratamento de águas, através da SMPGA.


Em Espanha esta solução micro-hídrica é aplicada num sistema de irrigação de uma produção agrícola, numa fazenda em Palma del Rio, numa zona isolada, sem energia local, onde era usado um gerador a diesel para o processo de adubamento das culturas. A análise hidráulica permitiu verificar que no sistema de rega antes dos hidrantes, ou das bocas de rega, havia excesso de pressão do escoamento que era controlado através de uma válvula redutora de pressão (VRP). Em vez de dissipar esse excesso de energia de pressão, foi instalada uma bomba a funcionar como turbina, para produzir energia elétrica sempre que era necessário regar. Isto permitiu desativar o gerador a diesel, com enormes vantagens ambientais e económicas (i.e., poluição e custo da matéria prima) por uma solução social, técnica e ambientalmente sustentável, que não polui e que produz energia (Figura 4). Esta turbina está ligada a um banco de baterias e a um painel fotovoltaico, como solução híbrida na gestão otimizada da energia disponível no local.


Figura 4 - Instalação piloto em Espanha, no sistema de rega de Palma del Rio (FERRAGUA/FAEN/Universidade de Cordoba)



Por outro lado,em França estão a ser testadas duas aplicações de uma bomba a funcionar em modo turbina e uma pico-turbina do tipo molinete. Com a energia produzida no sistema instalado numa estação de tratamento de água (ver figura 5), que consome grandes quantidades de energia no processo de captação, tratamento e distribuição de água às populações, estima-se que alguns custos energéticos sejam cobertos pela produção conseguida.


Figura 5 – Instalação piloto em França, St Pair sur Mer, Normandia, numa estação de tratamento de águas (SMPGA).



A pico-turbina instalada numa conduta de abastecimento de água, junto de uma paragem de autocarro (ver figura 6), permite disponibilizar energia para pequenos carregamentos de telemóvel ou para carregar pequenos veículos elétricos, do tipo trotinetes.


Figura 6 – Instalação Piloto em França, Granville, numa conduta de abastecimento de água, que alimenta de energia uma porta USB, para carregamento de baterias, numa paragem de autocarro (SMPGA)


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Helena M Ramos


Professora no IST Técnico Lisboa

Departamento de Engenharia Civil, Arquitectura e Georrecursos (DECivil), CERIS, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa;

hramos.ist@gmail.com e/ou helena.ramos@tecnico.ulisboa.pt


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