Editorial
3
Com o lançamento do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de
Energia – PROINFA, iniciativa do Ministério de Minas e Energia, cria-se a
expectativa de se aumentar consideravelmente a participação das fontes
renováveis de energia com valor estipulado de 1.1GW para cada uma das
fontes.
Estima-se que o potencial para PCHs seja de 14 GW e Biomassa 4 GW,
considerando-se apenas as repotenciações das plantas do setor sucro-alcoleiro,
o que pode dobrar tendo em conta outros tipos de biomassa e energia eólica.
Atualmente as PCHs correspondem a 1.9% da matriz energética brasileira,
biomassa 1.8% e eólica apenas 0.3%.
Com o PROINFA, o Brasil passará a ser um dos paises com maior inserção
de geração através de fontes renováveis, mas permanecendo com um potencial
considerável ainda a ser explorado. Vale destacar que o principal objetivo do
programa é a inserção de fontes de energia limpa na matriz energética,
contribuindo para o desenvolvimento sustentável e para a preservação dos
recursos naturais. Outro aspecto relevante do programa é a geração de empregos
para prestadores de serviços e na indústria nacional, já que o PROINFA prevê a
nacionalização de 60% dos equipamentos.
Ainda assim, em função da razoabilidade dos custos e da atratividade dos
empreendimentos, o PROINFA foi concebido como uma iniciativa voltada
apenas para o sistema interligado, fazendo com que as regiões mais carentes do
país como a Região Norte, partes do Centro-Oeste e do Nordeste não sejam
beneficiadas pelo programa. Diante disso é importante destacar a necessidade
de se criar um programa que atenda as particularidades destes importantes
mercados.
Quanto à Universalização no atendimento de energia elétrica, temos o
prazer de parabenizar nossa equipe e em especial o nosso colega Jason Tibiriçá
Ferrari, responsável pela elaboração do Projeto de Lei nº 3566-04 em parceria
com o Dep. João Caldas (PL-AL) que visa a reinserção das mini e micro
centrais nos benefícios da CCC.
Estudos recentes indicam que nestas regiões as microcentrais só se
viabilizariam através dos benefícios da CCC, daí a importância do projeto
acima referenciado que corrige uma injustiça feita pela Lei 9648/98 e pela
Resolução 784/02 da ANEEL.
Through PROINFA (a program that encourages alternative sources of energy),
which was an initiative of the Ministry of Mines and Energy, the participation of
renewable sources of energy in the energy matrix is expected to be significantly
increased. 1.1 GW was the amount established for each of the sources.
Considering just the repowering of the plants in the sugar-alcohol sector, the
estimated potential for SHPs is 14 GW and Biomass 4GW. This amount can be
doubled if other types of biomass and wind energy are considered. Today, SHPs
correspond to 1.9% of the energy matrix, biomass 1.8% and Wind energy only
0.3%.
This way, Brazil will be part of a group of countries that present a substantial
high insertion of generation out of renewable sources in their energy matrix, and
a considerable potential will still be available to be used. It is important to highlight
that the main objective of the program is the insertion of clean energy in the energy
matrix, contributing towards sustainable development and the preservation of
natural resources.
Another interesting aspect is that besides creating jobs for service renders and
in the national industrial sector, the program forecast the nationalization of 60%
of the equipment.
However, because of the reasonability of the costs and the attractiveness of the
enterprises, PROINFA was conceived as a program aiming at the interconnected
system only. The regions of the country that need the most – the North region, parts
of the Center-west and the Northeast region – will not benefit from the program,
despite their potential of renewable sources of energy. Consequently, it is important
to observe the need to create a different program to meet the particularities of these
important markets.
As far as universalization is concerned, we have the pleasure to congratulate
our team, particularly our colleague Jason Tibiriçá Ferrari, who was responsible
for elaborating the Bill nº 3566-04 with Congressman João Caldas (PL-AL),
which intends to re-integrate mini and micro plants into the CCC (Fuel Consumption
Account) benefits.
The importance of the project mentioned above is that recent studies have
shown that micro-plants are only viable in these regions through the benefits
coming from the CCC. This project will correct an unfair situation created by
ANEEL’s Law 9648/98 and Resolution 784/02.
Geraldo Lúcio Tiago Filho - Editor PCH Notícias & SHP News
Sumário / Contents
PCH Notícias & SHP News
Editorial
PROINFA
Artigos Técnicos / Tecnical Articles
Agenda
2
3
4
7
22
PROINFA
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PROINFAoportunidade para as PCHs
Camila Rocha Galhardo / Fabiana Gama Viana
Diversificar a matriz energética através da utilização de fontes renováveis de energia (PCHs, biomassa e energia eólica), mediante o aproveitamento econômico dos insumos disponíveis e das tecnologias aplicáveis. Este é o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia PROINFA, instituído pela Lei nº 10.438/2002 e revisado pela Lei nº10.762/2003.
O Programa prevê a implantação de 3300 MW de capacidade em instalações de produção com início de funcionamento até 30 de Dezembro de
2006. Pelo PROINFA, a compra da energia produzida está assegurada pela Eletrobrás pelo período de 20 anos. Além disso, farão parte do programa
os empreendedores que preencherem todos os requisitos de habilitação descritos nos Guias e que tiverem seus projetos selecionados segundo os
procedimentos da Lei 10.438/02. Ainda de acordo com esta Lei, o MME é o responsável pela edição e publicação dos Guias de Habilitação e pela
divulgação dos valores econômicos correspondentes a cada tecnologia, cabendo à Eletrobrás a Chamada Pública e a posterior contratação. O MME
abriu Consulta Pública para receber contribuições da socidade até 06 de Fevereiro de 2003. Em entrevista concedida ao PCH Notícias & SHP News,
a Diretora de Energias Renováveis do MME, Laura Porto, fala do Programa e da importância deste no mercado de PCHs.
MME
Qual a avaliação do volume e da qualidade
dos projetos de Pequenas Centrais
Hidrelétricas - PCHs apresentados no
PROINFA?
Na primeira Chamada Pública do PROINFA, foram
apresentados 112 projetos de PCHs que
totalizaram uma potência de 1.924,17 MW,
superando as expectativas do Ministério de Minas
e Energia - MME. São projetos eficientes que, em
sua maioria, possuem bons fatores de capacidade
e atendem às exigências dos órgãos ambientais
para mitigação de impactos. Por apresentarem
toda a documentação exigida no Guia de
Habilitação – PCH de forma correta, ordenada e
clara, 91,07% dos projetos candidatos foram
habilitados. Do total de potência destes projetos,
foram selecionados 1.100 MW, seguindo
rigorosamente os comandos do artigo 3º da Lei nº
10.438, de 26 de abril de 2002.
Qual a importância do PROINFA para a
difusão da tecnologia PCH no Brasil?
Os primeiros sistemas elétricos do Brasil eram
compostos basicamente por PCHs no tocante à
geração, sendo a maioria deles construídos com a
finalidade de abastecer sistemas de iluminação
pública. Posteriormente, com a evolução dos
sistemas elétricos, as PCHs passaram a
proporcionar também tração elétrica e a mover
máquinas e motores de indústrias.
A partir da década de 70, com o crescimento da
economia e o conseqüente aumento da demanda
de energia elétrica, a necessidade de se criar uma
economia de escala e de se reduzir
significativamente os custos operacionais
impulsionou a desativação de grande parte das
PCHs , as quais foram substituídas pelas Grandes
Centrais Hidrelétricas no país.
Com a criação da figura do Produtor Independente
e a instituição de alguns mecanismos de estímulo
direcionados a PCHs, os quais reviram, inclusive,
as condições de contorno que caracterizam estas
centrais, houve um novo interesse por parte dos
empreendedores em projetos de PCH, mesmo que
de forma tímida.
Com o PROINFA, entretanto, criou-se um novo
marco na história das PCHs no país. Estabeleceuse um mercado seguro, com a assinatura de
contratos de longo prazo garantidos pela
ELETROBRÁS, Valores Econômicos atrativos e
uma linha de financiamento especial
do BNDES. Essas condições
favoráveis voltaram a injetar ânimo
na veia dos empreendedores
brasileiros, reaquecendo o mercado
de PCHs no Brasil, só que agora, de
forma sustentável.
Existe algum plano de
acompanhamento
da
implementação do PROINFA?
O MME, como coordenador do
Programa, preocupa-se muito com
os resultados do PROINFA. Dentro
de um diálogo construtivo, o
Ministério acompanhará todas as
ações desenvolvidas pela Eletrobrás,
BNDES, ANEEL, ONS, buscando
uma exitosa implementação do
Programa. Fará, também, valendose de estudos já contratados, uma
avaliação dos impactos sócioeconômicos, ambientais, técnicos e
financeiros dos projetos a serem Laura Porto
implantados no PROINFA,
considerando os aspectos peculiares das
Vale destacar que o Programa contribuirá para
tecnologias e a distribuição regional dos projetos.
atender um dos maiores objetivos do Governo
Esses resultados servirão de subsídio para a
Federal que é crescimento com geração de
expansão da oferta por meio de energia alternativa
emprego e renda, ambientalmente sustentável e
renovável.
com redução de desigualdades regionais.
Qual a importância e a dimensão do
PROINFA na matriz brasileira e no contexto
mundial?
O PROINFA é um importante instrumento para a
diversificação da matriz energética nacional,
garantindo maior confiabilidade e segurança ao
abastecimento. O Programa valoriza as
potencialidades energéticas regionais e locais,
descentraliza a geração de energia elétrica e
introduz novos agentes de pequeno e médio porte
no setor. Além disso, inova quando exige um índice
mínimo de 60% na nacionalização dos
equipamentos e serviços e assegura condições
especiais de financiamento do BNDES.
Do incremento previsto de 6.888 MW de
capacidade a ser instalada em 2006, o PROINFA
representará cerca de 48%. Talvez signifique, em
MW, a maior inserção concentrada de fontes
alternativas renováveis do mundo!
No contexto mundial, o PROINFA está coerente
com as políticas internacionais de incentivos a
fontes alternativas. Estas políticas têm como
vantagens estratégicas o desenvolvimento de uma
indústria forte de tecnologias de fontes renováveis,
a comercialização dos créditos de carbono oriundos
dos projetos, a busca pela capacitação e
qualificação da mão-de-obra e o investimento em
P&D, permitindo a crescente redução de custos e
uma conseqüente redução de subsídios.
Qual o destino da energia gerada no
PROINFA?
O destino é o Sistema Interligado Nacional - SIN,
o qual representa hoje cerca de 96,6% da
capacidade de produção de eletricidade do país.
Os pequenos sistemas isolados, localizados
principalmente na região amazônica, não se
beneficiarão da energia do PROINFA. Esses
sistemas terão mecanismos adequados aos perfis
PROINFA
5
PROINFA oportunity for the SHPs
Trad. Adriana Candal
Diversifying the energy matrix through the use of renewable sources of energy (SHPs, biomass and wind energy) with the economic use of the
available natural sources and applicable technologies. This is PROINFA, a program to encourage the use of alternative sources of energy, which
was instituted by Law nº 10,438/02 and revised by Law nº10,762/03.
The program forecasts the implementation of 3300 MW of capacity in producing installations that will have been commissioned by December
30th, 2006. According to PROINFA the purchase of the produced energy is assured by Eletrobrás along a 20-year period. Besides, the entrepreneurs
that will be part of the program are those who fulfill the eligibility requirements described in the Guide and whose projects are selected as
determined by the procedures established by Law 10,438/02. Also, according to this Law, the Ministry of Mines and Energy (MME) is responsible
for proclaiming and publishing the Eligibility Guides and for disseminating the economic values that correspond to each technology. Eletrobrás
will be in charge of the Selection Process and, afterwards, the contraction. The MME carried out a Public Call to receive contributions from the
society. The deadline was February 6th, 2003. In an interview for PCH Notícias & SHP News, the Director of Renewable Energy of the Ministry Mines
and Energy, Laura Porto, talks about the Incentive Program for Renewable Energy.
of PROINFA in the Brazilian matrix and
history in Brazil was created. A safe market was
What is your assessment of the amount
in the world scenario?
established with long term contracts guaranteed
and quality of the SHP projects presented
by Eletrobrás, Attractive Economic Values and a
PROINFA is an important instrument for the
in PROINFA?
special credit line granted by BNDES (National
diversification of the national energy matrix,
In the first Selection Process of PROINFA, a
assuring a more reliable and a risk-free energy
Bank for Economic and Social Development).
program encouraging alternative sources of
supply. The Program values the regional and
These favorable conditions once more injected
energy, 112 SHP projects totalizing 1,924.17 MW
local energy potentialities, decentralizes the
spirit in the veins of the Brazilian entrepreneurs,
were presented. These numbers were beyond
generation of electric energy and introduces new
re-heating the SHP market in Brazil, but this time
MME´s (Ministry of Mines and Energy)
small and medium-sized agents in the sector.
in a sustainable way.
expectations. Efficient projects, most of them
Is there a plan to check the
Besides, it innovates when it demands a minimal
present good capacity factors and meet the
index of 60% in the nationalization of the
implementation of PROINFA?
demands of the environmental organs in relation
equipment and services and assures special
MME, as the program’s coordinator, is
to the mitigation of impacts. 91.07% of the
financing conditions coming from
projects were considered to be
the BNDES.
eligible, for all the documents
“Com o PROINFA, entretanto, criou-se um novo marco na história Out of the 6,888 MW of capacity
required by the SHP Eligibility
das PCHs no país. Estabeleceu-se um mercado seguro, com a assinatura forecast to be installed in 2006,
Guide were presented correctly
de contratos de longo prazo garantidos pela ELETROBRÁS, Valores PROINFA will represent about 48%.
and in a clear way. Following
Econômicos atrativos e uma linha de financiamento especial do Perhaps, in MW, it represents the
rigorously the commands of
BNDES. Essas condições favoráveis voltaram a injetar ânimo na veia largest concentrated insertion of
Article 3, Law 10438, April 26th,
dos empreendedores brasileiros, reaquecendo o mercado de PCHs no alternative renewable sources in the
2002, 1,100 MW were selected out
world!
Brasil, só que agora, de forma sustentável.”
of the total power of these
It is worth highlighting that the
projects.
Program will contribute towards
“However, with PROINFA, a new mark in the SHP history in Brazil
What is the importance of
meeting one of the greatest goals of
PROINFA
for
the
was created. A safe market was established with long term contracts
the Federal Government: the
dissemination of the SHP
guaranteed by Eletrobrás, Attractive Economic Values and a special
growth of the country with the
technology in Brazil?
credit line granted by BNDES (National Bank for Economic and Social
generation of new jobs and income
As far as generation is
Development). These favorable conditions once more injected spirit in
in an environmentally sustainable
concerned, the first electrical
the veins of the Brazilian entrepreneurs, re-heating the SHP market in
way and with the reduction of
systems in Brazil were basically
Brazil, but this time in a sustainable way.”
regional inequalities.
composed by SHPs, and most of
Within the world scenario, PROINFA
them were built in order to supply
is coherent with the international
public illumination systems.
incentive policies towards alternative sources.
considerably concerned the results presented by
Afterwards, with the evolution of electrical systems,
These policies present strategic advantages such
PROINFA. Through a constructive dialogue, the
the SHPs started to provide electric traction and
as the development of a effective industry of
ministry will follow all the actions performed by
drive industrial machines and engines.
Eletrobrás, BNDES, ANEEL (National Agency
renewable source technologies, the
From the senventies on, with the economy growth
commercialization of carbon credits coming from
for Electric Energy), ONS (Brazilian Independent
and the rise in the demand of electric energy, the
the projects, the search for the capacitation and
System Operator), so that the Program can be
need for creating a scale economy and reducing
qualification of the workforce and the investment
implemented successfully. Based on studies that
the operational costs significantly impelled the
in R&D, allowing a growing reduction in costs
have already been contracted, MME will also
decommission of most of SHPs, which were
carry out an evaluation of the socio-economic,
and consequently a reduction in the subsidies.
replaced by the large hydroelectric plants in the
What is the destination of the energy
environmental, technical and financial impacts
country.
generated in PROINFA?
of the project that will be implemented through
The creation of the Independent Producer and
The destination is the National Interconnected
PROINFA, considering the unique aspects of the
the establishment of some mechanisms aiming
technologies and the regional distribution of the
System (SIN), which currently represents 96.6%
at encouraging the implementation of SHPs,
projects. These results will serve as subsidy for the
of the electricity production capacity of the
which also reviewed the classification patterns
country Brazil. The small isolated systems located,
expansion of the offer by using renewable
that characterized these plants, nourished a new
mainly, in the Amazon region will not benefit
alternative energy.
interest in SHP projects.
from PROINFA’s energy. These systems will have
What is the importance and the dimension
However, with PROINFA, a new mark in the SHP
PROINFA
6
energético e ambiental da região.
A energia do PROINFA poderá ser absorvida localmente, por meio de sistema
de distribuição ou despachada centralizadamente pelo ONS, por meio das
linhas de transmissão. Neste caso, esta energia será considerada de base e
prioritária no despacho.
Os empreendimentos do PROINFA, na sua grande maioria, serão
caracterizados como geração distribuída e contribuirão para o atendimento
ao Programa Luz Para Todos, uma vez que muitos estão localizados em
regiões na quais ainda não há fontes locais ou extensão de rede.
Qual o poder do PROINFA como multiplicador?
Quando um Programa adota regras claras e estáveis ele tem uma resposta
positiva dos empreendedores e da sociedade civil. Ele se torna referência
para o Executivo e para o Legislativo, também. Há um significado político,
econômico e até cultural, uma vez que há quebra de paradigmas e de
preconceitos.
Ele pode ser multiplicador como modelo de política de incentivo para outros
países com características semelhantes à brasileira. Pode ser visto também
como modelo de postura governamental, a qual acreditou no Programa e o
implementou, fazendo os aperfeiçoamentos possíveis.
O PROINFA é multiplicador também de novos agentes no setor, de novos
empregos e de novas pesquisas.
O que o Ministério de Minas e Energia projeta para ampliar a
difusão de aproveitamentos hidrelétricos menores que 1.000
kW?
O MME pretende estruturar mecanismos de incentivo para a implantação
de mini, micro e pico aproveitamentos hidrelétricos, principalmente em
sistemas isolados da Amazônia Legal. Tais mecanismos serão incluídos na
proposta do Governo de ampliar a participação das energias alternativas
renováveis na matriz energética brasileira, e estarão em consonância com
os objetivos do Programa Luz para Todos.
mechanisms that are suitable for the energetic and environmental profiles
of the region.
The energy from PROINFA may be locally absorbed by means of distribution
systems or it may be delivered by ONS in a centralized way by using power
lines. In this case, this energy will be considered as base energy and will its
delivery will be a priority.
Most of PROINFA’s enterprises will be characterized by distributed generation
and will contribute towards the program ‘Light for Everyone’, for many of
them will be located in regions where there are no local sources or grid
extensions.
How powerful is PROINFA as a multiplier?
When a Program adopts clear and stable rules it has a positive response
from the entrepreneurs and the society. It also becomes a reference for the
Executive and Legislative Powers. Once paradigms and prejudices are
shattered, there is an economic, political and even a cultural meaning.
PROFINFA can be a multiplier as a model of incentive policy for other
countries whose characteristics are similar to Brazil’s. It can also be seen as
a model of Government attitude, which believed in the Program and
implemented it, carrying out the possible improvements.
PROINFA is also a multiplier of new agents in the sector, new jobs and new
researchers.
What is the Ministry of Mines and Energy planning to broaden
the dissemination of hydroelectric potentials that are smaller
than 1,000 kW?
The MME intends to structure incentive mechanisms aiming at the
implementation of mini, micro and p ‘pico’ hydroelectric potentials, mainly
in isolated systems in the Legal Amazon. Such mechanisms will be included
in the Government’s proposal to enlarge the participation of renewable
alternative energies in the Brazilian energy matrix, and they will be in
harmony with the goals of the Program ‘Light for Everyone’.
Esta entrevista teve a colaboração dos assistentes Augusto Machado e Samira Sousa.
Contributed to this interview: Augusto Machado and Samira Sousa.
Artigo Técnico
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Energia do Biogás do Reuso da Água do
Esgoto dentro do Planejamento
Energético
MIGUEL EDGAR MORALES UDAETA - GEPEA / USP
FRANCISCO DE ARAGÃO ANTUNES MACIEL - GEPEA / USP
Resumo
O objetivo deste trabalho é analisar as possibilidades de aplicação como recurso energético a partir
do lodo residual obtido pelo tratamento de águas de
esgotos urbanos (para reuso da água). Para atingir
esse objetivo, neste trabalho também é analisada a
possibilidade de geração de energia elétrica através
do bombeamento das águas do Rio Pinheiros para a
represa Billings e geração posterior na Usina de
Henry Borden, onde a quantidade de lodo produzida faz necessário um estudo para se tratar essa
grande quantidade de matéria orgânica da melhor
forma possível, bem como o analisar o acúmulo de
créditos carbono devido à redução de emissão de
carbono à atmosfera, decorrente do uso adequado
do gás metano produzido, que é altamente poluente
causador do efeito estufa. Dentre os benefícios gerados pela utilização adequada do lodo residual podese citar a produção de energia elétrica. O aproveitamento energético a partir do lodo residual insere-se em um contexto de desenvolvimento sustentável e dos mecanismos de desenvolvimento limpo, ou seja, produzir energia elétrica a partir de
fontes renováveis que produzam menos poluentes
que as fontes convencionais. Através da análise
feita a respeito da utilização do lodo residual do
tratamento de esgoto para a geração de energia
elétrica, pode-se constatar a necessidade deste tratamento e os benefícios que este projeto pode trazer para a sociedade e ao meio ambiente. Benefícios que geram conseqüências imediatas, como a geração de energia, desenvolvimento de tecnologias
alternativas e também benefícios a longo prazo
como a conscientização em relação a preservação
do meio ambiente e principalmente gerar um desenvolvimento sustentável e limpo para que futuras gerações possam aproveitar os recursos que o
meio ambiente oferece.
AbstractT
The aim of this paper is to assess the possibility of
attaining energy gain from the residual sludge
resulting from the treatment of urban sewage water.
In this work will be approach to the possibility of
indirect generation of electricity pumping water
from the Pinheiros river to the Billings Dam (after
cleaning the water in an complex flotation process
that is the water reuse), which in turn generates
electricity at the Henry Borden plant; accumulation
of credits due to the reduction of carbon emission
to the atmosphere as a result of the adequate use of
the methane gas, one the greenhouse gases. A
preliminary case study will be done for the Pinhei-
GERALDO FRANCISCO BURANI - IEE / USP
PAULO HELIO KANAYAMA - GEPEA / USP
ros river, where the amount of sludge produced from the water reuse reaches a startling level, compelling
the study for the best possible ways to processes and eliminate this great amount of organic matter.
Obtaining energy gain from residual sludge fits in the comprehensive context of sustained development
which in turn supports the concept of clean energy production and renewable sources use, less pollutant
the conventional ones. A benefit inherent to the proper use of that kind of sludge is the clean
generation of electricity as distributed generation.
1. Introdução
A água é um elemento fundamental à vida, seus múltiplos usos são indispensáveis às atividades humanas, sendo assim a água deve ser utilizada de forma consciente e eficiente. Uma das formas de uso da
água, evitando o uso de água destinada ao consumo humano, é a utilização de água de reuso produzida
dentro de estações de tratamento de esgoto para fins tais como lavagem de ruas e pátios, lavagem de
veículos, geração de energia, etc.Assim como é importante o uso sustentado da água, deve-se despertar
para a importância do uso sustentado de toda e qualquer forma de energia. Torna-se cada vez mais
importante o desenvolvimento de tecnologias que possam ser empregadas na geração de energia
elétrica a partir de fontes renováveis, como por exemplo, a biomassa, a energia solar e eólica. Uma das
formas de biomassa que pode ser utilizada como fonte de combustível é a matéria orgânica denominada
lodo residual, produzida juntamente com a água de reuso no tratamento de águas de esgotos. Com o
processamento do lodo residual através dos processos de Pirólise Rápida, Tocha de Plasma e Biodigestão
torna-se possível a geração de energia elétrica e a adequada eliminação dos resíduos. Com a correta
utilização do lodo gera-se uma importante fonte de matéria prima para a geração de energia e conseqüentemente um desenvolvimento sustentado, devido à renovação e constante produção de lodo.
Outro fator relevante é a contribuição com os Mecanismos de Desenvolvimento Limpo, que de acordo
com o protocolo de Kioto, os países desenvolvidos deveriam reduzir a emissão de gases que contribuam
com o efeito estufa, ou então incentivar e patrocinar estudos e implementações de projetos em países
subdesenvolvidos para obter esta redução de emissão de gases poluentes.
2. Opções Energéticas
As formas de aproveitamento energético para as águas tratadas de esgoto, são: 1a) Direta: utilizando
diretamente a água tratada como forma de geração em hidrelétricas; 2a) Indireta: em termelétricas,
utilizando o lodo residual do esgoto tratado como fonte de energia de biomassa. Esta última será nosso
foco de trabalho, mas a utilização da água também será estudada como forma de incrementar a receita
de empresas que venham a implementar as soluções que serão apresentadas e tornar o balanço energético
positivo, caso não seja, minimizar os custos de geração, já que será utilizada uma fonte que a princípio
seria descartada.
O tratamento do lodo residual pode ser feito através da Pirólise Rápida, Tocha de Plasma e Biodigestão.
A seguir serão descritos estes processos de tratamento do lodo residual.
2.1 Tocha de Plasma
Quando um gás é aquecido a temperaturas elevadas há mudanças significativas em suas propriedades. A
3.000 oC, os átomos são ionizados pela perda de parte dos elétrons. Este gás ionizado é chamado de
plasma. No estado de plasma o gás atinge temperaturas extremamente elevadas que podem variar de
5.000 - 50.000 °C de acordo com as condições de geração.
Um gerador de plasma (tocha de plasma) é um dispositivo que transforma energia elétrica em calor
transportado por um gás. As tochas de plasma já estão em uso há anos na indústria metalúrgica e
siderúrgica e estão sendo utilizadas também para dar fim à substancias perigosas e poluentes como, por
exemplo, lixo hospitalar, drogas e outros materiais. Por meio da tocha de plasma, o conversor de
resíduos a plasma (CRP) produz eletricamente um campo de energia radiante de altíssima intensidade
que aplicado sobre os resíduos produz a dissociação das ligações moleculares existentes nos compostos
sólidos, líquidos, sejam eles perigosos ou não, orgânicos ou inorgânicos.
O jato de plasma é gerado pela formação de um arco elétrico, através da passagem de corrente entre o
catodo e anodo, e a injeção de um gás (qualquer gás) que é ionizado e projetado sobre os resíduos. É
importante notar que no processo a plasma não há combustão ou queima dos componentes do resíduo,
não gerando compostos perigosos provenientes da combustão como dioxinas, furanos e outros. Na Fig.
(1) pode ser observado o esquema da tocha de plasma.
Artigo Técnico
9
abrangente; o bio-óleo é incompatível com
combustíveis convencionais e; são necessários
sistemas dedicados de manuseio com o
combustível.
2.3 Biodigestão
Figura 1 Esquema da
Tocha de Plasma
A redução de volume de materiais sólidos obtidos em um conversor de resíduos a plasma pode atingir
300 para 1 ou mais, virtualmente eliminando todo o material processado.
Quando os resíduos carregados são de alto poder calorífico o sistema poderá ter balanço energético
positivo, permitindo a recuperação de energia em quantidade superior à despendida no processo.
Algumas vantagens da utilização da tocha de plasma são:
· Processo é ambientalmente correto, pois o nível de emissão de gases poluentes é muito inferior às
exigências das leis ambientais.
· Elimina qualquer necessidade de tratamento subseqüente, estocagem ou disposição em aterros especiais.
O material residual resultante é um material inerte e vitrificado podendo ser utilizado, por exemplo, em
pavimentações.
· Redução de volume extremamente elevada, a frações podendo ser inferiores a 1%.
. Possibilita a cogeração de energia, com a produção de energia elétrica, vapor e/ou frio.
· Eliminação de substâncias perigosas ou poluentes.
A princípio, o processo da tocha de plasma apresenta diversas vantagens com relação ao meio ambiente,
porém do ponto de vista energético deve-se fazer um estudo maior devido a forte dependência do poder
calorífico do material processado e da energia produzida, dependendo do material o balanço energético
pode ser negativo.
2.2 Pirólise Rápida
Pirólise Rápida é, por definição, uma decomposição térmica que ocorre na ausência de oxigênio. É
também o primeiro passo nos processo de combustão e gaseificação, onde é seguido por uma oxidação
total ou parcial dos produtos principais.
Temperaturas de processo mais baixas e períodos mais longos de permanência de vapor favorece a
produção de carvão vegetal. Altas temperaturas e períodos mais longos de permanência de vapor
aumentam a conversão de biomassa em gás, e temperaturas de processo moderadas e períodos curtos de
perman6encia de vapor são ótimos para a produção de líquidos. Após o resfriamento e condensação, é
formado um líquido marrom escuro que tem a metade do poder calorífico do óleo combustível
convencional.
A Pirólise Rápida é um dos mais recentes processos dentre uma família de tecnologias que converte
biomassa – na forma de lenha ou resíduos agrícolas – em produtos de alto valor energético incluindo
gases, líquidos e sólidos. A pirólise rápida é a única em que o produto principal é líquido, com vantagens
de armazenamento e transporte. A pirólise rápida possui apenas 20 anos de desenvolvimento, comparado
com centenas de anos para a gaseificação e milhares de anos para a combustão, mesmo assim já está
sendo vista como candidato à líder no setor de energia renovável à medida que passar das pesquisas para
usinas em escala comercial.
Qualquer forma de biomassa pode ser considerada para a pirólise rápida. A maior parte do trabalho tem
sido feita com a lenha, porém aproximadamente 100 diferentes tipos de biomassa estão sendo testados
por vários laboratórios, dentre eles resíduos agrícolas como palha, caroço de azeitonas e casca de
nozes, e resíduos sólidos como lodo de esgoto e resíduos de couro.
O bio-óleo produzido a partir da pirólise rápida pode substituir o óleo combustível ou o diesel em muitas
aplicações estáticas incluindo caldeiras, fornos, motores e turbinas para geração de eletricidade. No
caso da produção de energia elétrica temos um exemplo de aplicação onde pelo menos 500 horas de
operação foram alcançadas nos últimos anos em vários motores de unidades de testes laboratoriais,
motores modificados de duplo óleo combustível de 1,4 MW. Um dos motores é um motor de 250KW
de duplo combustível que chegou a aproximadamente 400 horas, incluindo várias jornadas de 9 horas,
e com energia sendo gerada por 320 horas. Uma turbina a gás foi modificada e funcionou com sucesso
com o bio-óleo.
Algumas vantagens da pirólise rápida são: a facilidade de armazenamento e locomoção devido a maior
quantidade de produto produzido ser na forma líquida e; a utilização de várias formas de biomassa
Algumas desvantagens são: o custo do bio-óleo, que é 10% a 100% maior que combustíveis fósseis; a
falta de padrões para uso e distribuição do bio-óleo, e qualidade inconsistente, impedem o uso mais
O biogás é uma mistura gasosa combustível,
produzida através da digestão anaeróbia, ou seja,
pela biodegradação de matéria orgânica pela ação
de bactérias na ausência de oxigênio.
Esse é um processo natural que ocorre em
pântanos, mangues, lagos e rios, e é uma parte
importante do ciclo biogeoquímico do carbono.
Produzido dessa maneira, o biogás não é utilizado
como fonte de energia.
A produção de biogás também é possível a partir
de diversos resíduos orgânicos, como estercos de
animais, lodo de esgoto, lixo doméstico, resíduos
agrícolas, efluentes industriais e plantas aquáticas.
Nesse caso, quando a digestão anaeróbia é realizada
em biodigestores especialmente planejados, a
mistura gasosa produzida pode ser usada como
combustível, o qual, além de seu alto poder
calorífico, de não produzir gases tóxicos durante
a queima e de ser uma ótima alternativa para o
aproveitamento do lixo orgânico, ainda deixa
como resíduo um lodo que é um excelente
biofertilizante.
Um exemplo de utilização de biodigestores é a
produção de biogás pela Sabesp na estação de
tratamento do Barueri, este gás produzido é
utilizado na geração de energia elétrica através de
motores e microturbinas, que supre parte da
energia elétrica consumida na Estação.
O biogás é uma mistura gasosa composta
principalmente de:
· Metano (CH4): 40 – 70% do volume de gás
produzido.
· Dióxido de carbono (gás carbônico, CO2): 30 –
60% do volume de gás produzido.
· Hidrogênio (H2): 0 – 1% do volume.
· Sulfeto de hidrogênio (gás sulfídrico, H2S): 0 –
3% do volume.
O poder calorífico do biogás é aproximadamente
6 kWh/m3, o que corresponde a aproximadamente
meio litro de óleo diesel. O principal componente
do biogás, quando se pensa em usá-lo como
combustível, é o metano. As vantagens da
utilização do processo de Biodigestão são:
· É um processo natural para se tratar rejeitos
(resíduos) orgânicos.
· Requer menos espaço que aterros sanitários ou
compostagem.
· Diminui o volume de resíduo a ser descartado.
· É uma fonte de energia renovável.
· Produz um combustível de alta qualidade e
ecologicamente correto (a combustão do metano
só produz água e dióxido de carbono, não gerando
nenhum gás tóxico).
· Maximiza os benefícios da reciclagem/
reaproveitamento da matéria orgânica.
· Produz como resíduo o biofertilizante, rico em
nutrientes e livres de microorganismos
patogênicos.
· Reduz significativamente a quantidade emitida
de dióxido de carbono (CO2) e de metano (CH4),
gases causadores do efeito estufa.
As desvantagens da utilização do processo de
Artigo Técnico
10
Biodigestão são:
· Controle dos níveis ótimos das variáveis de operação dos biodigestores como: temperatura,
teor de água, pH, nutrientes e impermeabilidade ao ar.
· Formação de gás sulfídrico (H2S), um gás tóxico.
· Necessidade de tratamento do gás obtido, dependendo da quantidade de gás sulfídrico.
· Escolha do material na construção do biodigestor devido a formação de gases corrosivos.
3. Processo Escolhido
Os estudos desenvolvidos revelaram que se os três processos analisados forem viáveis
individualmente, os mesmos podem apresentar uma boa alternativa se trabalharem
complementarmente, como é o caso escolhido.
Analisando os três processos pré-selecionados, a biodigestão do lodo residual apresenta um
balanço energético positivo, como era de se esperar. Pois, se o metano que é produzido
naturalmente não for expelido diretamente na atmosfera, será queimado sem nenhuma forma
de aproveitamento energético. A tocha de plasma que aparentemente poderia ser utilizado
como uma outra maneira de obtenção de energia elétrica, também se mostrou inviável para
essa finalidade, mas se é uma boa alternativa para eliminação de rejeitos indesejados para a
sociedade; e a pirólise rápida por ser um processo relativamente novo, não está disponível em
escala comercial, inviabilizando assim a sua utilização.
Portanto a solução escolhida para atingir o objetivo de geração de energia elétrica, e ao
mesmo tempo viabilizar o projeto, é a utilização da biodigestão complementada com a
utilização da tocha de plasma.
3.1 Aspectos da Implementação
A implementação dessa solução na cidade de São Paulo, mais especificamente no Rio Pinheiros,
será feita através da utilização das Estações de Flotação e Remoção de Flutuantes (EFRF) que
estão no curso do rio. Essas EFRF‘s farão o tratamento da água do rio e o lodo resultante
receberá um tratamento físico-químico, pela adição de polímero que facilitará sua desidratação
e sua centrifugação. Dessa forma, obtém-se ao final desse processo o lodo a uma concentração
de 30%. A Figura 2 ilustra o processo de desidratação do lodo.
A composição do lodo tem um comportamento sazonal, podendo variar em um curto período
de tempo. Conforme pode ser verificado pelos gráficos abaixo, em questão de horas, a
concentração de compostos orgânicos e inorgânicos podem ter seus valores alternando-se
relativamente, dificultando o cálculo tanto do poder calorífico como da densidade aparente.
Figura 2 Desidratação do
Lodo
Para estimar o poder calorífico do lodo, utilizou-se o valor de 900 kcal/kg e uma densidade de
0,780g/cm³ (Tab. 1).
Densidade Aparente
Volume do Lodo Produzido
Massa do Lodo Produzido
Poder Calorífico
Poder Calorífico Total do Lodo (por dia)
Potência Média Disponível para Geração
780 kg/m3
507 m3/dia
395850 kg/dia
900 kcal/kg
356265000 kcal = 1,49*1012 J
17.26 MW
Tabela 1 Valores do
Lodo
3.2 Energia do Lodo
A potência que será transformada em energia elétrica dependerá do processo e das máquinas
que serão utilizadas, levando-se em conta o rendimento de cada máquina e a utilização de ciclo
combinado ou não no processo. Em termelétricas tradicionais, esse rendimento pode chegar a
casa dos 50%. Se atingirmos esse valor, o lodo poderia produzir certa de 8,6MW de potência
elétrica média.
3.3 Análise Econômica
Para se conhecer os benefícios do processo proposto, é necessário conhecer o que se muda
após a sua implementação. Além de benefícios intangíveis que serão citados posteriormente,
deve ser feita também uma análise econômica comparando os dois processos: atual e proposto.
Atualmente existem três etapas que representam custos altos para a despoluição do Pinheiros.
O tratamento em si da água necessita de uma energia de
0,117 kWh/m³, sabendo-se que a vazão do Pinheiros é de
10m³/s, seria necessário mais de 3 GWh/mês.
Depois disso, o lodo resultante passa por um processo de
inertização o que possibilitará sua destinação em aterros
sanitários. Para cada m³ de água tratada, são adicionados
30g de cal virgem, assim, serão necessários 777 toneladas
de cal por mês a um custo de R$ 240/ ton, totalizando um
custo com cal de R$186.624,00/mês. Depois de desidratado
e inertizado, o lodo deverá ser transportado em carretas
para aterros sanitários. O custo desse transporte está
estimado em R$ 20,00/m³ de lodo produzido. Atualmente
o lodo inertizado produzido é cerca de 1080 m³/dia, dessa
forma, o custo total de transporte do lodo seria em torno
de R$ 646.800,00/mês.
Para finalizar a análise atual, basta saber o custo da energia
gasta e para isso é necessário saber a curva de carga de
todo tratamento, verificar o tipo de tarifa que se enquadra
e calcular mais precisamente todo o custo energético,
considerando a demanda e a energia, contudo para
simplificar nosso cálculo estimamos o custo da energia
em R$ 90,00/MWh, portanto a energia gasta por mês
custaria R$ 273.000,00, totalizando um custo total de
mais de R$ 1.100.000,00/mês, lembrando que esse custo
está sendo estimado e que para deixá-lo mais fiel à realidade
é necessário verificar o custo real pela tarifa em que se
enquadra.
No modelo proposto, o custo e a energia do tratamento se
manterão (R$ 273.000,00 para 3GWh/mês), mas o lodo
não deverá ser inertizado, muito pelo contrário, o lodo
deverá manter suas propriedades bacteriológicas e entrar
no processo de biodigestão onde produzirá os gases
utilizados na produção de energia.
Como visto anteriormente, a potência média útil produzida
pelo biogás é de 8,6MW, podendo num mês produzir cerca
de 6,2 GWh correspondendo a uma receita de R$
557.000,00/mês.
Para essa etapa, os dados foram obtidos para o lodo a uma
concentração de 60%, por tanto, seria necessário conhecer
também a energia gasta para desidratar ainda mais o lodo
até a concentração de 60%. A secagem deverá ser térmica,
portanto é necessário calcular a energia para evaporar
esta quantidade de água considerando-se um determinado
rendimento em função do processo a ser adotado.
Após a produção do gás, o lodo passará pelo processo de
vitrificação através da tocha de plasma. Nesse processo o
lodo pode ter seu volume reduzido a 1%, como o volume
era de 507m³/dia a uma concentração de 60%, após passar
pela tocha de plasma seu volume se reduzirá a 5m³/dia ou
150m³/mês, e o custo de transporte desse volume será em
torno de R$ 3.000,00/mês.
Novamente, nos faltou nessa etapa conhecer a energia
consumida pela tocha o que pode comprometer a
viabilidade econômica sensivelmente, mas essa conclusão
só poderá ser tomada depois de conhecido essa energia.
Contudo a tocha não deixa de ser uma boa alternativa
ecológica para o lodo.
Depois que toda água do Pinheiros estiver tratada, poderá
se rebombear 10m³/s (vazão natural do rio) em direção à
represa Billings com a finalidade de geração extra na Usina
de Henry Borden. Esse rebombeamento terá um gasto de
0,1035kWh/m³ e, portanto será necessário uma energia
de 2,68GWh/mês. Em contrapartida, na usina de Henry
Borden, cada 10m³ de água representa a geração de
1,639kWh, com a vazão de 10m³/s, serão quase
2.600.000m³/mês e, portanto será possível gerar mais de
42 GWh/mês. A diferença de energia produzida e consumida
Artigo Técnico
representará uma receita de quase R$ 3.600.000,00/mês.
Ficará a critério da empresa utilizar a energia gerada, abatendo-se da energia contratada bilateralmente
do fornecedor ou vende-a no mercado em momentos de crise energética aonde seu valor já chegou a R$
600,00/MWh. Atualmente o valor nesse mercado é de R$ 4,00/MWh.
Uma maneira alternativa de gerar mais receitas é a venda de créditos carbonos pela emissão evitada de
gases estufa no processo, para isso, como a maior parte dos gases produzidos é o metano, e o crédito
carbono é dado em US$/ton de CO2, deve-se verificar qual é a relação do metano com o dióxido de
carbono para premiação.Verifica-se pela Tabela 2 que o processo proposto tem balanço positivo de
cerca de R$ 3.800.000,00, obviamente negligenciando o processo de secagem, a tocha de plasma e os
créditos carbonos, mas considerando novamente o custo da energia a R$90/MWh, ainda será possível
gastar 42GWh/mês para esses dois processos, de forma que o processo total não deixe de ser autônomo,
e ainda sem contar com a receita dos créditos carbonos.
Tabela 2 - Balanço Energético e Financeiro
Custo
tratamento da água
inertização (cal)
0,117 kWh/ m3
(273,00)
(273,00)
(187,00)
verificar
900 kcal/kg
tocha de plasma
transporte do lodo
Atual
R$240/ton
secagem do lodo
energia do lodo
Proposto
557,00
verificar
R$20/m3
(3,00)
bombeamento da água
0,1035 kWh/n3
(241,00)
geração em Henry Borden
1,639 kWh/m3
3.823,00
US$ 6/ton
verificar
crédito carbono (CO2)
TOTAL (em R$1000,00/mês)
3863
(647,00)
atividade pesqueira tanto esportiva como
comercial.
5. Conclusão
Através desta análise feita a respeito da utilização
do lodo residual do tratamento de esgoto para a
geração de energia elétrica, pode-se constatar a
necessidade deste tratamento e os benefícios que
este projeto pode trazer para a sociedade e ao
meio ambiente. Benefícios, vinculados
fundamentalmente ao reuso da água, pois é água o
bem que cada vez mais se torna escasso.
Benefícios que geram conseqüências imediatas,
como a geração de energia, desenvolvimento de
tecnologias alternativas e também benefícios a
longo prazo como a conscientização em relação
a preservação do meio ambiente e principalmente
gerar um desenvolvimento sustentável e limpo
para que futuras gerações possam aproveitar os
recursos que o meio ambiente oferece.
Finalmente deve-se ressaltar que a possibilidade
de implementar mecanismos de desenvolvimento
limpo, quer vinculados ou não a mandato global
via Quioto, concretizam a possibilidade de um
consumo sustentável realista que implica efeitos
diretos na redução de resíduos e materializam
sempre o desenvolvimento sustentável. Ou mais
ainda fazem credível a exeqüibilidade de um
desenvolvimento sustentável onde as gerações
futuras tenham tantas possibilidades quanto as
atuais de habitar o planeta.
6. Bibliografia
-1107
3.4 Créditos de Carbono
Com o processo de tratamento do lodo residual e a conseqüente utilização do biogás como combustível
na geração de energia, deixa-se de emitir na atmosfera o gás metano, o principal componente do
biogás, que é altamente poluente, chegando a contribuir cerca de 23 vezes mais para o efeito estufa que
o gás carbônico.
De acordo com o Protocolo de Kioto que visa um desenvolvimento sustentável e desenvolvimento de
mecanismos limpo, através da produção de energia por meio de fontes renováveis e que agridam
menos o meio ambiente, os países desenvolvidos teriam que reduzir a emissão de gases poluentes e
causadores do efeito estufa, ou então viabilizar e implementar projetos em outros países
(subdesenvolvidos) nesta direção.
Com isso, devido a redução de emissão de gás metano na atmosfera, o projeto de utilização do lodo
residual de esgoto passa a acumular créditos carbono, que podem ser comercializados com os países que
não conseguirem a redução de emissão de gases estipulada. Gera-se com isso receita para a viabilidade
do projeto.
4. Benefícios Indiretos
Na análise de obtenção de energia a partir do uso do lodo residual de esgoto tratado, é totalmente
relevante considerar outras questões que podem influenciar a decisão de investimento na implementação
de qualquer solução que venha a ser escolhida. Através dessa análise poder-se-ão observar benefícios
indiretos, mesmo que o balanço energético do processo não seja positivo, ou seja, ganhos em qualidade
de vida, tanto ambientalmente quanto socialmente.
4.1 Meio Ambiente
Um aspecto imediato quanto à questão ambiental é a diminuição da poluição do Rio Pinheiros ou até
mesmo a sua inteira recuperação que permitiria o retorno da vida aquática e a retomada de ciclos
biológicos.
4.2 Transporte e Atividade Pesqueira
O transporte fluvial além de representar uma alternativa para o caótico trânsito urbano, seria uma
solução de baixo custo de operação e manutenção. Construção de marinas para barcos de pequeno
porte, parques aquáticos próximo ao rio e talvez até utilizando sua água, construção de locais para
Hespanhol, Ivanildo. et at. Proposta de reuso
de esgotos tratados pela usina de geração de
energia Carioba – II, CTH, maio de 2001.
Kanayama, P.H. Minimização de resíduos
sólidos urbanos e conservação de energia. São
Paulo. 1999
Martins, Osvaldo Stella. et al. Produção de
energia elétrica a partir do biogás resultante do
tratamento de esgoto. CENBIO, abril de 2002.
Menezes, Marco Antônio. et al. O Plasma
Térmico – solução final para resíduos perigosos.
Kompac, outubro de 1999
Pereira, Carlo Roberto. Sistema de flotação e
remoção de flutuantes para a melhoria das Águas
do Rio Pinheiros. EMAE, março de 2002.
Reis, L.B. dos. Energia Elétrica para o
Desenvolvimento Sustentável. EDUSP. São
Paulo. 2001.
Renewable Energy World. Towards the ‘biorefinery’. James x James. 2001 v.4 nº1. Jan-Fev
01
Site da Cetesb (http://www.cetesb.sp.gov.br)
Site da EMAE (http://www.emae.sp.gov.br)
Site da Kompac (http://www.kompac.com.br)
Site da Sabesp (http://www.sabesp.com.br)
Site da USP (06/06/2002) (http://www.usp.br/
jorusp)
Site da USP (06/06/2002) (http://www.usp.br/
jorusp)
Takabatake, A. Nishio, N.M. Produção de
Energia Elétrica a partir dos Resíduos da Água,
Relatório Final do Projeto de Formatura. PEA
– EPUSP, Sao Paulo 2002.
Artigo Técnico
12
Diseño, Construcción y Ensayo de una Turbina de Flujo
Transversal para Generación Eléctrica en Sitios Aislados
Laboratorio de Máquinas Hidráulicas (La.M.Hi.)
Ariel R. Marchegiani ([email protected]) Depto de Mecánica Aplicada -Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional del Comahue
Orlando A. Audisio ([email protected])
Buenos Aires 1400 - (8300)Neuquén - ARGENTINA
Resumen
En el Laboratorio de Máquinas Hidráulicas de la
Facultad de Ingeniería (F.I.) de la Universidad
Nacional del Comahue se estableció un programa
de trabajo para el diseño y desarrollo de un pequeño
grupo turbo generador hidráulico que pueda ser
fabricado íntegramente por la industria local. Se
estableció, también, que el mismo sea destinado a
pequeños consumidores localizados en zonas poco
pobladas y con recursos hídricos a su alcance y de
esta manera permitir que estos accedan a la energía
hidroeléctrica que generaría esta máquina. El programa de trabajo fue elaborado para una gama
específica de potencias necesarias en consumidores domésticos y pequeños establecimientos
industriales que no tienen fácil acceso a la energía
eléctrica generada por las grandes centrales.
En este artículo se presentan los resultados de
proyecto, diseño y construcción de una turbina
de flujo transversal de fabricación local realizados
por el Laboratorio de Máquinas Hidráulicas de la
Universidad Nacional del Comahue.
La máquina diseñada es una turbina de flujo
transversal de un diámetro de 200 mm. Los
mejores valores de rendimiento fueron obtenidos
para una altura de ensayo de 13.00 m.,
alcanzándose valores puntuales de 78%. Se
obtuvieron, además, laS curvas características de
la misma.
Introducción
Una instalación eléctrica se caracteriza, desde el
punto de vista económico-financiero, por su elevado costo de inversión inicial y su bajo costo
operativo frente a su alternativa de comparación,
en general una central térmica convencional, la
que posee un elevado costo de funcionamiento y
mantenimiento.
Este elevado costo inicial y un real sentido de la
disponibilidad de los recursos, hizo que en un
principio solo los sitios que ofrecían condiciones
óptimas desde los puntos de vista hidráulicos,
hidrológicos, geológicos, etc., fueran
aprovechados como emplazamientos para generar
hidroelectricidad. Sin embargo, el agotamiento
de estos lugares, la conciencia de que los recursos
no renovables realmente no se renuevan y por
último, unas escaladas de costos en el precio de
los combustibles líquidos, cuyo tope no se
vislumbra, han hecho revertir las premisas iniciales
y así actualmente, recursos que anteriormente eran
desechados, son nuevamente analizados a la luz
de elementos cambiantes de evaluación
económica.
La República Argentina, y en especial la zona
cordillerana de ésta, posee recursos hídricos de
gran potencial para ser desarrollados a través de pequeños aprovechamientos hidroenergéticos, como
una alternativa para la producción de energía eléctrica confiable y a bajo costo en sitios aislados. En
este contexto juegan un papel fundamental las máquinas de fabricación local.
Planteo del Problema
El diseño y desarrollo de este pequeño grupo generador estará circunscrito a tener en cuenta las
siguientes premisas básicas:
a).- Diseño sencillo y económico.
b).- Rendimiento aceptable.
c).- Posibilidades de fabricación en establecimientos industriales locales.
d).- Fácil montaje, mantenimiento y operación de la misma.
Todas estas pautas se encuadran dentro del concepto de “Tecnología Apropiada”; este término fue
tomado en cuenta seriamente y como objetivo básico es el de un diseño apropiado y adaptado a la
capacidad de los pequeños talleres industriales de la zona.
Parámetros del Funcionamiento
En la zona cordillerana de Río Negro y Neuquén existen recursos hídricos donde alturas que oscilan
entre 10 y 20 metros y caudales disponibles de hasta 200 litros por segundo son fácilmente obtenibles
y además existen costos de transmisión que pueden ser muy altos en comparación del costo de
producción de la misma.
Para llegar a obtener el valor límite del campo de aplicación se debió realizar, previamente, un
relevamiento de los recursos hídricos de la zona de posible aplicación de la máquina.
Además, para llegar a estos parámetros límites tuvo en cuenta que para una casa ubicada en un lugar
aislado de la zona cordillerana antes mencionada y habitada por una familia tipo, se tiene un consumo
promedio de 1,5 Kw; a esto habría que agregarle la posibilidad de que exista algún motor eléctrico que
acciona ya sea una máquina para aserrar leña, una bomba de agua, etc.
Como conclusión de este análisis se llega a los siguientes parámetros operativos límites:
Rango de Altura:
8 a 20 metros
Rango de Caudales: 30 a 100 l/s.
Estos rangos de operación cubren un gran espectro de los pequeños recursos hídricos existentes de la
zona de estudio.
Diseño e Construcción de la Turbina
Figura 1
El rendimiento hidráulico de una turbina de flujo transversal es fuertemente afectado por la configuración
del rotor y del inyector.
De acuerdo a lo expuesto precedentemente se diseñó una máquina cuyas características son las siguientes:
Diámetro D
[mm]:
200 mm.
Ancho B
[mm]:
100 mm.
En las figuras 2 y 3 puede verse la turbina desarmada y en el momento del ensayo.
Artigo Técnico
13
Figura 3
Figura 2
Ensayo de la Turbina
Los ensayos de rendimiento y determinación del campo de operación de la turbina fueron llevados a cabo en el Laboratorio de Máquinas Hidráulicas de la
Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional del Comahue, a fin de determinar la perfomance, rendimiento y campo de operación de la misma. El
ensayo se realizó para un rango de caudales a fin de determinar el campo de operación de la misma. Los métodos de medición fueron aplicados conforme
a las reglas de la IEC [1] , la BSI [2], y la DIN [3].
Se determinaron el rendimiento óptimo de la turbina con su correspondiente punto de operación. Se determinó además el campo de operación de la máquina
para distintos caudales. Los resultados fueron analizados y combinados en distintos diagramas que dan un conocimiento acabado del funcionamiento de la
turbina.
La perfomance de una turbina hidráulica es medida por su rendimiento. En general el rendimiento es una indicación de que porcentaje de la potencia
entregada por el agua a la turbina es transformada en potencia mecánica en el eje.
Los diagramas que acompañan este trabajo muestran los resultados de los ensayos realizados.
La turbina no posee distribuidor por lo que el ensayo se tomó como apertura de distribuidor, fija A0 = A0 max = 100%. Los resultados obtenidos en los ensayos
con salto modelo igual a 13 m y 14 m, se analizaron agrupándolos según fuera la variable o parámetro cuyo estudio de detalle quisiera realizarse.
Figura 4: curva de rendimientos para un salto de 13 m
Figura 5: curva de potencias para un salto de 13 m
Figura 6: curvas de rendimientos para diferentes saltos
Artigo Técnico
14
Regulación de la Turbina
La regulación de la generación será realizada mediante un sistema electrónico desarrollado en el Universidad Nacional del Comahue que trabaja en el modo
de derivación de cargas en forma automática hacia el banco de resistencia que lleva incorporado. El banco de resistencias disipa la energía al medio ambiente
calentando el aire circundante o agua para uso doméstico. Se basa en un dispositivo electrónico microcontrolado destinado a regular frecuencia por absorción
de carga. El regulador de frecuencia mide la frecuencia de línea y adecua el valor de la carga secundaria (resistencias) para mantener la frecuencia constante.
Es posible programar diferentes parámetros del regulador en función del comportamiento global del sistema generador e incorporar dispositivos auxiliares
(indicadores, instrumentos de medición, alarmas).
Figura 7: Esquema del Principio de Funcionamiento
El diagrama anterior ilustra el principio de funcionamiento del regulador de frecuencia a caudal constante. Como puede apreciarse, cualquier modificación
en la carga primaria o en la carga hidráulica se traduce en una variación de la velocidad de la máquina. Es aquí donde actúa el sistema regulador, conectando
carga secundaria si la frecuencia se encuentra debajo del límite inferior establecido (por ejemplo 49.5 Hz), o disminuyendo el valor de ésta si la frecuencia
excedió el límite superior programado (por ejemplo 50.5 Hz). Si el valor de la frecuencia se encuentra dentro del rango mencionado, no se modifica la
cantidad de carga secundaria conectada al sistema. Todas estas acciones tienen como objetivo mantener la velocidad de la máquina en su valor nominal y
corregir las posibles variaciones en la frecuencia de la línea.
Evaluación de Costos
La operación de una micro central es más simple y barata que una instalación diesel. Una de las mayores desventajas de este tipo de aprovechamientos es
su alto costo de capital. El costo total de esta microturbina es de aproximadamente U$S 1.200,-, el regulador U$S 1.500, a lo que debe sumarse un generador
standard. Es decir, el costo del kilowatt instalado es de U$S 450. Estos costos son competitivos con la generación diesel, además del beneficio que trae
aparejado la sencillez de operación y mantenimiento de esta instalación.
Conclusiones
En base a resultados logrados puede decirse que la turbina Michell-Banki presenta una alternativa favorable en cuanto a su aplicación a pequeños
aprovechamientos hidroenergéticos. Las ventajas inherentes a su concepción y diseño hacen factible su fabricación en industrias locales que no posean
tecnologías de producción complejas; además, esto otorga una seguridad respecto de la disponibilidad de repuestos, lo cual puede definir, en muchos casos,
la aplicación del equipamiento propuesto.
En situaciones de aplicación como las expuestas, donde los equipos deben brindar un servicio confiable en condiciones de trabajo continuo y escaso
mantenimiento, el equipamiento empleado debe tener robustez y confiabilidad.
La situación actual, muestra claramente que las posibilidades de un país de acceder a niveles acordes en la calidad de vida, esta íntimamente ligada a la
condición indispensable de marchar hacia una tecnificación creciente de los procesos, de manera tal de permitir a través del mayor valor agregado de la
producción y la educación, el saneamiento de su economía y la generación de trabajo y recursos para la sociedad.
Referencias
[1] Marchegiani A. R., Audisio O. A., “ENSAYO PARA LA DETERMINACIÓN DEL CAMPO DE OPERACION DE UNA TURBINA MICHELL-BANKI:
REPORTE FINAL”, Universidad Nacional del Comahue, Noviembre de 2002, Neuquén - Argentina.
[2] Mare, J. B. - Odello, L., “REGULADOR DE FRECUENCIA INTELIGENTE PARA MICROCENTRALES HIDROELÉCTRICAS”, IX Encuentro
Latinoamericano y del Caribe Sobre Pequeños Aprovechamientos Hidroenergéticos (IX ELPAH) , Neuquen, 5-9 de Noviembre de 2001.
Esta publicação conta com o apoio de:
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Artigo Técnico
15
Evaluation of Small Run of River Hydro Energy Contribution –
a Comparative Analysis
Heinz Dieter Oskar August Fill ([email protected]) - DHS / UFPR
Miriam Rita Moro Mine ([email protected]) - DHS / UFPR - UFRGS
Eloy Kaviski ([email protected]) - DHS / UFPR - LACTEC
Introduction
The Research group for power supply studies at the
Hydraulics and Sanitation Department of the
Universidade Federal do Paraná (UFPR) is currently
developing a research project aimed at the
development of new methodologies for the
evaluation of small hydro plant energy contribution.
This project is supported partially by the Conselho
Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico – CNPq, the Fundo Setorial de Energia
– CT-ENERG and the Centro de Hidráulica e
Hidrologia Professor Parigot de Souza– CEHPAR.
Motivation
After the restructuring of the Brazilian electric
energy sector and the creation of the so called energy
relocation mechanism (MRE) the concept of “assured
energy” became a parameter of fundamental
importance in the expansion and operation planning
of the interconnected electric network as well as in
determining the financial return of generating
equipment.
The assured energy of a hydroelectric plant is issued
for each plant by the Agência Nacional de Energia
Elétrica - ANEEL, and serves essentially two purposes:
(i) to establish an upper limit for energy supply
contracts and (ii) to define the share of each
generating plant on the total amount of energy
generated in the system by hydro plants.
For the establishment of the assured energy it is
necessary to consider that exceedingly high values
lead to the collapse of the reliability of the system.
Additionally care should be taken to guarantee a fair
and equitable treatment to all generating plants in
particular with respect to the allocation of
interconnection benefits.
In the special case of small hydro plants (run of river
plants with less than 30 MW) a recent resolution of
ANEEL [1] establishes that the assured energy will
be equal to the average natural energy inflow,
censoring these by the installed plant capacity and
using a historical record of at least 30 years.
This methodology presents several problems both
conceptually and methodologically which have been
outlined by various documents presented by agents
of the interconnected system [2, 3, 4].
The research project being developed by the
Hydraulic and Sanitation Department of Universidade
Federal do Paraná will analyse some of the features
of the resolution of ANEEL, in order to contribute
to a more accurate and fairer methodology to define
the assured energy of a small hydro plant.
Methodology
The Agência Nacional de Águas (ANA) also presented
recently a proposal of a methodology to compute
the assured energy of hydro power plants [5]. This
methodology, aimed essentially at large hydro plants,
defines the assured energy of an interconnected
system as the maximum load that the system will be
able to supply without deficits during the repetition
of the historical record of inflows. Thus in the view
of ANA, assured energy is equivalent to firm energy.
The assured energy of an individual plant is defined
as the incremental energy (first added basis) added by
the plant to the system.
Márcia Regina Chella ([email protected]) - DHS / UFPR
Cleverson de Freitas - DHS / UFPR
The firm energy of a hydroelectric system is usually
estimated by simulation either considering the
operation of each plant individually, either grouping
many plants into an equivalent plant by means of
the so called Natural Energy Hydrograph Method
[6, 7].
The incremental energy may be estimated by
computing the difference between the firm energies
of the system with and without the plant in question.
This method obviously may lead to important
relative errors when the incremental energy is only
a small part of the system’s firm energy, because
errors due to approximations in the mathematical
representation of the plants will be amplified by this
procedure. Another way to estimate the assured
energy is to consider it equal to the load which can
be supplied by the system (i. e. the system capability)
with a specified reliability. When this estimate is
obtained by the simulation of the system with
synthetic streamflow sequences (Monte Carlo
Method) the estimate of the assured energy is
affected by the sampling error of the simulation. In
this case the capability of the system is a random
variable. Because the variance of the difference of
two random variables is equal to the sum of their
variances (less twice their covariance) the sampling
error may be amplified, particularly in case of small
hydro plants. To avoid this problem an analytical
method based on the statistical properties of both
the system and the plant has been proposed [8, 9].
The uncertainties of the analytical method are
restricted to the limited knowledge of the statistical
properties and to the need of a simplified
representation of the interconnected system.
If one assumes assured energy equal to firm energy
in case of small run of river plants the assured energy
may be computed by the censored mean of the plants
natural energy inflow over the system’s critical
period. It is also assumed that the critical period
does not change by the addition of the new plant,
which is a reasonable assumption for small plants.
The critical period is defined as the part of the
historical record during which all active storage of
the system is entirely depleted in order to supply
firm energy.
Because usually system simulations are realized on a
monthly basis one is induced to do the censoring
also on the mean monthly flows. However in this
case, spilling on high flow days during a medium
flow month would be neglected.
One of the objectives of this research project is to
evaluate how this fact introduces a downward bias
on the assured energy estimate. The Monte Carlo
Method will be used with natural inflows at selected
small hydro sites in basins with distinct hydrologic
characteristics.
Another objective of the research is the comparative
analysis of the criteria proposed by ANA and ANEEL
for the estimation of the assured energy of a small
hydro plant. The regulation factor is defined,
similarly to the problem of flow regulation by a
reservoir, being simply the ratio of firm and average
energy capability of a plant or a system [9].
The proposal of ANEEL, by equaling the assured
energy to the censored mean is equivalent to assuming
a regulation factor of one. However this would be
theoretically possible only for negative correlation
between plant inflow and the system’s natural energy
or when the censoring level is extremely low.
These conditions of seldom prevail for a real electric
power system and therefore the regulation factor is
usually less than unity. This factor depends on the
variability of the flows, the correlation between plant
flows and system natural energy (i. e. the location of
the plant) and the level of censoring (i. e. the plant
installed capacity).
One of the expected results of this research project
is the analysis of the regulation factor as a function
of the plant localization and the level of censoring
for several small hydro sites in South and South-East
Brazil considering both ANA and ANEEL criteria for
the estimation of the assured energy.
The analysis will be based essentially on the historical
record of inflows using the criteria of ANA as well as
those of ANEEL. The results will be compared with
the probabilistic model proposed by FILL [9] in order
to estimate to risk of failure for both proposals.
For the computation of the statistics a common
period of record will be used for all sites and simulation
will be carried out with mean monthly flows.
Contribution of thermal plant both conventional and
nuclear on the system’s assured energy will not be
considered. Only the pool of hydroelectric plants
within the Brazilian South / South-East interconnected
system will be analysed in this research. For the
evaluation of the system’s critical period the Natural
Energy Method [10] will be used.
References
[1] BRASIL, Resolução conjunta ANA/ANEEL no. (Sugestão a ser analisada na SOU) – 05/12/2001.
[2] CEHPAR, PROJETO HRG –163 – Uso do mecanismo
de realocação de energia (MRE) para centrais hidrelétricas
não despachadas centralizadamente. Contribuições à audiência pública ANEEL AP 001/2001.
[3] ELEKTRO, Comentário da ELEKTRO referente à audiência pública 01/2002.
[4] GERASUL, Audiência Pública ANEEL n. 001/2001.
Contribuições da Gerasul.
[5] CÂMARA de gestão da crise de energia elétrica. Propostas de metodologia de cálculo de energia assegurada de usinas hidrelétricas e para o mecanismo de realocação de energia
– MRE – Energia Brasil - 07/06/2002.
[6] FILL, H. D. Estudos energéticos. Revista Paranaense de
Desenvolvimento, n. 6, 1979.
[7] FILL, H.D. O método da energia natural como
técnica de simulação em estudos energéticos.
Revista Técnica do Instituto de Engenharia do
Paraná , n. 20, p-38-44, 1980.
[8] FILL, H. D.; KAVISKI, E. Análise de risco para
programas de expansão de mananciais de
abastecimento de água. In: VII SIMPÓSIO
BRASILEIRO DE RECURSOS HÍDRICOS (ABRH),
1987, Salvador, Anais, 1987.
[9] FILL, H. D. Avaliação analítica da energia garantida
incremental de uma usina hidrelétrica. In: VIII SIMPÓSIO
BRASILEIRO DE RECURSOS HÍDRICOS (ABRH), 1989,
Foz do Iguaçu, Anais, 1989.
[10] CANAMBRA ENGINEERING CONSULTANTS.
Power Study of South Brazil,
App. XVII, Curitiba,
1969.
Artigo Técnico
16
SHP: Investment Decision Considering Uncertainty
Paulo R. F. de Moura Bastos
Edson da Costa Bortoni
Mônica Silveira
Summary
The new model just implanted in the electrical
system allows more chances to entrepreneurs
through the participation as agents on power
generation. The SHP are a great chance of business
because of the existing economicincentives, being
a national technology, totally dominated, and have
low environmental impact. The investment
decision is based in conventional economicanalysis
that uses deterministic models, even so exist
uncertainties of economical, regulatory and
climate orders that make the entrepreneurs actuate
in a cautious way. This paper proposes a
probabilistic methodology, applied to three SHP
in the state of Bahia, for which are determined
expected medium return and associated risks.
Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI
determined the expected medium returns and risks; the key to determining the best SHP is which that
maximize the expected return in relationship to the risk.
2. Tecnical Studies
Were realized studies based on inventory-simplified methodology according to “Diretrizes para projeto
de PCH” accessible through the web page of Eletrobrás and in SOUZA et al, 1999. Visitations to the
plants aim to confirm data and to implement a preliminary evaluation of environmental impacts.
From the topographic, geological, hydrologic and hydropower studies were defined the equipments,
type and height of barrage, arrangement of powerhouse, projected the adductor system, and prepared
the estimate capital cost (referred to April 2001, US$1,00 = R$2,198). Table 1 shows a summary of
main technical data and estimate capital cost of the three SHP.
Table 1 – Summary of characteristics from analyzed SHP.
Key-Words
Investment decision. Economic analysis of
alternatives. Small hydroelectric plant.
1. Introduction
The viability studies relative to hydroelectric
plants are normally based on conventional
methodology that consider the variables constant
during the entire life cycle. In general, are
determined and compared the payback period,
the net present value, the internal rate of return,
or the benefit/cost relationship. The variables
that influence directly the capital return are
energy commercialization price, realized
investment, operation costs and maintenance,
duty, and the produced energy; owing to variable
oscillations in the study horizon the return can
not correspond to expected or even present itself
negatively, frustrating investor and shareholder.
Besides of the conventional methods, in the latest
years some studies use scenery or sensibility
analysis to identify how the active return is
influenced by the value alterations of some
variables. Accordingly treatment of uncertainty,
using appropriate models has been a challenge,
allowing innovations and objectifying more strong
decisions under economicand financial point of
view.
In this article is given a probabilistic treatment
to the investment value, to the produced energy,
to the discount rate and to energy sell price,
prioritizing investment alternatives in function
of the relation between expected return and risk.
Three SHP in the state of Bahia, Fazenda
Macaubeira (new plant), and Pancada Grande and
Cachoeira do Inferno (rebuilt of deactivated
plants) compound the case study. At the beginning
are done studies of economicviability determining
the internal rate of return, investment return time
and net present value. After, the uncertainty are
associated to probabilities, being generated several
cash flows and, by the convolution method,
3. Economic Studies
Decide about investments request sensibility, strategy, knowledge of manager area, finance, among
others. Evaluate projects is part of company business and request a good representation of investments,
of operational expenses, of finance, of maintenance costs, taxes and duty, market, prices and evaluation
of benefits. The goal is to seek for return maximization, recovering capital in a minimum period of
time. The profits and discount are components that define a minimum return requested by shareholder.
Lesser discount have greater warranty however the partners don’t want minimum return.
In the process of decision and prioritization of investments, it must know the expected return, the
tolerable risk, which application period (term), and the vision of warranty associated to capital
diversification. It is important to forecast the market in order to verify how much the client is
disposed to pay for energy, and to have informations about physical, operational and
economiccharacteristics of generation sources.
The economicanalysis of alternatives use deterministic methods, and the plants are classified in
crescent order of produced energy costs. Some times the election is done according to the investment
return or oriented by financial criterion. The return is a function of the following variables: annual
produced energy (kWH), global investments including discount during construction (I), plant life cycle
(n), annual discount rate (i), annual medium price of electrical energy (p) and duty and taxes (Tt) what
involve the electrical energy business, affording to be mathematically written as:
(1)
There are variables that can be characterized by probability distributions (example, the annual energy
which depends of flow rate), others whose values fluctuate according to social, politic and economic
Artigo Técnico
phenomenon (public taxes and duties), and those little defined, of difficult qualification or imponderables,
as some benefits and social and environmental costs (leisure given by the dam lake).
The energy and its price compound the income, and from this are deduced the expenses of operation
and maintenance, taxes, insurance, duties, depreciation and amortizations, and it is determined the
annual net benefit. In general, to obtain data of cash flow it is considered that inflation does not exists
during the period and the investment is accounted in the zero year. For the three-studied SHP, the cash
flow and the economic analysis results shown on Table 2 are determined according to the following
criterions:
- the life cycle is of 35 years according to ELETROBRÁS;
- linear depreciation in 35 years;
- energy commercialization medium price defined by Law 10.438/02, corresponding to 80% of
average energy price; this is not regulated, so was used the ANEEL average ($122,88/MWh in 12/01);
- annual discount rate of 10% per year;
- expenses related to PIS (1,65%), COFINS (2%) and ANEEL surveillance tax (0,5%), that means a
total of 4,15% from the gross sales;
- annual costs of operation and maintenance of 2,7% from investment, or the minimum vale of
R$108.000,00 (a hundred and eight thousand reais);
- social contribution (8%) and income tax over the operational result according to specific legislation;
- investment amortization, except y discount during construction, in 30 years and discount amortization
in 15 years. By simplification, kept the approximations, both amortizations were done in 35 years.
Table 2 – Comparative of economic analysis of alternatives
Because of the obtained results, it is observed that:
- the Payback Period with discount rate (PP), consider the value of money in the time. In this studycase the SHP Cachoeira do Inferno has the lower PP;
- for the Net Present Value is better work in percentage about investment (%NVP/I) and, if positive,
means that the project is viable. It is clear that SHP Pancada Grande presents a NPV of R$820.105,45
and Cachoeira do Inferno a NPV inferior but in Pancada Grande it is necessary to invest almost R$ 11
million while to Cachoeira do Inferno the profit of R$603,62 thousand request investment of only
R$2,88 million. SHP Cachoeira do Inferno has the best indicator. The benefit/cost relationship has the
same meaning as %NPV/I;
- the Internal Rate of Return (IRR) is of easy understanding, and correspond to the determination of
discount rate that make NPV equals to zero, and while superior to the market discount means that the
investment is attractive. In this case all SHP’s project are accepted.
So, through the conventional methods all SHP are feasible, with opportunity ranks: first the SHP
Cachoeira do Inferno follow by SHP Fazenda Macaubeira, and finally SHP Pancada Grande.
4. Uncertainty and Return/Risk Relationship
Uncertainties are not considered in the conventional methods, however the variables are changing
during the period of study. There are some companies that realise sensitivity analysis to check how
strong your business is related to some variables, or studies tree different points of view (pessimist,
optimist and medium), not associated to probability, to make the decision of investment. Studies of
sensitivity and different scenes for this and others SHP are made in BASTOS, 2002
New algorithms and stochastic methods have been presented and tested, including uncertainty problems,
in planing and investment decision, as: tree decision (probabilistic), minimization of cost function
considering fault and not supply risk level, minimization of maximum damage related to several scenes
(“minimax”), stochastic optimisation (identification of great expansion plan subject a restrictions),
beyond genetic algorithms (evolutionary programming using neural networks and artificial intelligence).
Under uncertainty conditions the most of investors unlike the risk, but have they that are indifferent
and others that are inclined to the risk (wants largest returns). The risk is associated to the probability
of the variable to extrapolate a value. The area under standard normal distribution curve define this
value. To random variables, the medium value + 1.96 times the standard deviation represent 95% of
“certain interval” (probable error 5%). Different distributions like non-symmetrical or on the basis of
hypotheses in which are only known three values are common, but in this work the normal distribution
is used. When only tree values are knows, the medium return E[R] and the risk (standard deviation s)
are calculated using:
17
(2)
E[R] is the mathematical expected return, Rmin,
Rm and Rmax are the values minimum, medium
and maximum, respectively.
When this tree values are knowledge, the cash
flow simulations are made using tree or five steps
approximations with their probabilities.
Considering five steps approximations, the mid
point have probability of 0.68, points with values
under or over the mid point have 0.135 of
probability and to the inferior and superior
extremities the probability is 0.025
(HIRSCHFIELD, p. 388, 2000).
The normal distribution can be divided into seven
class intervals (steps), and each of them have
one standard deviation of width (BILLINTON,
1980). To the mean value (Xm) a probability of
0.382 is associated, corresponding to the area
under the standard normal distribution curve since
(Xm - s/2) up to (Xm + s/2), and, successively,
such made for river flow. Dividing the normal
distribution in five or tree class intervals the width
of + 3s must be taken (and yours probabilities).
After the steps approximation, the mean and the
variance (standard deviation square) can be
calculated by this equations:
(3)
Uncertainty relates with tax of interest, sum of
investment and the price of energy are considered
admitting the known of tree values. The midpoint of 10% for discount can oscillate between
7% and 13%. The investment value can vary in
interval of +3%, meaning that to SHP Pancada
Grande for example the estimate capital cost is
R$10.926.383,81 under uncertainty, varying
since R$10.598.592,30 until R$11.254.175,32.
For each SHP was quantified the annual benefits,
taking the energy price between R$ R$93,389/
MWh e R$103,219/MWh, associated to its own
probabilities. Therefore, the risk is about 10% to
the interests, of 1% to the investment value, and
to the energy price is 1,67%.
Those normal curves are approached by three
class-interval with 2s of width. To the mid value
(Xm) was associated the probability of 0,682,
and to the inferior (Xm - 2s) and superior values
the probability of 0,159.
To the river flow of each SHP is associated the
uncertainties that influence the annual energy.
The Bahia’s basans present big oscillations in the
rate flow because of dry climatic conditions and
rain irregularities, e.g. in Cachoeira do Inferno
Artigo Técnico
18
the month average flow vary since 0,3% up to 1.185% of the long term rate flow; the standard deviation of month average flow is 100,7%. In this paper,
was used a standard deviation of 10% QMLT, because if it is considered the real standard deviation of each SHP it will imply in a different and big risks.
The installed power in each SHP conduct their flows at rated output are near of the average monthly flow; because of this and the small reservoir volume,
in many hours in the year the river flow is superior to average flow having to be partially rejected through the spillway. Therefore, there are superior limits
for the annual energy produced in each SHP that here is made equal to the product of installed power and hours per year and the reduction factor 0,88. The
Table 3 presents the model to the river flow in seven step approximation to the SHP Fazenda Macaubeira. In this case, because of the reduction factor the
annual energy limits is 87.109MWh, that corresponds to the probability 0,691 or just four step approximation.
Table 3 – Approach of rate flow with risk of 10% for SHP Fazenda Macaubeira
It could be considered that uncertainty about other variables as taxes and duties, that are subject to policy and government political, but practice this will
be difficult and involves subject conditions.
Since the uncertainties associated to the investment value, the energy price, the discount rate and annual energy were modelled, the numerical solution is
found by Monte Carlo method or by direct convolution method. Adopting this last one, the simulation involves three approached variables in three classintervals and the energy in seven intervals in a way that the cash flow and the net present value to each SHP conducting to 189 events (33 x 7 combinations).
In the particular case of SHP Fazenda Macaubeira, this number reduce itself to 108 combinations.
After calculate the annual benefits and brought its sums to the present value, the presently net values were related to the its respective probabilities, and were
determined, to each SHP, the return (expected net present value, %NPV/I) and the percentage risk (standard deviation, s), by the equation (3). The returns
and risks of the three SHP were shown in Table 4.
Table 4 – Return and risk to the studied SHP
5. Conclusions
It must be taken three important conclusions:
- The result of conventional economic analysis differs of the return/risk relationship analysis. Both gives the SHP Ch. do Inferno like the best investment,
but the second place changes when the relationship return/risk criteria is considered (with this criteria the SHP Pancada Grande is the second one);
- The SHP Fazenda Macaubeira presents the less risk, however your relationship return/risk is the smallest;
- The decision of investing in hydropower plants must considerate the uncertainty, leading to discussions about variables and testing new methods and
models. This does not means that the conventional method of analysis should be rejected.
6. References
BASTOS, Paulo R. F. de Moura, “Teoria do Portfólio aplicada a PCH”, dissertação de mestrado, UNIFEI, dezembro de 2002.
BILLINTON, Roy, “Power System Reliability Evaluation”, Gordon and Breach Science Publishers, New York, USA, 1980.
HEARTH, Douglas; e ZAIMA, Janis K., “Contemporary Investments: Security and Portfolio Analysis”, third edition, Harcourt College Publishers,
Orlando, EUA, 2001.
HIRSCHFELD, Henrique, “Engenharia Econômica e Análise de Custos”, Editora Atlas, São Paulo, Brasil, 2000.
SOUZA, Z.; SANTOS, A. H. M.; BORTONI, E.C.; – “Centrais Hidrelétricas, Estudos para Implantação”, Edição ELETROBRÁS, Rio de Janeiro,
1999.
Web sites:
www.aneel.gov.br, em 16.09.02 às 21:09h, em 06.11.02, às 09:40h.
www.eletrobras.gov.br, 18.03.02 às 9:16h e 02.09.02 às 14:37h
20
PCH Luiz Dias / Luiz Dias SHP
Universidade cria oportunidade para o
desenvolvimento sustentável
Camila Rocha Galhardo
Em 1911, o Capitão Luiz Dias e o Major João Antonio Pereira
idealizaram a construção da segunda Usina Hidrelétrica do Sul de Minas
Gerais. Em 1914 a Usina Lourenço Velho, hoje Usina Luiz Dias, no rio
Lourenço Velho na bacia do Rio Sapucaí, entrou em operação. Na época ela
dispunha de dois alternadores de 900kVA, acionados por turbinas Francis e
rotor duplo. Quinze anos depois, foi instalada a terceira e última unidade de
900kVA.
Em 1964, a usina Luiz Dias passou a operar em 60Hz. Cinco anos
depois, a central foi adquirida pela Companhia Energética de Minas Gerais
(CEMIG), que a manteve em operação até 12 de março de 1993. Neste
mesmo ano, a Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), então denominada
Escola Federal de Engenharia de Itajubá (EFEI), a CEMIG e a Prefeitura
Municipal de Itajubá iniciaram
as discussões acerca da central.
Após várias negociações, as
portas da Usina se abriram para
a Universidade para a realização
de pesquisas e estudos na área de
recursos naturais, energia e meio
ambiente.
Atualmente, a PCH, com
potência de 2,4 MW, opera
comercialmente
e
está
interligada ao sistema através da
UNIFEI, funcionando como um
laboratório em escala real
voltado para estudos e pesquisas
de graduação, pós-graduação e
desenvolvimento tecnológico na
área de geração de energia limpa.
Com a finalidade de
resgatar a história deste
importante empreendimento, o
Centro Nacional de Referência
em Pequenos Aproveitamentos
Hidroenergéticos – CERPCH,
juntamente com a CEMIG e o
Ministério de Minas e Energia
(MME) comemoram o 90º
PCH Luiz Dias / Luiz Dias SHP
Aniversário da PCH Luiz Dias
no dia 16 de setembro. Durante
as comemorações, será inaugurado o primeiro Parque de Alternativas
Energéticas para o Desenvolvimento Auto–Sustentável (PAEDA), iniciativa
da UNIFEI em parceria com a CEMIG e o MME.
PAEDA
Com o objetivo de pesquisar e divulgar soluções economicamente viáveis
para o desenvolvimento sustentável através da utilização de fontes de energia
limpa e de difundir tecnologias alternativas de energia, o PAEDA está
localizado no sítio hidrológico da PCH Luiz Dias. O parque contempla
várias fontes limpas de geração de energia, dentre elas a energia solar,
biomassa, hidráulica, eólica e tração animal. Dentro das instalações do
PAEDA, em parceria com a Prefeitura Municipal de Itajubá, a UNIFEI e o
CERPCH, é oferecido o Curso de Agroenergia. O curso é voltado para as
crianças do ensino fundamental, da zona rural. Esta iniciativa visa a informar
a comunidade local sobre a importância das energias renováveis e da
preservação dos recursos naturais.
University creates opportunity for
sustainable development
Trad. Adriana Candal
In 1911, Captain Luiz Dias and Major João Antonio Pereira idealized
the construction of a second hydropower plant in the south of the state of
Minas Gerais. In 1914 Lourenço Velho Power Plant, which is known today
as Luiz Dias Power Plant, located on the River Lourenço Velho on the River
Sapucaí hydrographic basin started to operate. At that time the plant had
two 900kVA alternators driven by Francis turbines and a double runner.
Fifteen years later, the third and last 900kVA unit was installed.
In 1964, Luiz Dias Power Plant started
operating at 60Hz. Five years later the plant
Arquivo
was acquired by the Energy Company of
the State of Minas Gerais (CEMIG), which
kept the plant running until March 12th,
1993. Later on that year, the Federal
University of Itajubá (UNIFEI), which was
then called Federal School of Engineering
of Itajubá (EFEI), CEMIG and Itajubá City
Hall started to talk about the plant. After
several negotiations, the doors of the plant
were open for UNIFEI so that researches
and studies on the areas of natural
resources, energy and environment could
be carried out.
Today, the 2.4 MW SHP operates
commercially and it is connected to the
system through UNIFEI, working as a real
laboratory where undergraduate and
graduate students can carry out their
researches and several technologies aiming
at clean energy generation can be
developed.
In order to salvage the history of such
important enterprise, the CERPCH
(National Center of Reference for Small
Hydropower Plants) with CEMIG and the
MME (Ministry of Mines and Energy) will
celebrate Luiz Dias SHP’s 90th anniversary
on September 16th, and during the celebrations, the first Park of Energy
Alternatives for Self-Sustainable Development – PAEDA will be inaugurated.
The park was created through UNIFEI‘s initiative in a partnership with
CEMIG and MME.
PAEDA
Aiming at researching and disseminating economically feasible
solutions for sustainable development by using clean energy sources, and
also disseminating energy alternative technologies, PAEDA is located at
Luiz Dias SHP hydrological site. The park has several clean sources of
energy generation (solar and wind energy, water, biomass and animal
traction among others). A partnership between the City Hall, UNIFEI and
CERPCH offers the “Agro-energy” course at the park’s facilities. The course
is focused on high school children that live in rural areas. The intention is
to inform the local communities of the importance of renewable energies
and the preservation of natural resources.