POTENCIAL DE ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA EM SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO TIPO
PIVÔ CENTRAL
ANTÔNIO M. M. MEDEIROS1, JOSÉ W. L. NERYS1, ANTONIO M. OLIVEIRA1, ENES G. MARRA1, LUIZ F. C. OLIVEIRA2
1
Nucleo de Estudo e Pesquisa em Processamento da Energia e Qualidade, Escola de Engenharia Eletrica e de
Computação, Universidade Federal de Goiás.
CEP 74605-220, Praça Universitaria s/n, Setor Universitario, tel. 55 62 521-1806, GO,GOIÂNIA.
2
Nucleo de Pesquisa Solos do Cerado, Escola de Agronomia e Engenharia de Alimentos, Universidade
Federal de Goiás.
Caixa Postal 131, CEP 74001-970, CampusII da UFG, Rod. Go-080, tel. 55 62 821-1543, GO, GOIÂNIA.
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract –The main purposes of the present work are the estimation of the potential of electric power saving in central pivot
irrigation systems, using the characteristics of those systems and the financial payback considering the possibility of
implementation of a control system capable of operating the central pivot system in a saving power mode. The potential of
electric power saving is implemented by digital simulation using data from the real system and comparing the results for two
different operating conditions: without any kind of control system and applying the control system that results in energy saving.
The payback estimation consists in calculating the minimum time necessary for the resulting energy saving to pay the investiment
with equipments and maintenance.
Keywords- irrigation, energy efficiency, central pivot, economy of energy .
Resumo O presente trabalho tem por objetivos a determinação do potencial de economia de energia elétrica em sistemas de
irrigação do tipo pivô central, a partir das características desses sistemas, e a análise do retorno financeiro advindo do
investimento necessário para a implementação de um sistema de controle capaz de garantir a economia de energia estimada. O
levantamento do potencial de economia é implementado através de uma simulação digital de diversos sistemas de irrigação, onde
as características manométricas do sistema e da bomba são comparadas para a operação sem qualquer tipo de controle e para a
situação de controle que resulta em economia de energia. O retorno financeiro consiste na determinação do período de tempo
necessário para pagar o investimento e a manutenção necessários, através da economia de energia resultante durante a operação
do sistema sob as condições de controle automático.
Palavras-chave irrigação, eficiência energética, pivô central, economia de energia
1
Introdução
Um sistema de irrigação do tipo pivô central
consiste em um conjunto de torres móveis que
suporta uma tubulação aérea, onde se situam os
aspersores responsáveis pela irrigação (Fig. 1). A
tubulação aérea é conectada a um ponto central fixo,
a qual por meio do movimento das torres móveis
realiza a irrigação de uma área circular delimitada
pelo comprimento total da tubulação (Bernardo,
1989).
A captação de água para um sistema de pivô
central é feita através de bombas d`água, que retiram
esta água de rios ou lagos. Os lagos podem ser
naturais ou artificiais. Na grande maioria os lagos
são artificiais e acumulam grandes quantidades de
águas.
Fig. 1: Esquemático de um sistema de pivô central
Apesar de ser considerado um equipamento de
elevado grau tecnológico, o uso crescente e
desordenado desse tipo de sistema de irrigação,
aliado à simplicidade ou facilidade do seu uso e
operação tem resultado, pela maioria dos usuários, na
não observação dos requisitos básicos para a sua
correta operação (Alves, 2001 e 2002).
Poucos sabem determinar o momento exato da
irrigação e a velocidade correta do pivô central a ser
usada, resultando num excesso de irrigação e,
conseqüentemente, desperdício de energia e água.
Esse desperdício pode também ocorrer devido á
ineficiência do próprio equipamento instalado. Essa
eficiência pode ser, via de regra, melhorada pela
adequação de vazão e pressão dos equipamentos
instalados, usinagem de rotores de bombas, redução
das perdas por evaporação e derivação devido ao
vento, melhorando-se uniformidade de aplicação de
água no equipamento (Alves, 2001 e 2002).
2 Metodologia
O presente trabalho consiste no complemento de
um outro trabalho (Cendes, 2004) que trata de um
sistema de controle automático, ilustrado na Fig. 2, e
que baseia-se no método não dissipativo que utiliza
acionamento com velocidade variável para regular a
rotação do motor. O citado método de controle
consiste em controlar, em malha fechada, via rádio
enlace, a velocidade da bomba de recalque, de um
modo tal que a pressão na linha lateral é mantida
sempre no valor mínimo necessário para atender as
condições de projeto.
No presente trabalho supõe-se a aplicação do
sistema automático desenvolvido em sistemas de
irrigação hoje em operação no Estado de Goiás. Na
implementação em andamento três ferramentas têm
sido usadas: um banco de dados com informações
técnicas de um conjunto de sistemas de pivô central
em operação no Estado, um programa desenvolvido
para a estimação da economia que resultaria do uso
do sistema automático em cada um dos sistemas
cadastrados e ainda um programa desenvolvido para
implementar a análise de retorno de investimento,
levando-se em conta os custos de implantação e
manutenção versus a economia de energia estimada
com a operação automática do sistema.
2.1 Comparação entre os métodos de regulação
dissipativa e não dissipativa.
Fig. 2. Sistema de pivô central com controle automático
Os processos que utilizam bombas centrífugas
possuem, em geral, uma demanda variável em função
das condições topográficas e de exigências do
manejo da cultura. Quando necessário alterar a vazão
em um sistema de irrigação no qual se utilizam
técnicas convencionais, é preciso agir na válvula de
gaveta, o que modifica a curva do sistema devido à
introdução de perdas de carga adicionais na
instalação (Bernardo, 1989 e Olitta, 1989). Este
método de controle é também conhecido como
método dissipativo.
Há outros métodos possíveis de controle da
vazão, também conhecidos como métodos não
dissipativos. Estes são baseados na modificação das
curvas da bomba sem as mudanças na curva do
sistema, isto é, modificando a geometria do rotor ou
na velocidade do eixo da bomba por meio de
acionadores de velocidade variável no motor elétrico
podendo ser através de: (a) uso de máquinas
centrífugas com geometria variável para obter
diferentes curvas para rotação constante no eixo; (b)
uso de acoplamento hidráulico ou eletromecânico
para regular a rotação no eixo da bomba para um
motor elétrico de rotação constante e (c) uso de
acionamentos elétricos de velocidade variável para
regular a rotação do motor e então a rotação no eixo
da bomba.
As relações que permitem predizer o
desempenho de uma bomba trabalhando em rotações
diferentes daquelas do ponto de projeto são
conhecidas como relações de Rateaux (Alves, 2002),
uma variação na rotação da bomba implica
basicamente em três fatores importantes:
• A capacidade de vazão Q varia diretamente
com a mudança da rotação (equação 1).
Figura 1: Sistema de pivô central com controle
Fig. 3. Ação da válvula de estrangulamento e da variação da rotação da
bomba.
• A altura manométrica total H varia com o
quadrado da rotação (equação 2).
• A potência P varia com o cubo da rotação
(equação 3).
Q ′ n′
=
Q n
(1)
H ′  n′ 
= 
H n
P ′  n′ 
= 
P n
2
3
(3)
2.2 Regulação dissipativa.
Modificando a curva do sistema para rotação
constante pela introdução de uma válvula
estranguladora, o novo ponto de operação,
considerando a presença da válvula, é então o ponto:
B (Q2; HB; ηB),
QB ⋅ H B ⋅ ρ ⋅ g
ηB
Variando a rotação no eixo da bomba,
conseqüentemente a curva da bomba, até a mesma
cruzar com a curva do sistema no ponto de operação
desejado C (Q2; HC; ηC),
PC =
(2)
Seja um dado sistema de bombeamento
genérico, representado pela figura 3, operando com
vazão Q1 e altura manométrica HA (ponto A).
Supondo-se que o conjunto moto-bomba foi
especificado para atender o ponto A, correspondente
à vazão Q1, mas trabalhe grande parte do seu tempo
de operação com vazão Q2, sendo Q2 menor que Q1.
Considerando-se que o controle da vazão seja
realizado através de estrangulamento em uma
válvula, então o novo ponto de operação será B, com
vazão Q2 e altura HB. Por outro lado, optando-se por
realizar o ajuste da nova vazão Q2 e altura Hc,
verifica-se, que HB é maior que HC, o que permite
afirmar que, de acordo com a equação 4, a potência
economizada, se fosse realizada o controle da
rotação ao invés do estrangulamento na válvula
(Tiago, 1996 e Hanson, 1996), é função da diferença
∆H = HB - HC.
PB =
2.3 Método não dissipativo.
ηC
(5)
Em que,
Qc - Vazão reduzida pela variação de velocidade
do eixo da bomba, (m3/s);
Hc - Pressão para a vazão Qc provocada pela
variação da velocidade do eixo da bomba, (kPa);
ηc - Rendimento da bomba nas condições do
ponto C;
Pc – Potência mecânica necessária o ponto C,
(W).
2.4 Potência e energia economizada.
O valor do rendimento da bomba nos pontos B e
C pode ser calculado a partir das curvas fornecidas
pelos fabricantes ou através de ensaios em
laboratório (Arens e Porto,1989 e Yanagi,1997). O
uso do método adotado de regulação não dissipativa
resulta em redução de potência e de energia
proporcionais à diferença de pressão dos pontos B e
C (equações 6 e 7). Testes de campo indicam não
haver variação significativa entre os rendimentos da
bomba nos dois pontos considerados e, portanto,
adota-se ηB= ηc = η . Considera-se ainda que a
vazão é mantida constante, condição necessária para
atender os requisitos básicos do projeto. Assim, QB =
Qc = Q2.
PECON = PB − PC =
Q2 ⋅ (H B − HC ) ⋅ ρ ⋅ g (6)
η
Em que,
Q2 - vazão reduzida no ponto B e C, (m3/s);
PECON - potência economizada. no uso de
método de regulação não dissipativo, (W).
(4)
Em que,
QB - Vazão reduzida com ação da válvula
estranguladora, (m3/s);
HB - Pressão para a vazão QB com uso da
válvula estranguladora, (kPa);
ηB - Rendimento da bomba nas condições do
ponto B;
PB – Potência necessária a bomba no ponto B,
(W).
g - aceleração da gravidade, 9,81 m/s2;
ρ - massa especifica da água, 1000kg/m3;
QC ⋅ H C ⋅ ρ ⋅ g
E ECON =
Q2 ⋅ ( H B − H C ) ⋅ ρ ⋅ g
η
⋅ t ⋅ 10 −3 (7)
t - tempo de operação no novo ponto de
operação, com vazão Q2 (h).
EECON - energia economizada em (kWh).
No gráfico da Fig. 3 fica evidente que, para uma
mesma vazão Q2, a potência PC necessária para
operação no ponto C é menor que PB, necessária para
operação no ponto B.
3 Determinação do Potencial de Economia
O procedimento para a obtenção do potencial de
economia de energia elétrica na irrigação com pivô
central adota como princípio a comparação entre um
sistema automático onde a velocidade da bomba é
controlada para atender as condições mínimas de
projeto e um sistema onde o conjunto moto-bomba
opera na velocidade nominal ao longo de todo o
período de irrigação. Supõe-se ainda que o sistema
de pivô central original foi projetado para operar no
limite do pior caso, ou seja, não há sobre-pressão na
linha lateral quando a extremidade externa da linha
lateral estiver no seu ponto mais alto.
O resultado da análise implementada é uma
previsão da menor economia possível, pois não leva
em conta que os sistemas atualmente em operação
apresentam normalmente situação de sobre-pressão
ao longo de todo o período irrigado.
O banco de dados formado para o estudo em
andamento permite, por exemplo, a classificação dos
pivôs centrais pela área irrigada e pela inclinação do
terreno. A inclinação do terreno é um fator
particularmente importante porque foi verificado em
(Alves, 2001) e (Cendes, 2004) que, para um mesmo
conjunto de equipamentos, a economia de energia é
maior quanto maior a inclinação do terreno. Isso
justifica-se pelo maior desnível entre o ponto central
e o ponto mais externo, que será compensado pelo
uso de acionamento de velocidade variável.
Assim, a análise é feita para sistemas de pivôs
centrais com diferentes graus de inclinação do
terreno. O banco de dados formado conta atualmente
com o cadastrado de 178 sistemas de pivôs centrais,
de um total estimado de cerca de 2000 pivôs no
Estado de Goiás. A Fig. 4 mostra a classificação dos
pivôs cadastrados quanto à inclinação do terreno.
Verifica-se que 63% desses pivôs estão instalados
em terrenos com inclinação superior a 8 mca, que
significa potencial para economia de energia elétrica
no caso de ser adotado o sistema de controle
desenvolvido.
Distrbuição de Pivos em Relação a
Inclinação doTerreno (mca)
37%
28%
35%
Inclinacao < 8mca
8mca < Inclinacao < 15mca
Inclinacao > 15mca
Fig. 4: Classificação quanto à inclinação do terreno
O programa desenvolvido para a estimação da
economia possível de energia usa os dados
cadastrados para traçar as curvas do sistema e da
Fig. 5. Curvas do sistema e do conjunto de bomba para a menor
economia.
Fig. 6. Curvas do sistema e do conjunto de bomba
para a maior economia.
bomba para a operação em condições nominais e
para a operação em condições de velocidade
reduzida, atendendo as condições mínimas de
projeto, quanto à vazão e à pressão nos aspersores.
Assim, um novo ponto de operação é determinado
para cada posição do pivô ao longo da linha lateral.
A mudança do ponto de operação seguindo os
princípios da regulação não dissipativa implica na
economia de energia esperada.
As Fig. 5 e 6 ilustram o procedimento descrito.
A Fig. 5 representa o sistema que apresentou a
menor economia prevista, 0,54% e a Fig. 6
representa o sistema com maior potencial de
economia, 20,05%. Em ambas as figuras as curvas de
índice1 representam as curvas em condições
nominais e aquelas com índice 2 são para o sistema
operando nas condições de alívio previstas para as
regiões mais baixas do terreno.
A curva da bomba é obtida a partir de dados dos
fabricantes de cada bomba, sendo montado um
polinômio para cada bomba.
A curva do sistema é obtida a partir dos dados
cadastrados e obedece à equação 8:
H sistema = kQ 2 + H G + H pcpa (8)
Q - Vazão (m3/s)
Hsistema - Pressão do sistema (mca)
HG – Desníveis e perdas diversas (mca)
Hpcpa – desnível do centro do pivô ao ponto
mais alto (mca).
A tabela 1 mostra os resultados da economia
estimada de energia elétrica para quatorze pivôs
selecionados. A linha 13 representa a simulação para
um pivô instalado no município de Santa Izabel de
Goiás, onde foi medido o consumo de energia para
uma volta completa do círculo irrigado. O consumo
medido foi de 2829,37 kWh para operação nominal e
de 2501,28 kWh para operação com rotação
reduzida, o que representou uma economia de 328,09
kWh, ou seja, 11,60 %. O valor estimado para esse
mesmo caso, a partir dos dados de projeto, foi de
11,98%, o que representa um erro de 3,20% do valor
estimado para o valor efetivamente medido.
Tabela 1. Quadro demonstrativo de desnível, potência por área e percentual de economia de energia
Pivô
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Desnível do Ponto Central ao
Potência/Área (cv\ha)
Ponto mais Alto do pivô (mca)
9,46
1,39
12,18
1,87
7,00
2,76
0,50
1,98
2,00
1,45
19,91
2,51
6,92
4,37
6,00
1,57
15,20
2,20
12,94
3,45
17,00
1,60
16,77
2,09
3,63
10,29
16,00
2,04
4 Análise de retorno financeiro
A análise financeira realizada utiliza a teoria de
custos para a avaliação de retornos econômicos do
capital investido em serviços e equipamentos,
supondo a implementação do sistema de controle
descrito anteriormente.
A avaliação consiste da comparação entre os
benefícios e os custos, ambos anuais. Os benefícios
são calculados a partir da redução das despesas com
energia elétrica resultantes do uso do sistema
automático ao longo do ano. Este cálculo consiste da
determinação da redução de potência produzida pelo
sistema automático e da economia de energia
resultante ao longo do período de funcionamento
durante o ano, e ainda considerando a tarifa de
energia.
Na avaliação é considerada uma taxa de juros de
16% ao ano, taxa SELIC. A vida útil considerada
para os equipamentos usados, conforme fabricante, é
de 15 anos. Para a análise de viabilidade econômica,
objetivando a aquisição e implementação de técnica
de controle eletrônico, para os sistemas
considerados, utiliza-se de duas condições de
Economia Estimada de
energia elétrica(%)
14,77
12,05
5,45
0,54
2,98
20,05
6,68
10,91
14,83
10,21
10,82
16,86
6,52
11,98
implementação: (a) Substituição do sistema de
acionamento convencional, neste caso não se
considera a recuperação de capital com a possível
venda dos materiais e equipamentos substituídos e
(b) Implementação de projeto novo, neste caso o
gasto com equipamento e mão de obra do dispositivo
eletrônico, subtrai-se do gasto que se teria com a
técnica de acionamento convencional.
Foram realizados orçamentos do preço de
mercado do inversor e dos quadros de acionamento
convencionais e mão de obra. Foram estimados os
custos da mão de obra e dos acessórios para
viabilidade do controle eletrônico. O resultado das
simulações implementadas é mostrado na tabela 2
para os 14 pivôs escolhidos.
A metodologia utilizada na determinação do
retorno financeiro segue orientação do manual para
elaboração do programa anual de combate ao
desperdício de energia elétrica (ANEEL, 2000).
Assim, a expressão 9 é usada para o cálculo da
relação custo benefício (RCB).
RCB =
Investimentos Anualizados
(9)
Benefícios
Tabela2. Quadro demonstrativo do Retorno financeiro anualizado do investimento.
pivô
Potencia do
motor (CV)
Potência do Inversor
de freqüência(CV)
Preço de mercado
do inversor(R$)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
40
50
200
250
150
175
125
60
125
250
350
125
25
175
40
50
200
250
150
175
125
75
125
250
350
125
25
175
6600,00
8210,00
27116,00
33540,00
21030,00
23678,00
18265,00
12502,00
16265,00
33540,00
39821,00
18265,00
5090,00
23678,00
5
Conclusão
Uma das propostas deste trabalho é verificar o
potencial de economia de energia elétrica em
sistemas de irrigação tipo pivô central para diversas
inclinações de terrenos. Verificou-se que a economia
de energia elétrica ficou em média 10,81% para os
pivôs analisados e para um desnível médio de
10,49mca. Verificou-se ainda que a inclinação do
terreno é determinante no percentual de economia. A
próxima fase nesta etapa é a validação experimental
com um número maior de sistemas e a automatização
do processo de estimação, de modo que todos os
pivôs cadastrados sejam analisados automaticamente.
A outra proposta é a verificação de viabilidade
econômica para a implantação do sistema que resulte
na economia prevista. Verificou-se que, para a maior
parte dos sistemas analisados, o tempo de retorno
financeiro é de 2 ou 3 anos, o que pode justificar o
investimento.
Agradecimentos
Os autores agradecem à Companhia Energética
de Goiás (CELG) pelo financiamento do projeto e à
Fundação de Apoio à Pesquisa (FUNAPE) pelo
apoio para apresentação do mesmo.
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de Computação, Universidade Federal de Goiás.
Retorno financeiro do investimento
Números de meses
10,8
11,8
14,5
128,7
29,2
3,9
14,1
13,8
6,2
7,3
5,6
5,5
7,5
7
Números de anos
2
3
3
8
4
2
3
3
2
2
2
2
2
2
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