universidade tecnológica federal do paraná

Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
CURSO DE ENGENHARIA IND. ELÉTRICA - ELETROTÉCNICA
VICTOR HUGO AKIO BENASSI UNO
ANÁLISE DA UTILIZAÇÃO DE TURBINA DE FLUXO CRUZADO
TIPO MICHELL-BANKI EM MINI E MICRO CENTRAIS
HIDRELÉTRICAS
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA - PR
2011
VICTOR HUGO AKIO BENASSI UNO
ANÁLISE DA UTILIZAÇÃO DE TURBINA DE FLUXO CRUZADO
TIPO MICHEL-BANKI EM MINI E MICRO CENTRAIS
HIDRELÉTRICAS
Proposta de Trabalho de Conclusão de
Curso de Graduação, apresentado à
disciplina de Trabalho de Conclusão de
Curso 1, do curso de Engenharia Industrial
Elétrica - ênfase em Eletrotécnica da
Universidade Tecnológica Federal do
Paraná (UTFPR), para obtenção do título
de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Professor Dr. Gilberto Manoel
Alves
CURITIBA - PR
2011
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 3
1.1 TEMA DE PESQUISA....................................................................................... 3
1.1.1 Delimitação do Tema ............................................................................. 5
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS .......................................................................... 9
1.3 OBJETIVOS.................................................................................................... 10
1.3.1 Objetivo Geral ...................................................................................... 10
1.3.2 Objetivos Específicos ........................................................................... 10
1.4 JUSTIFICATIVA .............................................................................................. 10
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ....................................................... 11
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ....................................................................... 11
1.7 CRONOGRAMA ............................................................................................. 12
1.8 REFERÊNCIAS .............................................................................................. 13
1
1.1
INTRODUÇÃO
TEMA DE PESQUISA
Na atualidade, a energia elétrica é fundamental para toda a sociedade, em
todos os meios, nas indústrias, no comércio, meios de comunicação, transportes,
entre outros. A dependência da energia está praticamente em todo o tipo de trabalho
e lazer das pessoas.
De acordo com os dados do Balanço Energético Nacional – BEN, em 2011, é
possível observar que o setor de transportes e o setor industrial são os que
consomem a maior parte da oferta de energia no Brasil, totalizando quase 70% da
energia, utilizando principalmente fontes não renováveis de energia, como
combustíveis fósseis (BALANÇO..., 2011).
Gráfico 1: Consumo Final Energético por Setor
Fonte: Balanço Energético Nacional, 2011
Com a crescente preocupação com o meio ambiente e sustentabilidade
energética, surge no contexto, os recursos renováveis, buscando ampliar a oferta de
energia e redução nos custos. A capacidade dos recursos renováveis para suprir as
necessidades de energia da sociedade é mostrado usando o Brasil como exemplo.
Atualmente existem vários tipos de recursos renováveis, para geração de energia,
aplicados no país.
Energia renovável é a energia provida de recursos naturais, que são
reabastecidos naturalmente, como energia solar, energia eólica, energia geotérmica,
3
biomassa, energia das ondas/marés e energia hidrelétrica, um dos itens principais
da pesquisa.
O principal motivo de se utilizar recursos renováveis está na diminuição do
impacto ambiental, esgotamento das fontes de energia não renováveis e o aumento
do dióxido de carbono causado pela utilização de fontes que vão se esgotar
futuramente e principalmente, por combustíveis fósseis.
Segundo o BEN (2011), a oferta nacional de energia se concentra ainda no
petróleo e seus derivados, com 38% da oferta total. A Energia obtida através da
cana-de-açúcar e hidrelétrica cresce de forma gradativa atingindo as marcas de
17,7% e 14,2% respectivamente (BALANÇO..., 2011).
Gráfico 2: Oferta Interna de Energia
Fonte: Balanço Energético Nacional, 2011
Entretanto, no cenário da oferta de energia elétrica no Brasil, há um domínio
muito grande das hidrelétricas nacionais, fornecendo praticamente 75% da energia
elétrica utilizada no país, conforme é mostrado no gráfico 3 (BEN, 2011).
4
Gráfico 3: Oferta Interna de Energia Elétrica
Fonte: Balanço Energético Nacional, 2011
De acordo com dados do Portal Brasileiro de Energias Renováveis, mesmo
com o aumento de outras fontes alternativas de energia, devido a restrições
econômicas e ambientais sobre usinas hidrelétricas, existe a certeza que a energia
de hidrelétricas continuará sendo, a principal fonte geradora de energia elétrica do
país, estipula-se que, no mínimo, 50% da expansão de geração de energia nos
próximos anos, sejam de origem hídrica (PORTAL BRASILEIRO..., 2011). E é neste
contexto que as PCHs - Pequenas Centrais Hidrelétricas – terão, seguramente, um
papel importante a cumprir.
1.1.1 Delimitação do Tema
Segundo o Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas
– CERPCH (2011), a Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, por meio da
Resolução nº. 394, de 04 de dezembro de 1998, estabeleceram novos critérios para
empreendimentos de PCHs, com as seguintes características (CENTRO..., 2011):

Potência igual ou superior a 1,0

Área total do reservatório igual ou inferior a 3,0

Cota d'água associada à vazão de cheia com tempo de recorrência de 100
e igual ou inferior a 30,0
;
;
anos.
5
Em 2003 a ANEEL através da Resolução 652 altera a área do reservatório.
Caso o limite de 3,0
seja ultrapassado, ainda terá as características de uma
PCH, se forem atendidas pelo menos duas condições (CENTRO..., 2011):

Onde:
– Área do reservatório em
;
– Potência elétrica instalada em
;
– Queda bruta do aproveitamento em
(diferença entre os níveis d'água
máximos, de montante e jusante);

Área não poderá exceder 13,0
, sendo definida pelo nível d'água máximo
normal à montante da barragem.
Segundo o manual de PCH da Eletrobrás (1982), as PCHs são classificadas de
acordo com a tabela 1:
Tabela 1: Classificação das PCHs
Categoria
Potência
Queda
Micro central
Até 100 kW
Entre 15 e 50 metros
Mini central
Entre 100 kW e 1 MW
Entre 20 e 100 metros
PCH
Entre 1 MW e 10 MW
Entre 25 e 130 metros
Fonte: CERPCH, 2011.
Segundo o Portal PCH (2011), o custo da energia elétrica produzida pelas
PCHs é maior do que de uma usina de grande porte, pois o reservatório pode ser
funcionar de forma que diminua a ociosidade e desperdícios de água. Entretanto, as
PCHs geram menores impactos ambientais e possui a geração de energia
descentralizada, utilizando rios de pequeno/médio portes que tenham desníveis
significativos durante o percurso, gerando potência hidráulica suficiente para
movimentar as turbinas (PORTAL PCH, 2011).
É a partir de mini e micro centrais hidrelétricas – MCHs, que será feita a análise
da turbina Michell-Banki, pois ela se adapta muito bem na geração em MCHs, com
uma potência menor ou igual a 1
, é relativamente fácil de construir e um meio
6
altamente eficiente de aproveitar um pequeno rio ou riacho para fornecer energia
suficiente para geração de energia elétrica.
De acordo com Pérez, Carrocci, Filho e Jr. (2010), a turbina Michell-Banki
possui baixo custo de fabricação, instalação e manutenção, podendo ser usadas em
grandes intervalos de rotações específicas e vazões, sem diminuir de maneira
considerável a eficiência da mesma. Devido a estas vantagens, ela se torna muito
atraente para ser utilizadas em zonas rurais (PÉREZ..., 2010).
A turbina Michell-Banki, é também conhecida como turbina de fluxo cruzado,
Michell ou Ossbeger, e é classificada como uma turbina de ação, entrada radial, de
admissão parcial e fluxo transversal. A turbina tem como principais características de
operação (PÉREZ..., 2010):

;


;
;

.
A figura 1 apresentada, a seguir, é um demonstrativo de uma turbina de
Michell-Banki (Hydraulic Water Turbines, 2011):
Figura 1: Turbina Michel-Banki
Fonte: Hydraulic Water Turbines, 2011
7
A Figura 2 apresenta os principais elementos de uma turbina Michell-Banki
(PÉREZ..., 2010):
1. Peça de transição;
2. Injetor;
3. Rotor;
4. Pá diretriz;
5. Carcaça.
Figura 2: Elementos Principais da Turbina Michel-Banki
Fonte: Hydraulic Water Turbines
A principal característica da turbina de fluxo cruzado é que o jato d’água que
passa pelo rotor, chega em cada lâmina duas vezes, uma a cada fluxo de água.
Primeiro a água flui da periferia para o centro e, em seguida, de dentro para fora,
sendo assim, uma turbina com dois estágios de velocidade, enchendo apenas uma
parte do rotor em cada estágio.
A turbina fluxo cruzado representa um projeto muito engenhoso, que remove a
água de uma forma simples, depois de passar pelo rotor através do jato, não produz
qualquer tipo de pressão para a parte de trás. Anos depois, Ossberger acrescentou
um tubo de sucção para a turbina de fluxo cruzado, apresentando uma melhora
ainda maior no desempenho.
A figura 3 demonstra os padrões de fluxo, utlizados na turbina Michell-Banki de
fluxo cruzado.
8
Figura 3: Fluxo Cruzado e Padrões de Fluxo
Fonte: Hydraulic Water Turbines
De acordo com Camus e Eusébio (2006), as turbinas de fluxo cruzado
apresentam depósitos horizontais e uma velocidade de rotação pequena, sendo
normal a necessidade de utilização de multiplicadores de velocidade entre elas e os
geradores. Em máquinas mais sofisticadas é possível alcançar eficiências na ordem
de 85% e nas máquinas mais simples, na ordem dos 60-75% (CAMUS E EUSÉBIO,
2006).
1.2
PROBLEMAS E PREMISSAS
Um dos principais problemas é fazer o levantamento de custo das turbinas,
pois os fornecedores e distribuidores no Brasil dificilmente informam os valores de
turbinas sem ter um projeto específico para aplicação da mesma.
As premissas estão em verificar quais as características dos equipamentos
disponíveis no mercado para o que está sendo proposto e as condições
operacionais e de segurança necessárias.
E a principal pesquisa envolvendo o trabalho é realizar o estudo de viabilidade
técnica e econômica da implantação de um sistema de uma MCH com a turbina de
fluxo cruzado, tipo Michell-Banki, levando em consideração as poucas instalações da
9
turbina no Brasil até o momento, mesmo sendo uma tecnologia com grande período
de estudos.
1.3
OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Analisar os aspectos técnicos e econômicos da utilização da turbina de fluxo
cruzado, do tipo Michell-Banki, em mini e micro centrais hidrelétricas.
1.3.2 Objetivos Específicos
 Estudar as tecnologias e os equipamentos disponíveis no mercado para a
geração de energia elétrica;
 Buscar instalações semelhantes e que já estejam em operação;
 Fazer o levantamento dos custos de implantação de uma turbina MichellBanki em uma MCH;
 Analisar e montar um comparativo de fornecimento de energia, com projetos
hidráulicos de uma turbina de fluxo cruzado com diferentes características:
o Altura, vazão, potência e velocidade nominal;
o Diâmetro interior do rotor, seleção do número e da espessura das pás
do rotor, largura do injetor e do rotor.
 Estudo de caso da aplicação de uma turbina Michell-Banki na Usina
Hidrelétrica de Roncador em Bocaiúva do Sul;
 Fazer o levantamento do Custo x Energia de uma turbina de fluxo cruzado de
acordo com o preço de fornecedores e a energia gerada em MCHs.
1.4
JUSTIFICATIVA
A busca por fontes alternativas de energia está sempre em pauta atualmente,
as mini e micro centrais hidrelétricas têm ótimas características buscando melhorias
nas questões políticas, sociais e ambientais:
10
 Novas tecnologias visando a redução de custos;
 A turbina Michell-Banki possui baixo custo de fabricação, instalação,
manutenção e com ótimo rendimento;
 Descentralização da geração de energia elétrica;
 Grande número de locais com potencial de aproveitamento de baixas quedas
d’água;
 Tecnologia com eficiência alta (70% em média);
 Impactos ambientais não muito significativos.
1.5
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
O trabalho pode ser classificado de forma aplicada, do ponto de vista da
natureza, com o objetivo de gerar novos conhecimentos e solução de problemas
específicos.
Do ponto de vista da forma de abordagem do problema, será um trabalho
quantitativo e qualitativo, pois serão utilizados recursos e técnicas de estatísticas e
também terão análises de dados indutivamente, tendo o ambiente natural como
fonte para coleta de dados.
Os objetivos do trabalho são exploratórios e explicativos, pois envolve tanto o
levantamento bibliográfico e estudos de caso, como aprofunda o conhecimento da
realidade explicando a razão das coisas.
1.6
ESTRUTURA DO TRABALHO
O presente trabalho será composto por 7 capítulos:
O capítulo 1, introdutório deste estudo, explica o tema central da pesquisa,
fontes renováveis de energia, energia a partir de hidrelétricas, MCHs e turbinas de
fluxo cruzado.
O capítulo 2 inicia a fundamentação teórica e histórico de PCHs e MCHs.
O capítulo 3 tem a fundamentação teórica, histórico e instalações atuais de
turbinas de fluxo cruzado do tipo Michell-Banki, elementos e aplicações principais.
11
O capítulo 4 apresenta diferentes projetos hidráulicos, fazendo um comparativo
com instalações em diferentes situações.
O capítulo 5 apresenta a curva característica de custo x energia de acordo com
o levantamento de dados nos capítulos anteriores.
O capítulo 6 tem o estudo de caso com a aplicação da turbina Michel-Banki na
Usina Hidrelétrica de Roncador em Bocaiúva do Sul.
Para finalizar, o capítulo 7 tem as conclusões sobre o trabalho desenvolvido
assim como sugestões para futuros estudos.
1.7
CRONOGRAMA
Atividades
1 - Escolha do Tema / Orientador
2 - Redação e Defesa da Proposta
3 - Revisão Bibliográfica e
Desenvolvimento do Referencial
Teórico
4 - Defesa Parcial do Projeto Final
5 - Adequações em Função das
Observações da Banca
6 - Desenvolvimento do Projeto
Final de Curso
7 - Elaboração e Redação do
Artigo
8 - Confecção do Pôster
9 - Elaboração e encaminhamento
de documentação para Defesa
Final
10 - Defesa do Projeto Final de
Curso
11 - Correções Pós-Defesa Final
12 - Elaboração e
encaminhamento de
Documentação Final
2011
2012
Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar
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X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
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X
X
X
X
12
1.8
REFERÊNCIAS
BEN – Balanço Energético Nacional, 2011. Ministério de Minas e Energia.
Disponível em: https://ben.epe.gov.br/downloads/Resultados_Pre_BEN_2011.pdf.
Acesso em: 29/08/2011.
CAMUS, C., EUSÉBIO, E. GESTÃO DE ENERGIA - Energia Mini-Hídrica. ISEL –
Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. DEEA – Secção de Economia e Gestão,
2006. Disponível em: http://pwp.net.ipl.pt/deea.isel/ccamus/Doc/ENERGIAS3.pdf.
Acesso em: 31/08/2011.
CERPCH – CENTRO NACIONAL DE REFERÊNCIA EM PEQUENAS CENTRAIS
HIDRELÉTRICAS. Pequena Central Hidrelétrica. Disponível em:
http://www.cerpch.unifei.edu.br/oque.php. Acesso em: 30/08/2011.
HYDRAULIC WATER TURBINES. Banki Michell Turbines. Disponível em:
http://members.tripod.com/hydrodocs_1/turbines.html. Acesso em: 31/08/2011.
PÉREZ, E. P., CARROCCI, L. R., MAGALHÃES FILHO, P., DE CARVALHO JR. J.
A. Projeto Hidráulico e Mecânico de uma Micro Turbina para Zonas Rurais – In:
III International Congress University – Industry Cooperation, 2010. Ubatuba – Brasil 2010.
PORTAL BRASILEIRO DE ENERGIAS RENOVÁVEIS. Energia Hidrelétrica.
Disponível em:
http://www.energiarenovavel.org/index.php?option=com_content&task=view&id=50&I
temid=142. Acesso em: 30/08/2011.
PORTAL PCH. Pequena Central Hidrelétrica. Disponível em:
http://www.portalpch.com.br/index.php?option=com_content&task=view&id=702.
Acesso em: 30/08/2011.
STRAUHS, F. D. R. Tese de Doutorado, “Gestão do Conhecimento em
Laboratório Acadêmico: Proposição de Metodologia”. UFSC – Universidade
Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de
Produção. Florianópolis - SC, Brasil – 2003.
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