Bombas produzem electricidade em zonas rurais

Em muitas zonas rurais e remotas do mundo, o acesso a redes fiáveis de fornecimento de energia eléctrica para aplicações básicas, como iluminação, aquecimento e refrigeração, é ainda um enorme desafio. Contudo, dispor de uma fonte de electricidade com qualidade, capaz de alimentar equipamentos electrónicos modernos, como computadores e telemóveis, é cada vez mais uma prioridade para qualquer localidade. 

O sistema de produção hidroeléctrica Powerhouse_pic 1 Fig. 1: O sistema de produção hidroeléctrica Powerhouse

Um método bem conhecido e comprovado de produzir electricidade utiliza uma bomba a funcionar como turbina e tem despertado grande interesse por parte dos responsáveis pelo desenvolvimento de infra-estruturas, tanto devido à boa relação custo benefício, como por ser uma solução amiga do ambiente. 

Este método é conhecido na indústria das bombas como PaT (Pump as Turbine) e utiliza uma bomba centrífuga em rotação invertida para gerar energia mecânica que poderá ser convertida em energia eléctrica. O funcionamento de uma bomba centrifuga como turbina (PaT) implica o escoamento do líquido da descarga para a aspiração da bomba, para promover a rotação do impulsor em sentido inverso. Se a energia produzida pela pressão do fluido (queda) for suficientemente elevada para vencer o binário resistente do conjunto rotativo (impulsor e veio), o binário gerado pode ser utilizado para accionar um gerador. 

O desenvolvimento de bombas a funcionar como turbina surgiu na indústria do abastecimento de água no sul da Alemanha. Os operadores questionaram-se sobre a possibilidade de aproveitar a pressão gerada pelo desnível geodético nas condutas de adução, para produzir energia a custos reduzidos. A KSB começou a investigar este tema à 40 anos atrás. Quando o departamento de investigação começou a calcular as curvas de performance das bombas a funcionar em sentido inverso, tornou-se claro que em determinadas condições, a energia produzida como turbina poderia ser superior à energia requerida para accionar a bomba no sentido convencional. 

Encorajada por esta descoberta, ao longo dos anos a KSB tem vindo a fornecer PaTs às empresas de abastecimento de água, como uma boa alternativa na relação custo beneficio, comparativamente às turbinas propriamente ditas. Actualmente existem mais de 3000 PaTs da KSB a funcionar no continente europeu, tendo uma equipa investigado como é que esta tecnologia podia ser utilizada para produzir energia em pequenas comunidades sem acesso a electricidade. Após refinar a tecnologia existente, a KSB desenvolveu um pequeno sistema gerador hidroeléctrico “chave-na-mão” (fig. 1), que permite às comunidades remotas produzir electricidade de forma eficiente e limpa. 

O compacto sistema Powerhouse

Bombas produzem electricidade em zonas rurais_pic. 3 Fig. 2: Tomada de água com grelha auto-limpante

O sistema contém dois elementos principais: a unidade geradora hidroeléctrica, num contentor (fig. 2) e a tomada de água / reservatório, para retenção da água que acciona a PaT. O sistema completo contém a PaT, o autómato de controlo, os inversores e os transformadores, que disponibilizam a energia resultante. A tomada de água pode ser facilmente feita em betão no local, utilizando um conjunto de cofragens fornecidas com a Powerhouse. Por fim, deverá ser estabelecida a ligação da tomada de água à Powerhouse, por intermédio de uma conduta adutora. 

Para a PaT funcionar é obviamente necessário um desnível geodésico, o qual deverá estar pelo menos 10 m acima da Powerhouse. Dependendo do tipo e tamanho do sistema, a altura geodésica pode chegar aos 640 m. A distância máxima recomendada entre o reservatório e a PaT é de 1800 m. Dependendo do caudal, a conduta adutora é fornecida com diâmetro de 250 mm ou 400 mm. 

É essencial que a água que acciona a PaT seja limpa e sem sólidos. Por esse motivo, a estrutura de tomada de água inclui uma grelha auto-limpante (fig. 3), com uma estrutura em malha soldada, especialmente desenvolvida para este propósito. A água escoa por pequenos orifícios de 1,0 mm para um reservatório que alimentará o colector até à PaT. Os sólidos contidos na água não são capazes de penetrar na malha e deslizam sobre a superfície, afastando-se do local. 

A Powerhouse pode produzir entre 30 a 750 kW. Todos os elementos importantes de controlo eléctrico estão instalados no interior do contentor e por isso protegidos contra roubo e vandalismo. O painel de controlo e monitorização está instalado de modo a que não seja necessário abrir o contentor durante o funcionamento, excepto se for necessária uma intervenção de manutenção. Tendo em conta que as únicas peças de desgaste são os rolamentos e empanques das bombas e que estes têm normalmente uma vida útil de muitos anos, a manutenção necessária é muito reduzida. 

Inovador sistema de arranque e controlo

Contrastando com outros sistemas PaTs, a Powerhouse possui o seu próprio e inovador sistema de controlo. Isto resolve um grande problema, que tem dificultado o desenvolvimento desta tecnologia desde há anos: um gerador capaz de funcionar fora da rede num pequeno sistema hidroeléctrico. Neste cenário é habitual utilizar um gerador síncrono com ímanes permanentes, mas são caros e exigem uma manutenção intensiva. A alternativa seria um gerador assíncrono que, contudo, tal como o alternador de um automóvel, requer uma fonte eléctrica para arrancar, de potência próxima da do gerador, e externa, como um gerador diesel. 

A Powerhouse contém um gerador assíncrono, mas o seu arranque é feito por uma bateria com uma unidade de controlo – e aqui está a inovação da KSB – que, através de dois variadores de frequência, só fornece energia ao gerador assíncrono a pedido, pois está programada para saber exactamente quando e quanto deverá fornecer para arranque do gerador e utiliza uma quantidade mínima de energia para o fazer. Assim, a Powerhouse pode funcionar sem uma fonte externa de energia. 

A unidade electrónica de controlo que efectua o arranque da PaT é alimentada por uma unidade compacta de alimentação ininterrupta (UPS), e inclui uma bateria de iões de lítio mantida em plena carga através da monitorização electrónica, e que promove a corrente de excitação requerida pelo gerador, com a ajuda de um inversor de potência. Se a unidade de controlo detectar que a PaT não está a funcionar, envia um sinal à UPS para esta arrancar novamente. Como segunda função, a unidade de controlo também detecta e equilibra flutuações na energia produzida, através do transformador.  

Bombas produzem electricidade em zonas rurais_pic. 4 Fig. 3: Gráfico de selecção da bomba para a Powerhouse

A qualidade da energia eléctrica produzida deverá estar ao mais alto nível das recomendações internacionais, para evitar danos em equipamentos electrónicos sensíveis, como computadores e telemóveis. Por isso a energia é filtrada, utilizando um transformador que separa o sistema de produção de energia da rede de distribuição aos clientes, assegurando desta forma que tensão e corrente estão 100% em conformidade com os requisitos dos equipamentos mais sensíveis. 

Bombas

A KSB recorre aos modelos de bomba Etanorm (monocelular normalizada), Omega (voluta bi-partida) e Multitec (multicelular), ver fig. 4, pois são os mais adequados para esta aplicação. O funcionamento como turbina é permitido para estes modelos e estão disponíveis em todo o mundo. Quando funciona como turbina, uma bomba necessita de um caudal 30% superior ao caudal equivalente no funcionamento convencional. Por esse motivo, os mais elevados binários devem ser tidos em consideração na escolha das bombas. 

Outra importante vantagem da PaT é que se o abastecimento de água for interrompido, ela pára automaticamente, evitando o funcionamento a seco, que tanto danifica os equipamentos. Assim que a água volta a fluir novamente, a unidade de controlo volta a efectuar o arranque da PaT. 

Conclusão

As principais vantagens da Powerhouse (fig. 4) são menor investimento inicial, sistema modular e standard, vida útil longa, transporte, instalação e comissionamento fáceis, baixo nível de ruído, reduzidos trabalhos de construção civil e possibilidade de ser operado pelos habitantes locais, devido ao seu elevado nível de automação e fácil comando. 

Bombas produzem electricidade em zonas rurais_pic. 5 Fig. 4: Esquema genérico da Powerhouse

No entanto, a maior vantagem da Powerhouse é o inovador controlo electrónico do gerador. Outras PaTs recorrem a sistemas de controlo mecânico com custos elevados e – em alguns casos – de baixa fiabilidade. Além disso, são pouco flexíveis em situações em que a turbina tem de reagir a alterações na altura geodésica. Ao empregar dois variadores de frequência é possível controlar o gerador para fornecer apenas a energia necessária à carga de consumo actual. Como o gerador está sempre a funcionar no seu ponto de melhor eficiência, a Powerhouse é totalmente independente de flutuações do caudal, contrariamente aos sistemas de controlo mecânico. 

Até agora a KSB forneceu mais de 200 pequenos sistemas hidroeléctricos, num total de mais de 3000 PaTs. A chave do sucesso da Powerhouse é a sua fiabilidade. As pesquisas identificaram a África Subsaariana, América do Sul e as zonas mais remotas da Europa de Leste como principais potenciais utilizadores da Powerhouse, no entanto em todos os países existem zonas de mais difícil acesso, onde não se justifica economicamente levar a rede geral de energia eléctrica. 

Nuno Aleixo / Resp. Depto. Ambiente

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