Água e energia: conexões para uma nova sustentabilidade

Comunicação apresentada no VIII Congresso Nacional de Geografia na Reitoria da Universidade de Lisboa, a 27 de outubro de 2011

Sistemas de bombagem de água utilizando energia solar fotovoltaica

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Sustentabilidade do uso de água em zonas urbanas

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Análise energética de sistemas de aquecimento de água com energia solar e gás

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento de água combinando energia solar e gás como fontes energéticas. A ênfase desta análise está na influência que a forma de conexão dos coletores solares e do circuito da fonte auxiliar de energia ao reservatório exercem sobre a eficiência e o custo de operação do sistema. O trabalho engloba uma montagem experimental, caracterização de componentes, validação experimental de um programa de simulação, análises de eficiência utilizando o programa e análises econômicas com dados simulados. Na fase experimental desta Tese, foram montados três sistemas de aquecimento de água. Dois sistemas utilizando reservatórios verticais e um sistema utilizando reservatório horizontal. Os sistemas foram montados com componentes similares: reservatórios metálicos isolados termicamente com capacidade de 600 litros (verticais), reservatório de polietileno isolado termicamente com capacidade de 600 litros (horizontal), 2 coletores solares de placas planas, tubulação de cobre e aquecedores a gás de passagem de 7,5 l /min. Os componentes foram caracterizados mediante a curva de eficiência dos coletores solares, eficiência dos aquecedores a gás de passagem e o coeficiente de perdas térmicas dos reservatórios Sensores foram instalados para monitorar os sistemas em operação. Os sinais dos sensores foram medidos através de uma central de aquisição de dados conectado a um computador. Temperaturas, irradiância solar, consumo de gás e consumo de água foram registrados ao longo do tempo. Os resultados experimentais foram comparados com resultados calculados por meio de um programa desenvolvido no Laboratório de Energia Solar apresentando boa concordância. Utilizando o mesmo programa determinou-se a configuração do sistema de aquecimento de água com energia solar e gás mais eficiente para a cidade de Porto Alegre com um determinado perfil de consumo. Outros tipos de sistemas de aquecimento de água foram simulados para atender o mesmo perfil de demanda. Análises econômicas comparando estes sistemas entre si foram realizadas considerando diversos cenários econômicos.

Estudo do desempenho de um sistema de aquecimento de água por energia solar e gás

A energia solar esta sendo cada vez mais utilizada para o aquecimento de água, tanto para o uso industrial, comercial e residencial, apresentando, esta última, um crescimento muito expressivo nos últimos anos, devido às ações de marketing de algumas empresas do setor. Para manter a temperatura da água do reservatório nas condições estabelecidas para o uso é necessário à utilização de uma fonte de energia auxiliar. As duas fontes de energia auxiliar mais empregadas nos sistemas de aquecimento de água por energia solar são a eletricidade e o gás. A escolha do gás como fonte auxiliar de energia, apesar de apresentar um investimento inicial superior ao da energia elétrica, representa um menor custo operacional em longo prazo. Na presente dissertação foram realizadas simulações computacionais para a cidade de Porto Alegre - RS, através do aplicativo TERMOSIM, com a finalidade de analisar o comportamento energético de um sistema de aquecimento de água por energia solar, por circulação natural (termossifão), utilizando como fonte de energia auxiliar o gás. Esta análise foi desenvolvida com a variação de parâmetros construtivos, de parâmetros de utilização e dos parâmetros de qualidade dos materiais e, ainda, com a caracterização dos componentes da instalação. Para a execução do trabalho foram realizadas 3456 simulações. Considerando os resultados obtidos foram elaboradas tabelas e gráficos, por meio dos quais verificou-se a influência do número de coletores, do volume do reservatório, da altura do termostato, da razão de aspecto do reservatório, do consumo de água quente e da qualidade dos coletores sobre a eficiência do sistema. O aplicativo demonstrou coerência nos resultados gerados, motivo pelo qual foi possível identificar, por meio da análise dos mesmos, quais os parâmetros que exercem maior influência no desempenho do sistema de aquecimento de água. Combinando os resultados, foi desenvolvida uma equação para estimar a eficiência média mensal do sistema.

Reuso de água e energia em uma planta de nitrocelulose

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Utilização de procedimentos multivariados no consumo de água e energia elétrica em habitações sociais com sistema de aquecimento solar

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Análise de um sistema de aquecimento de água para residências rurais, utilizando energia solar

A conscientização da importância do meio ambiente tem incentivado o estudo de novas fontes energéticas renováveis e menos poluentes. Dentre essas fontes, a energia solar destaca-se por ser perene e limpa. A utilização da energia solar em sistemas de aquecimento de água residencial rural pode colaborar com a economia de energia elétrica, base da matriz energética brasileira. Conhecer os fatores que influenciam na operação de um sistema de aquecimento de água por energia solar é importante na determinação de sua viabilidade técnica, visando a sua difusão em residências rurais. Para tanto, construiu-se um protótipo, no câmpus da Faculdade Assis Gurgacz, em Cascavel - PR, com características similares a um equipamento utilizado em residências para dois habitantes, para funcionar com circulação natural ou termossifão e sem auxílio de sistema de aquecimento complementar. O equipamento mostrou-se viável tecnicamente, alcançando a temperatura mínima para banho de 35 °C, sempre que a radiação solar foi superior a 3.500 Wh m-2, o que aconteceu para a maioria dos dias estudados.

Estratégias para minimizar o consumo de energia elétrica no apoio a sistemas solares de aquecimento de água

É muito difícil falar sobre aquecimento de água usando energia solar, sem falar em energia de apoio, ou auxiliar. Essa indispensável energia auxiliar, que pode ser eletricidade, gás ou um outro combustível qualquer, tem por objetivo substituir a energia solar nos dias nublados, ou complementá-la nos períodos de baixa radiação solar. Sua finalidade é manter um certo volume de água quente dentro das condições mínimas de temperatura para uso imediato. Essa energia, tão importante para a eficácia do sistema, tem sempre um custo agregado que deve ser considerado no projeto. A escolha do tipo de energia auxiliar recai justamente sobre a eletricidade por sua facilidade de controle e baixo investimento inicial. O custo da energia elétrica, contudo, é hoje alto o suficiente para que a fração elétrica no consumo de energia do sistema seja importante e passe a merecer mais atenção. Esta dissertação visa a estudar estratégias para minimizar o consumo de energia elétrica auxiliar. O trabalho foi desenvolvido através da simulação do atendimento de uma residência unifamiliar, habitada por cinco pessoas, com um consumo de água quente variável ao longo do dia e igual para todos os dias do ano. Empregou-se para as simulações de todos os casos estudados, o software TRNSYS em sua versão 14.2, (KLEIN, 1997) que demonstrou eficácia e coerência nos resultados obtidos Ao longo do trabalho foram simulados mais de setecentos casos, variando-se parâmetros como área de coletores, volume do reservatório, potência elétrica, dentre outros. Com os resultados obtidos nas simulações foram elaboradas tabelas e gráficos dos quais foi possível retirar algumas conclusões relevantes tais como a dependência do consumo de energia auxiliar com o volume do reservatório, número de coletores, potência da resistência de aquecimento e sua altura, bem como a altura do termostato. A partir dos resultados deste trabalho foi possível a elaboração de uma série de recomendações relativas a estudo e a projeto de sistemas de aquecimento solar de água quente para uso doméstico, visando à otimização na utilização do sistema de energia auxiliar.

Avaliação da operação e estimativa das perdas de água e de energia elétrica no 3º setor de abastecimento de água da região metropolitana de Belém

Avaliação da operação e a determinação das perdas de água e energia do 3° Setor de abastecimento de água da Região Metropolitana de Belém. Essa pesquisa foi desenvolvida no período de janeiro a dezembro de 2006, tendo 3 etapas. Na primeira etapa foram determinados teoricamente os parâmetros operacionais, para possibilitar a comparação com os resultados obtidos da segunda etapa, na qual foram desenvolvidas atividades de monitoramento nas unidades de reservação e de elevação de água. Na terceira etapa foram estimadas as perdas de água e energia elétrica no 3° Setor. Os resultados possibilitaram observar que a falta de instrumentação para monitoramento e controle dos parâmetros operacionais, e a capacidade insuficiente do reservatório elevado, resultam em operações sem rotina planejada, o que acaba incorrendo em perdas de água e energia elétrica. O volume de água perdido foi estimado em 423.847 m³/mês, o que representa 42,58 % do volume total distribuído (989.580 m³/mês). O valor que a COSANPA deixa de arrecadar mensalmente com essa perda é de R$ 508.616,00. A perda de energia referente ao volume de água perdido no 3° setor foi estimada em 105.962 kWh/mês, o que representa um custo médio de R$ 21.192,4 ao mês ou R$ 254.308,8 ao ano.

Energy systems analysis of transboundary river basins in a nexus approach: the Sava river basin study case

Resource management policies are frequently designed and planned to target specific needs of particular sectors, without taking into account the interests of other sectors who share the same resources. In a climate of resource depletion, population growth, increase in energy demand and climate change awareness, it is of great importance to promote the assessment of intersectoral linkages and, by doing so, understand their effects and implications. This need is further augmented when common use of resources might not be solely relevant at national level, but also when the distribution of resources ranges over different nations. This dissertation focuses on the study of the energy systems of five south eastern European countries, which share the Sava River Basin, using a water-food(agriculture)-energy nexus approach. In the case of the electricity generation sector, the use of water is essential for the integrity of the energy systems, as the electricity production in the riparian countries relies on two major technologies dependent on water resources: hydro and thermal power plants. For example, in 2012, an average of 37% of the electricity production in the SRB countries was generated by hydropower and 61% in thermal power plants. Focusing on the SRB, in terms of existing installed capacities, the basin accommodates close to a tenth of all hydropower capacity while providing water for cooling to 42% of the net capacity of thermal power currently in operation in the basin. This energy-oriented nexus study explores the dependency on the basin’s water resources of the energy systems in the region for the period between 2015 and 2030. To do so, a multi-country electricity model was developed to provide a quantification ground to the analysis, using the open-source software modelling tool OSeMOSYS. Three main areas are subject to analysis: first, the impact of energy efficiency and renewable energy strategies in the electricity generation mix; secondly, the potential impacts of climate change under a moderate climate change projection scenario; and finally, deriving from the latter point, the cumulative impact of an increase in water demand in the agriculture sector, for irrigation. Additionally, electricity trade dynamics are compared across the different scenarios under scrutiny, as an effort to investigate the implications of the aforementioned factors in the electricity markets in the region.

Estimativa dos componentes do balanço de energia e da evapotranspiração em plantios de eucalipto utilizando o algoritmo sebal e imagem landsat 5 - TM

Variáveis climáticas são essenciais para a compreensão das condições ambientais que influenciam o crescimento e o desenvolvimento vegetal. Nos últimos anos, as pesquisas que utilizam dados climáticos e técnicas de sensoriamento remoto em análises espaço-temporais da demanda por água e energia das plantas têm-se intensificado. O SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land) é um dos algoritmos mais destacados em estudos que envolvem estimativas dos fluxos de energia em grandes áreas, e pode ser aplicado com poucas medições de campo. Este trabalho, realizado no Município de Santa Bárbara, Minas Gerais, objetivou estimar os componentes do balanço de energia e, por conseguinte, a evapotranspiração em plantios de eucalipto com aplicação do algoritmo SEBAL e de imagem do sensor TM do satélite Landsat 5. As estimativas foram realizadas para cena do dia 20/06/2003. Considerando apenas as áreas referentes aos plantios de eucalipto (sete anos de idade), foram obtidos valores médios de saldo de radiação (Rn), fluxo de calor no solo (G), fluxo de calor sensível (H), fluxo de calor latente (LE) de 420,12 W m-2, 81,80 W m-2, 149,93 W m-2, 188,39 W m-2, respectivamente. Para a evapotranspiração real horária (ETr h), o valor médio obtido foi de 0,28 mm h-1. As estimativas mostraram-se condizentes com dados da literatura, no entanto pesquisas com maior controle experimental devem ser realizadas.

Desenvolvimento de um programa de simulação computacional de sistemas de aquecimento solar para água

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento solar operando por termossifão. Neste tipo de sistema o fluido no coletor solar é circulado por convecção natural, que acontece devido à diferença de massa específica da água ao longo circuito. Nestes sistemas a vazão mássica varia ao longo do dia e do ano, dependendo, dentre outros fatores, da irradiância solar absorvida, do perfil de temperaturas da água no sistema, da geometria, do volume e do perfil de demanda de água quente. Para uma avaliação detalhada do comportamento térmico de aquecedores solares operando por termossifão foram realizados ensaios experimentais e cálculos teóricos. Os resultados dos experimentos concordaram com aqueles apresentados na literatura e sua análise fundamentou o desenvolvimento do aplicativo TermoSim, um programa de simulação computacional do comportamento térmico de sistemas de aquecimento de água com energia solar. O tratamento matemático adotado no TermoSim compreende a modelagem dos coletores solares de acordo com a teoria de Hottel-Bliss-Whillier. O reservatório térmico é modelado com estratificação térmica, convecção e condução entre as camadas. A vazão mássica é obtida a partir do balanço da quantidade de movimento no circuito. Os modelos matemáticos empregados na construção do aplicativo TermoSim foram validados através do confronto dos resultados simulados com medidas experimentais. Foi demonstrado que a utilização destes modelos é adequada e permite reproduzir com precisão o comportamento térmico dos coletores solares e do reservatório térmico. Além do programa TermoSim, foi também desenvolvido o programa TermoDim, que é uma ferramenta para o dimensionamento de sistemas de aquecimento solar, que requer apenas o conhecimento dos parâmetros geométricos do sistema, dados meteorológicos em média mensal e informação a respeito do volume de demanda. O TermoDim é apropriado para estimar o desempenho de aquecedores solares operando por termossifão com tanques verticais e horizontais. O método de dimensionamento do TermoDim é baseado na correlação para a eficiência média mensal obtida neste trabalho a partir de um grande número de simulações.

Desenvolvimento e avaliação de indicadores de eficiência hidraúlica e energética para sistemas de abastecimento de água como ferramenta de suporte à tomada de decisões

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Limites de tensão da água no solo para a produção de uvas de mesa.

A irrigação tem sido empregada em diversas regiões do mundo na produção de uvas de mesa. No Brasil, o seu emprego tem sido mais comum nas áreas tropicais do país, como no Vale do São Francisco, no Norte de Minas Gerais, no Noroeste Paulista e nas novas áreas vitícolas do Espírito Santo, Rio de Janeiro, Goiás e oeste de São Paulo. Por outro lado, nas regiões de clima temperado do Sul do Brasil, vários produtores de uvas de mesa também têm utilizado a irrigação em seus vinhedos, especialmente em cultivos protegidos com cobertura plástica. Para que a irrigação possa ser utilizada com eficácia, deve-se manter a umidade no solo em níveis adequados para a cultura e evitar aplicações excessivas, que podem levar a desperdícios de água e energia, bem como prejudicar a qualidade dos frutos. Vários critérios podem ser adotados, com esse objetivo, sendo o monitoramento da tensão da água no solo um dos métodos mais empregados pelos viticultores em áreas irrigadas. Este documento apresenta uma revisão com os principais resultados da literatura especializada, sobre o uso da tensão da água no solo como base do manejo da irrigação em áreas produtoras de uvas de mesa. A Embrapa Uva e Vinho espera que essas informações possam servir de subsídio para uma viticultura mais sustentável e para o uso mais eficiente dos recursos hídricos, cada vez mais escassos.