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quinta-feira, 21 de agosto de 2014

Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica Residenciais e os VEs (Parte 1/2)


Ao tratarmos do assunto sobre “Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica Residenciais”, no âmbito dos Veículos Elétricos (VEs), convém lembrarmos da motivação maior que tem nos levado, de modo persistente, pelo caminho do desenvolvimento dessa tecnologia: nós acreditamos que os VEs são muito mais do que simplesmente mais um tipo de carro! Acreditamos os VEs nos darão (e já estão dando) a oportunidade, não apenas de poder dirigir um carro com emissão zero de Carbono, mas também a de poder desfrutar de mobilidade com um veículo silencioso, limpo, divertido, além deles serem muito mais simples e fáceis de se fabricar e de menores custos de manutenção.

Quando dizemos limpos e com emissão zero de Carbono, significa que essa é a nossa meta e, mesmo que isso pareça intangível, a busca por ela é o que mais importa e, nisso, inclui-se o desenvolvimento de toda uma cultura de energia renovável e limpa, numa abrangência que a humanidade até agora, ainda não havia buscado.

Nesse "oceano de preocupações" por energia, e pelo meio ambiente, inúmeras vertentes tecnológicas convergem. Diversas tecnologias podem ser pensadas, como subsistemas que, agregadas, depois, como partes integrantes de um sistema maior, futurístico que, muito provavelmente, se você viver algumas décadas mais, poderá estar dentro da sua casa, com VEs, energia solar, eólica, gás, e outros aparatos, tudo interligado, sistematicamente, em armazenagem integrada de energia. É neste contexto que a "ideia" do emprego dos Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica Residenciais pode se encaixar, e muito bem.

As respostas para perguntas alvo, buscadas aqui, serão, entre outras, principalmente as seguintes: É possível extrairmos alguma energia do fluxo de água que abastece um reservatório doméstico típico? Quanto de energia podemos extrair, sem comprometer a qualidade do serviço de abastecimento? Qual a forma mais adequada de se implementar isso? (local e equipamento de instalação adequado existe?)

Antes de irmos ao foco, convêm darmos uma boa olhada num esquema típico de ligação dos elementos de um Sistema Urbano Padrão de Abastecimento de Água, a fim de projetarmos uma devida contextualização, até mesmo porque, muitas das considerações sobre princípios de hidráulica, que se aplicam a este macrossistema, como, por exemplo, conceitos sobre vazão e pressão estática, de estagnação e dinâmica, etc, guardadas as devidas proporções, aplicam-se, também, ao microssistema hidráulico que encontramos a partir da tomada de água da rede de distribuição para uma residência, onde os tais Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica possam, por ventura, ser aplicados.

Diga-se de passagem, penso que, poder escrever e ler sobre esse assunto, diante da crise de abastecimento de água, que ora vivenciamos em São Paulo, pode ser algo muito conveniente, trazendo a baila um tema que deve ser de interesse de todos. Para uma melhor compreensão, o referido esquema pode ser racionalizado em duas partes principais:
  • Centrais de Produção de Água;
  • Rede de Distribuição Arterial, conforme o diagrama abaixo:




Visto isso, creio que podemos tentar evitar um maior detalhamento operacional da primeira parte, e convenientemente, partirmos diretamente para uma breve explanação sobre a segunda parte, que é a de maior interesse, pois, este é o subsistema que, na sua terminação de sua saída, irá abastece com o produto água potável, os consumidores residenciais e prediais.

Numa Rede de Distribuição Arterial, primeiro encontramos, ao menos, uma Adutora de Água Tratada, que é um elemento de conduto, que serve ao transporte da água entre elementos do sistema, antes dela ser servida à Rede de Distribuição. As adutoras ligam as Estações de Tratamento de Água aos Reservatórios, ou às Estações Elevatórias, que eventualmente possam existir após as estações de tratamento, e estas aos reservatórios. 

Assim como as Adutoras de Água Bruta (água capitada, porém ainda não tratada), estas também podem funcionar por Recalque ou por Gravidade, em Condutos Livres ou Forçados. A adução por gravidade constitui o meio mais seguro e econômico, em termos de Consumo de Energia, e de Custos de Implantação de Infraestrutura e de Manutenção, para se transportar a água. Todavia, nem sempre existe um desnível descendente do terreno, suficiente para conduzir por gravidade, garantindo a vazão e a pressão que são necessárias entre os pontos a serem interligados.

Nestes casos, estações elevatórias são necessárias e as adutoras a elas ligadas são classificadas como adutoras por recalque. As adutoras estão sujeitas a traçados muito diversos em decorrência de variedades topográficas ou geotécnicas, além de critérios técnicos e econômicos dos sistemas.


Uma função destas estruturas é, também, aumentar a capacidade de adução do sistema, aumentando a pressão nos condutos. As estações elevatórias de água tratada normalmente são instaladas após as estações de tratamento de água para o bombeamento do líquido até os reservatórios. As elevatórias podem também estar entre reservatórios, ou ainda, em algum trecho da rede de distribuição de água, e neste caso, são mais conhecidas pelo termo boosters.

Seguindo na direção do consumo, a função subsequente às adutoras é a dos reservatórios de água. Em geral, são estas estruturas que estabelecem os limites e fazem a transição entre a rede de transporte arterial e a rede de distribuição final, funcionamento como elementos de regularização entre as vazões de adução e a de distribuição, e ainda como estrutura de regularização da variação de pressões na rede de distribuição.

É raro um sistema de abastecimento que não necessite de trechos de adução de água tratada com instalações de estruturas elevatórias. Desta forma, os reservatórios assumem também a função de atuar como regularizador das variações na vazão de recalque, consistindo em elemento de arranjo estratégico na redução do consumo de energia elétrica.

A instalação de reservatórios após uma estrutura elevatória possibilita que a energia potencial da massa d'água seja armazenada e, com isso, o bombeamento de recalque possa ser interrompido, em determinados intervalos de tempo do dia, com nos horários tarifas de energia elétrica maiores, por exemplo.

Os reservatórios servem, também, como estratégia de adaptação de traçado de adutoras, em função das situações do terreno (ver casos na figura abaixo), e de economia dos componentes na rede de distribuição principal, uma vez que as adutoras, subadutoras e elevatórias que o antecedem, podem ser, assim, projetadas com um diâmetro reduzido, em função da combinação entre o consumo médio previsto, as distâncias e a reservação. Com estes arranjos, somente a rede posterior às estruturas dos reservatórios precisam ser projetadas, obrigatoriamente, para situações de pico de consumo máximo.

As linhas piezométricas (Lp, representadas no desenho a seguir) são linhas imaginárias que, em um canal aberto, tem seus pontos de apoio sempre coincidindo com a superfície do fluido (seccionando o plano de carga estática, que é a linha imaginária rente a superfície do fluído nos reservatórios), e que representa apenas as parcelas estáticas da carga.

Reservatórios como função de adequação do traçado das adutoras:
1- Situação em que o terreno da estrutura de armazenagem intermediária se eleva acima da linha piezométrica;
2- Situação em que a armazenagem intermediária permite a redução da pressão nos dutos.

Já, por sua vez, a linha de energia (que não se aplica ao desenho anterior) é uma linha imaginária que representa a altura de carga total, que permanece constante para um escoamento sem atrito, quando não é realizado nenhum trabalho sobre ou pelo líquido em escoamento (bomba ou turbina), e ela assume a carga do líquido ideal fluindo pelo duto ou canal aberto, considerando a somatória da estática e da dinâmica da carga, quando a parcela dinâmica se aplica, onde há carga associada à mudança de velocidade (dinâmica), devido ao uso de redutores de duto.  Ambas estas linhas proporcionam ajudas e dicas importantes para a localização e correção de pontos problemáticos em um escoamento (usualmente pontos de baixa pressão).

Quanto à forma, os reservatórios podem ser enterrados, semienterrados, apoiados ou elevados. A forma deve ser adequada à função do reservatório no sistema, à necessidade de altura piezométrica e a capacidade de reservação.

Os reservatórios assumem, ainda, funções dentro da distribuição. A posição dele na rede de distribuição pode ser a jusante ou a montante, e é possível também ter um arranjo que combine os dois. Sua função é, na transição entre a adução e a distribuição, além de simplesmente a de armazenamento, também regularizar vazões e adequar pressões na rede de distribuição.

Os reservatórios a montante sempre fornecem água à rede de distribuição, e consistem na alternativa mais usada nos sistemas implantados. 





Em função da extensão da rede de distribuição a que servem, os reservatórios de montante tendem a produzir variações acentuadas nas cargas piezométricas, nos extremos dessas redes, nos períodos de redução da demanda de consumo de água.


Por isso, a localização ideal desse tipo de reservatório é o centro das zonas de consumo, mas nem sempre isso é tecnicamente possível. Além disso, em função da própria topografia em que é assentada a rede, pode haver necessidade de reservatórios secundários, em geral elevados, que dividam as cargas piezométricas, minimizando as pressões nas áreas de menor cota, desenhando diferentes zonas de pressão numa rede de distribuição.


Os reservatórios podem, ainda, também ser a jusante, e trabalham fornecendo água nos períodos de maior demanda ou recebendo água nos de menor demanda. Pela mesma tubulação a água aflui e eflui. Por isso, podem ser denominados também reservatórios de sobra.


Já, por sua vez, a rede de distribuição é a interface final, a última mediação entre o recurso, agora produto, água potável, e o consumidor. E constituída por tubulações e equipamentos acessórios instalados em logradouros públicos, como redes de formas variadas, e têm por finalidade fornecer 24h por dia, em regime contínuo, água potável em quantidade, qualidade e pressão adequada à demanda de consumidores de sua área de atendimento.

As redes de distribuição são as unidades mais extensas dos sistemas de abastecimento e respondem por mais de 50% dos seus custos de implantação. Uma rede de distribuição mal operada ou mal projetada é sempre fonte de permanente problemas, mormente no que tange às perdas de água, ao comprometimento da qualidade da água e as reclamações dos usuários.

Para funcionar bem, a rede de distribuição deve estar sujeita a uma pressão mínima e a uma pressão máxima. A pressão mínima é necessária para vencer os desníveis topográficos e as eventuais perdas de carga no ramal predial e nas tubulações internas aos prédios abastecidos, garantindo que a água atinja os reservatórios prediais. (1)

A pressão dinâmica (pressão, referida ao nível do eixo da via pública, em determinado ponto da rede, sob condição de consumo não nulo) mínima é aquela garantidamente capaz de atender ao abastecimento, mesmo na condição de dia e hora de maior consumo (ou demanda de água), com o menor volume de água no reservatório correspondente àquela rede de distribuição;

A pressão estática (pressão, referida ao nível do eixo da via pública, em determinado ponto da rede, sob condição de consumo nulo) máxima corresponde ao limite em que as tubulações, válvulas e conexões garantidamente operem com integridade, e também permitam a manutenção do controle das perdas físicas. (2) 

O critério das perdas físicas é uma questão econômica relevante, e relativamente recente nos cálculos da pressão estática máxima, porque em tubulações defeituosas ou com furos devido à corrosão ou rompimento, o volume que se perde varia como uma função quase linear da pressão nas tubulações. A pressão estática máxima é, assim, aquela mais adequada, à manutenção da integridade da rede e do controle dessas perdas, calculada para os picos de menor consumo de água (consumo nulo), e considerando a ocorrência de nível máximo no reservatório correspondente àquela rede de distribuição.

A NBR 12218 (ABNT, 1994, item 5.4.1) estabelece a pressão dinâmica mínima nas redes de distribuição de água como sendo de 100 kPa (quilo pascal), enquanto a pressão estática máxima estabelecida para as mesmas redes é de 500 kPa, com exceção podendo ser feita para casos específicos em condutos principais que não abasteçam diretamente consumidores ou tubulações secundárias, e que se justifica técnica e economicamente a transgressão destes valores limite, e sob verificação de sua estabilidade estrutural e segurança sanitária.

Desta forma, o projeto de uma rede de condutores secundários: ramais prediais de tubulações de menor diâmetro que têm contato direto com as entradas de água dos edifícios (casas e prédios) abastecidos, pode apresentar a forma ramificada ou a forma de rede malhada, preferível a adoção da ligação formando malha, podendo ou não todos os pontos de cruzamento interligados, e o traçado da rede (conjunto de condutos principais e secundários), deve buscar o maior esforço para concentrar-se entre os limites de 100kPa e 500kPa de pressão, já considerando eventuais estabelecimento de diferentes Zonas de Pressão (áreas abrangidas por subdivisões da rede, separadas por cota altimétrica, na qual as pressões estática e dinâmica obedecem aos limites prefixados).

"Se a diferença entre a maior e menor cota altimétrica da área de projeto (área com abastecimento) for inferior a 40 m, haverá apenas uma zona de pressão. Se essa diferença for maior que 40 m, haverá a necessidade de (estabelecer) mais de uma zona de pressão, sendo que, para cada diferença de mais de 40 m, haverá a necessidade de uma zona de pressão (extra). Para cada diferença altimétrica máxima de 40 m, há que se tomar pelo menos mais 10 m (de intervalo inicial) relativos (a garantia) à pressão dinâmica mínima". (HELLER e PÁDUA, 2006: 613) 

Uma vez que a pressão especificada na norma é de 500 kPa, que corresponde, precisamente, a 50,986 mca (metros de coluna d'água, também representado por mH2O, sendo que 1 mca = 9,80665 kPa), na citação acima, Heller e Pádua idealizam um desenho com medidas (em metro) ligeiramente arredondadas para menos.

Como é comum em edifícios que o abastecimento de água aos apartamentos aconteça por gravidade, a partir de um reservatório superior, a subdivisão da rede em zonas de pressão é algo que se aplica, inclusive, no caso de edifícios mais altos, onde o projeto do sistema hidráulico deve ter o cuidado de garantir a limitação da pressão da água nos andares inferiores.

Neste caso, segundo a norma brasileira, a pressão estática (quando todos os registros estão fechados e o reservatório está com carga (volume) máxima de água) não pode ultrapassar 40 mca (392,3 kPa), nos pontos de consumo dos apartamentos, para não causar dano às tubulações, ramificações e equipamentos hidráulicos, gerando vazamentos dentro dos apartamentos. Para evitar esses problemas, são utilizadas Válvulas Redutoras de Pressão nas redes hidráulicas. Esses equipamentos regulam a pressão da água no seguimento da rede após elas, mantendo-a dentro dos limites especificados.

Imagem emprestada do site:
http://equipedeobra.pini.com.br/construcao-reforma/35/valvulas-redutoras-de-pressao-213991-1.aspx

Obviamente que, concomitantemente, a cota altimétrica do reservatório superior deve ser alta o bastante para garantir uma pressão dinâmica mínima nos pontos de consumo do andar superior do edifício, mesmo com carga de água mínima no reservatório. Assim, a diferença que existe entre uma rede de abastecimento interna a um edifício, e uma rede de distribuição pública de água, é apenas quanto a magnitude dos números, de modo que, válvulas reguladoras de pressão, adequadamente dimensionadas, aplicam-se, também, nas redes de distribuição públicas. 

As válvulas reguladoras de pressão são equipamentos mecânicos, acionados hidraulicamente, que permitem regular a pressão a jusante proporcionando a redução de vazão dos vazamentos, sendo que sua utilização é recomendada em áreas onde as pressões médias estejam acima do estabelecido pela NBR 12218/1994. Uma das características mais marcantes da tecnologia que utiliza tais válvulas é que sua implantação requer, obrigatoriamente, uma área de atuação bem definida na rede de distribuição de água, configurando um subsetor (zona de pressão) ou um Distrito de Medição e Controle (DMC).

Válvula de controle auto-operada unidirecional de
 diafragma DN 150, reduz uma pressão de entrada  alta
e variável em uma pressão menor e constante de saída,
independente da variação da vazão, proporcionando
o autocontrole por intermédio de um conjunto
composto  de um diafragma ligado a um obturador.
Assim, o dimensionamento e a regulagem de uma válvula redutora de pressão devem levar em conta os valores recomendados pela norma, possibilitando o funcionamento adequado do setor ou da zona de pressão na rede de distribuição de água a ser controlada. A regulagem da pressão a jusante da válvula definirá a diferença entre a pressão de entrada e a de saída da válvula.

Existem, basicamente, três tipos de válvulas reguladoras de pressão sendo empregadas em redes e distribuição:

Saídas fixas: Pressão de saída mantida constante ao longo do tempo;
Controle por tempo: Pressão de saída varia em função dos horários (pré-programada);
Controle por vazão: Pressão de saída varia em função da demanda.

O último caso, é, na verdade, uma Válvula Controladora de Vazão. Independente se a variável controlada é a pressão ou a vazão, todos estes tipos de válvula são de controle automático (válvulas de controle auto-operadas, unidirecional), permitindo o controle automático da rede de distribuição de água, adequadas para tubulações DN 50 (diâmetro nominal 50 mm) até DN 600.

Todavia, o estabelecimento de diferentes zonas de pressão não é o único condicionante para a implantação de uma rede de distribuição. Os locais para instalação dos reservatórios de distribuição que são, em última instância, os comandos da pressão predominante na rede de distribuição, condicionam a forma da rede, e devem considerar a maior proximidade com o centro de consumo, as características topográficas e geológicas para sua implantação, remetendo ao importante conceito de setor de abastecimento.

Não obstante o muito que este tema ainda poderia ser explorado aqui, eu creio que a contextualização ora apresentada, já é mais do que suficiente para partirmos, agora, para contemplar o foco de maior da nossa atenção nossa, que é o do emprego dos Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica Residenciais.

No entanto, não faremos isso sem, antes, aproveitarmos o momento em que ainda estamos falando a respeito das grandezas Pressão e Vazão Hidráulica em redes de distribuição de água, para introduzirmos o conceito de mais uma grandeza, a Potência Hidráulica, para, em seguida, fazermos uma pertinente analogia destas grandezas com as grandezas elétricas correlatas, Tensão e Corrente Elétrica, bem como a Potência Elétrica, com as quais teremos que nos envolver ao tratarmos do assunto dos Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica. 

Note que, uma vez que os fenômenos hidráulicos podem ser facilmente observados a “olho nu”, o comportamento dos circuitos hidráulicos é utilizado com muita frequência como analogia, na estratégia do ensino da eletricidade básica para novos alunos, haja vista que nem todos esses aprendizes chegam ao curso, já com a capacidade de visão espacial desenvolvida, quanto ao comportamento dos fenômenos elétricos. A motivação do emprego dessa analogia é bem esse mesmo: a água podemos ver e os elétrons, não.

Como já foi abordado, em hidráulica, desde que entre as linhas piezométricas de dois reservatórios haja alguma diferença de cota altimétrica, existe, entre eles, uma diferença de potencial hidráulico, ou seja, existe pressão, cuja intensidade é diretamente proporcional àquela diferença de cota altimétrica existente.

Reservatórios com cotas altimétricas diferentes entre suas linhas piezométricas, podem estar com suas bases assentadas tanto em terrenos de altitudes diferentes entre si, quanto em terrenos de mesma altitude pois, neste caso, o que importa é o nível relativo da carga de água contido neles que, se porventura resulta em cotas distintas entre suas linhas piezométricas, então, resulta também em pressão entre eles.

Repare que eu falei em dois reservatórios, mas eu sequer mencionei se eles estão ou não interligados e, se estiverem, se a tubulação de adução está livre ou bloqueada (se são ou não vasos efetivamente comunicantes). É prática comum a utilização de válvulas em circuitos hidráulicos com a finalidade de bloqueio (liga ou desliga a passagem de água) e, na ligação entre reservatórios, não é diferente. Se a válvula estiver fechada, a pressão que se faz relevante é a estática (que independe da vazão) e, se aberta, é a pressão dinâmica que deve ser considerada (obviamente existindo também vazão).

Assim, a pressão existe, independente se haja ou não vazão (fluxo) de água (como é o caso da pressão estática).

Pois bem, em circuitos elétricos, a Tensão Elétrica é a grandeza que equivale à Pressão nos circuitos hidráulicos. Assim, tal como para haver pressão é necessário que uma quantidade de carga de água (volume de água) sobressalente esteja armazenada em um reservatório, enquanto ela falta, relativamente, em nível, em outro, para haver tensão elétrica é necessário que uma quantidade de carga elétrica (quantidade de elétrons) esteja armazenada em um eletrodo, enquanto ela falte, em nível relativo, em outro  . Isso cria o que chamados de diferença de potencial (d.d.p.) elétrico, que caracteriza a tensão elétrica.

Tal qual ocorre com a pressão em hidráulica (que pode existir mesmo que não haja vazão), a tensão elétrica também pode existir, com ou sem a presença de Corrente Elétrica. Se você estiver olhando para uma bateria que esteja eletricamente carregada repousando sobre uma bancada de oficina, não havendo nenhum cabo condutor elétrico conectado aos bornes terminais de seus dois polos elétricos (positivo + e negativo -), então, decerto, ela não produzirá nenhuma corrente elétrica (tal como dois reservatórios em desnível de cota, mas que não estejam interligados).

Todavia, a tensão elétrica, está, sim, presente entre seus dois polos, e pode, inclusive, ser medida com auxilio de um voltímetro, o que revela que existe um “potencial” para a condução de corrente. Assim, de modo inerente, uma bateria é uma Fonte de tensão (mas, não, necessariamente, uma fonte de corrente).

Ao interligarmos os polos de uma bateria com um condutor para que haja corrente elétrica, convém que haja, também, a inclusão de uma Resistência Elétrica, a fim de limitar a corrente que fluirá. No caso da hidráulica, a resistência é provida pela própria tubulação, de modo inversamente proporcional ao diâmetro da seção e diretamente proporcional ao comprimento da tubulação e, em elétrica, a grandeza resistência é semelhante, somente diferindo pelo fato de que, em elétrica, podemos jogar com uma grande variedade de tipos de materiais que são utilizados como meios para se conduzir a corrente elétrica.

Assim como em hidráulica, o material interno de um filtro de água, por exemplo, não apenas cumpre a função de filtragem, como, também, atua como uma forte resistência, se opondo a passagem da água e limitando a vazão, em elétrica alguns materiais específicos, de maior ou menor resistividade (atributo de qualidade da resistência), são utilizados para prover uma resistência elétrica adequada. Outros elementos, como as válvulas, também oferecem resistência, que pode ser ajustada, modificando a vazão

Sem  a existência de uma resistência elétrica adequada, apenas fluindo pelos cabos condutores que apresentam baixíssima resistência, a corrente elétrica se tornaria muito elevada, tendendo, mesmo, ao infinito, em sua magnitude. Isso pode ser constatado apenas por avaliar a fórmula da lei de Ohm, na qual a corrente elétrica (i) é determinada pela razão entre a tensão (U) e a resistência (R).

Em elétrica, a corrente elétrica é a grandeza que equivale à vazão em hidráulica. Assim como a vazão que, além de pressão requer um caminho (tubulação) para fluir, a corrente elétrica requer, também, um caminho (formado pelos condutores e resistência interligados em conjunto) para fluir, que junto com a fonte de tensão, forma o circuito elétrico.

Em hidráulica, considerando que o fluido homogêneo escoe por uma tubulação a partir de uma fonte (reservatório), sem que haja outras fontes interligadas ao sistema, interagindo, ou sumidouros, então, a vazão é sempre a mesma em qualquer ponto ao longo da tubulação. Ou ainda, mesmo que haja outras fontes e múltiplos consumidores, vale a a regra que dita que a soma das vazões dos fluidos que entram no sistema é igual a soma das vazões dos fluidos que saem. Esse principio é o mesmo que se aplica a 1ª Lei de Kirchhoff (Lei das Correntes, ou Leis dos Nós, ou LCK) para circuitos elétricos. Assim, num circuito puramente em série, a corrente elétrica é a mesma, medida em qualquer ponto do circuito.

É importante notar que, tanto a vazão hidráulica, quanto a corrente elétrica, apesar de ambas estarem intimamente relacionadas a velocidade com que seus respectivos tipos de carga (água e elétrons) circulam pelos circuitos, elas não são, e nem ao menos expressam, a velocidade dessas cargas, em si. Em hidráulica, a vazão costuma ser medida em Q/Δt (quantidade de carga por intervalo de tempo), geralmente nas unidades de medida l/min (litros por min) ou em m3/min (metros cúbicos por minuto), enquanto que, por sua vez, a velocidade é medida em m/s (metros por segundo), não estando, portanto relacionada a quantidade de carga (Q) mas, tão somente, ao deslocamento dela.

Ao longo de um circuito de fluxo hidráulico em série, apesar da vazão (Q/Δt) ser a mesma em qualquer ponto ao longo da tubulação do circuito, é possível que nós verifiquemos diferentes velocidades (V) ao longo do circuito do fluxo, bastando que, para isso, a área da seção (A) da tubulação empregada varie em algum ponto ao longo dele.

Neste caso, o fluxo advindo pela tubulação de área de seção maior, ao entrar na tubulação de área de seção menor, terá sua velocidade aumentada. Porém, se velocidade aumenta e a pressão cai. Sempre que houver um fluxo por um orifício a pressão irá cair. Esta afirmação é de suma importância para entender, por exemplo, como as válvulas pilotadas funcionam.

Da mesma forma, a corrente elétrica expressa Q/Δt, só que, no caso, com unidade de medida C/s (Coulomb por segundo), que significa,a mesma coisa que A (Ampère). Precisou-se adotar a unidade de medida Coulomb, que nada mais é que uma pré-definida determinada quantia enorme de elétrons, por que a intensidade da carga elétrica de um único elétron é muito pequena para ser tomada em consideração, na grande maioria dos casos práticos, sendo 1 Coulomb = 6,28 X 1018 elétrons.

Convém, ainda, que a um circuito elétrico agreguemos um interruptor elétrico (que equivale à válvula de bloqueio, em hidráulica), a fim de poder comandar o circuito, ligando e desligando o caminho da passagem da corrente.

Imagem emprestada do site http://www.saladaeletrica.com.br/
Assim como em hidráulica, a Potência Hidráulica é igual a Pressão multiplicada pela Vazão, em elétrica, a Potência Elétrica é a Tensão multiplicada pela Corrente.

Já, quando a Potência (seja hidráulica ou elétrica) é multiplicada pelo Tempo, resulta em Energia (ou Trabalho), hidráulica ou elétrica, respectivamente.

Isso nos revela um fato importante para a aplicação dos Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica Residenciais: a água que provém da rede de distribuição, ao chegar ao terminal que abastece um determinado reservatório residencial (a nossa caixa d'água, por exemplo), haja vista que ai existe presente ambas, tanto pressão quanto vazão, isso significa, evidentemente, que ela contém em si, potência hidráulica e, enquanto transcorre o tempo em que o abastecimento d'água esteja ocorrendo continuamente (com pressão e vazão, ambas presentes), isso significa que estamos recebendo, não somente o produto Água mas, também, o produto Energia Hidráulica, a qual podemos converter na equivalente energia elétrica:


A unidade de medida de energia watt-hora corresponde à energia transformada quando um dispositivo cuja potência seja de 1 Watt operando durante um intervalo de tempo de 1 hora.

Isto é fato e, assim estando cientes, podemos imaginar que, com emprego de conversores de energia adequados, quase todos eles produtos disponíveis comercialmente e, em portes bastante variados, atendendo a um enorme gama de aplicações, uma forma de energia pode ser, facilmente, convertida para outra forma de energia e, assim, a partir do fluxo de água que nos abastece, e que nós já estamos pagando, podemos, de fato, obter eletricidade

Podemos definir como uma das principais vantagens da ideia do emprego de Micro Hidro Geração, o fato de que ela pode ser feita mesmo a partir de uma pequena quantidade de fluxo (alguns alegam que tão pouco como dois litros e ½ por minuto), ou de uma queda de desnível altimétrico pequeno (alguns alegam que tão baixa quanto uns 80 cm) para gerar eletricidade com emprego de um micro hidrogerador, de modo custo-benefício compensatório. (Será mesmo?) 

Ainda há, atualmente, alegações de que a eletricidade produzida pode ser tanto consumida no local em que está sendo gerada, quanto transmitida a, digamos, 1 km quilômetro de distância do local. (Será, mesmo?). Lembre-se que um dos problemas mais importantes relacionado, por exemplo, com a energia eólica, é o da intermitência e a variabilidade do vento. Acaso, não é exatamente assim, também, que funciona o fluxo d'água que aflui para dentro de nossas caixas d'água?

Será que uma armazenagem intermediária da energia elétrica produzida pode ser realizada? No que os Veículos Elétricos (VEs), com suas enormes baterias embarcadas, podem contribuir com isso? Há necessidade de se implementar algum tipo de controle para esse processo de conversão de energia? Como isso pode ser feito? Já existe algo pronto neste sentido? É justamente sobre estes e outros detalhes que eu pretendo falar, e avaliar com o devido cuidado e atenção, na próxima postagem sobre este assunto.

Apenas para tomarmos fôlego, refletindo, antecipadamente, vale lembrar que, no vai e vem das visões e revisões de estudo da Física, o ser humano nunca conseguiu escapar da comparação (e equiparação) entre matéria (e sua massa) e energia e, um dos princípios mais antigos observados, foi expresso na Lei de Lavoisier, enunciada pela célebre frase: "Na Natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma".

Apesar deste enunciado ter sido elaborado no âmbito das reações químicas, como Lei de Conservação das Massas, evidentemente que ele serviu, também, de guia para que o homem prosseguisse em seu caminho para o estabelecimento Lei da conservação da energia, que há tempos anteriores já vinha sendo, também buscada (eu menciono apenas Lavoisier, todavia, como um tributo a dúzias de outros pesquisadores científicos que participaram, igualmente, dessa grande empreitada da humanidade, cuja lista e detalhes de trabalhos não caberia aqui).

Deve-se ter em mente que energia compreende várias visões com seus conceitos específicos, mas que se relacionam e interagem entre si, como energia potencial, cinética, térmica, etc. Em física, a Lei ou Princípio da Conservação de Energia estabelece que a quantidade total de energia em um sistema isolado permanece constante. Tal princípio está intimamente ligado com a própria definição da energia. Um modo informal de enunciar essa lei é dizer que energia não pode ser criada nem destruída, a energia pode apenas transformar-se (ser convertida de um tipo para outro).

Ao aplicarmos Micro Hidro Geração, em algum ponto a partir do fluxo de água que nos abastece, é exatamente com esses princípios que lidaremos, e por eles seremos limitados. Produzir e consumir (ou armazenar) eletricidade a partir de um fluxo (ou de uma queda) d'água (hidro geração), implica que estaremos diminuindo a energia daquele fluxo (ou queda), na mesma medida em que a convertemos para eletricidade útil, seja com consumo imediato  da corrente elétrica ou com ela alimentando uma dispositivo de pré-armazenagem (bateria).

Isso significa dizer que, ao introduzirmos o conversor (micro hidrogerador), a um circuito pré-existente, a energia do fluxo d'água não será mais a mesma de antes, pois, como ele atua como um elemento resistivo, há diminuição da pressão imediatamente após ele e, também diminuição quanto a vazão do circuito hidráulico, que será dempre menor do que antes de introduzir o micro hidrogerador.

Ao longo do tempo que estivermos efetivamente consumindo (ou armazenando) a eletricidade convertida, o produto pressão, vazão e tempo, que é a energia hidráulica do fluxo, se reduz, podendo ocorrer, inclusive, de extrairmos tanta energia do fluxo d'água (quanto maior a energia elétrica efetivamente produzida pelo micro hidrogerador, maior será o Torque de Frenagem desenvolvido sobre o seu eixo de seu rotor, que luta contra o fluxo d'água), que podemos acabar causando a sua obstrução demasiada do fluxo, comprometendo o abastecimento de água. Note que, mesmo que não estejamos consumindo energia alguma proveniente da eletricidade disponível na saída do micro hidrogerador, só dele estar presente no sistema, já temos alguma pequena perda de energia do fluxo.

Além do mais, todo processo de conversão de energia, na prática, é imperfeito, e isso incide em mais perdas inerentes ao processo de conversão. Isso significa dizer que nem toda a energia tomada do fluxo d'água conseguiremos transformar em energia elétrica, parte dela é perdida no processo eletromagnético interno à maquina elétrica do micro hidrogerador, que por mais eficiente que seja, não atinge um rendimento de 100% na conversão. Assim, vamos precisar fazer uma série avaliações bem apuradas sobre estas questões, para verificarmos a real viabilidade da implementação dessa ideia, quer gostemos dos resultados a que chegarmos, quer não.

Notas:


  1. A norma estabelece o limite de atendimento até o teto do segundo pavimento em sintonia com as normas de abastecimento de água predial, que indicam a necessidade de que as residências possuam reservas próprias, as caixas d'água, o que não é usual em outros países que trabalham com a rede sob mais altas pressões. Assim, as caixas d'água residenciais, de certa forma, fazem parte do sistema de regularização do abastecimento urbano. A existência de caixa d'água, entretanto, acarreta às empresas de saneamento uma quantidade esperada de perda de água em função da submedição dos hidrômetros. Isso porque, nesses casos, em alguns horários, a vazão que passa pelo medidor é menor que a mínima verificada pelo aparelho. Isto ocorre quando as torneiras de boia estão próximas ao fechamento. Há indicações de que esse valor perdido nunca é inferior a 10% do volume consumido pela unidade dotada de caixa com torneira de boia (cf. Heller, 2006: 803).

  1. As recomendações com relação à pressão máxima tomaram-se usuais a partir de normas relativamente recentes (a partir de 1994), ao mesmo tempo em que era desenvolvido nas empresas de saneamento e no setor maior ênfase na gestão do controle de perdas (em função da relação entre pressão e volume perdido em vazamentos). Na produção de redes de distribuição da Sabesp para a RMSP, por exemplo, até meados da década de 1990, o critério da pressão máxima não era respeitado, e foram implantados muitos reservatórios e torres elevadas que forneciam pressão acima da máxima.

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