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INSTALAÇÃO DE ELETRODIÁLISE ACIONADA POR PAINÉISFOTOVOLTAICOS
PAULO CESAR MARQUES DE CARVALHO, SANDRO CÉSAR SILVEIRA JUCÁGrupo de Processamento de Energia e Controle, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade
Federal do Ceará.Caixa Postal 6001, Campus do Pici, CEP 60455-760, Fortaleza, CE, Brasil
RESUMO
Este artigo descreve estudo de um sistemacombinado utilizando as tecnologias de eletrodiálise efotovoltaica e a possível aplicação deste sistema noNordeste do Brasil.
O processo de eletrodiálise consistebasicamente na transferência de íons da água a serdessalinizada através de membranas de cátions eánions para um fluxo de concentrado. O produtodeste processo são os fluxos de água potável, comconcentração de sal dentro dos limites para oorganismo humano e o de concentrado, com a maiorparte do sal presente na água original.
A utilização de painéis fotovoltaicos para oacionamento deste processo, visando a dessalinizaçãode grandes reservas de água salobra oriundas depoços profundos, é viável devido à existência, emregiões áridas e semi-áridas, de uma estruturadeficiente do abastecimento de água potável, ao fatodo interior do Nordeste ser caracterizado por umbaixo grau de eletrificação, e ao uso direto peloprocesso de eletrodiálise da corrente contínuaproveniente dos painéis fotovoltaicos.
ABSTRACT
This paper describes the survey of acombined electrodialysis and PV system and itsapplication in the Brazilian Northeast region.
The process of electrodialysis consists in thetransference of ions out of the water whose excess ofsalt shall be taken away through a membrane ofcation and anion to a concentrated flow. The resultsare the flows of drinkable water with a properquantity of salt to human organism and theconcentrated one that has got mostly the salt from theinitial water.
The use of PV arrays to power that plant,which aims to take away the excess of brackish waterfrom deep wells, is feasible in arid and half aridregions. At those places there is a deficient watersupply, a short grid and a high level of solarradiation. The latter being the main way to drive theplant of desalination and spread the electrodialysisprocess of direct current by PV arrays.
1. INTRODUÇÃO
A área do chamado Polígono da Seca no
interior do Nordeste compreende cerca de 950.000
km2 (60% da superfície total da região),
representando a porção mais seca da mesma. Os
resultados de uma seca dependem da capacidade de
resistência e de convivência da população atingida:
quanto mais carente e despreparada, maiores serão os
reflexos da seca. Na tentativa de resolver o problema
de abastecimento de água tem-se utilizado de duas
estratégias básicas:
• a construção de açudes, visando o armazenamento
da água superficial;
• a perfuração de poços, visando aproveitamento da
água subterrânea.
Os açudes, devido às extensas superfícies de
água expostas ao sol, facilitam a evaporação de
grandes quantidades de água. Cada porção de água
que é evaporada deixa sobre o solo um determinado
volume de sais. Este processo já tem causado a
impossibilidade do uso de alguns açudes, devido à
existência de elevados teores de salinidade. Um outro
fator limitante para a utilização de muitos açudes
constitui a contaminação dos mesmos através de
fezes humanas e de animais. Apesar desta
problemática esta água é consumida por uma grande
parte da população rural do Nordeste. O transporte da
água até as comunidades isoladas se dá através de
baldes ou através de carros pipa. O uso de água
contaminada é uma das causas da alta mortalidade
infantil na região. A substituição dos carros pipa por
soluções efetivas constitui, portanto, tarefa de grande
prioridade.
Através da perfuração de poços em locais
adequados, é possível a obtenção de água do subsolo
livre de contaminação em grandes volumes. De
acordo com estudos realizados pela Associação
Brasileira de Águas Subterrâneas (ABAS), pelo
menos 19,5 bilhões de metros cúbicos de água
poderiam ser extraídos por ano do subsolo nordestino
sem o risco de esgotamento dos mananciais [8]. No
entanto, os poços localizados no interior do Nordeste
apresentam com freqüência elevado teor de sal na
água. O processo ocorre devido ao contato no subsolo
entre a água e a rocha cristalina, levando a um
processo de salinização deste aqüífero ao longo do
tempo. Para cumprir sua função no corpo humano, a
água deve possuir sais. Esta concentração não pode
ultrapassar um certo limite; caso isto ocorra,
prejuízos irreparáveis são causados à saúde humana.
Segundo a Organização Mundial de Saúde, a água
potável deve ter uma concentração de sal de 500
ppm; a partir deste valor a água é considerada salobra
e para concentrações em torno de 33.000 ppm temos
a água do mar.
Um fato observado no semi-árido nordestino
é que determinadas populações são obrigadas ao
consumo de água com níveis de salinidade acima dos
padrões recomendados, devido à falta de alternativas.
Este fato tem sido verificado em diversas
comunidades rurais, onde a fonte de abastecimento é
feita através de poços perfurados no aqüífero
cristalino, sendo observada uma alta taxa de sais.
Cerca de 788.358 km2 da região encontram-se sobre
terreno cristalino, o que corresponde a 51% da área
total do Nordeste. Com exceção do Piauí, todos os
estados do Nordeste localizados no Polígono da Seca
possuem a maior parte de suas áreas sob terreno
cristalino como indica a figura 1 [8].
Figura 1: Classificação dos terrenos encontrados na regiãoNordeste do Brasil [8]
Como a tecnologia fotovoltaica tem provado
sua viabilidade tanto econômica quanto técnica em
regiões remotas sem rede elétrica com sistemas de
bombeamento de água e de iluminação, a
dessalinização de água salobra vem sendo uma área
de pesquisa com excelentes perspectivas. Podemos
citar como exemplo o sistema de dessalinização
utilizando a tecnologia de osmose reversa acionada
por painéis fotovoltaicos feito na comunidade carente
de Coité – Pedreiras no município de Caucaia,
distante cerca de 25 km de Fortaleza, que fornece
água potável proveniente de um poço de água salobra
com vazão nominal de 0,25 m3 por hora [3].
2. PROCESSO DE
ELETRODIÁLISE
Para deixar a água salobra oriunda de poçosprofundos em condições de uso, deve ser a mesmatratada. Para este objetivo tem assumido umaimportância crescente nos últimos anos a tecnologiada eletrodiálise, ocupando um espaço antespreenchido pelos processos de dessalinizaçãobaseados em mudança de fase (processos térmicos).
O processo de eletrodiálise consistebasicamente na transferência de íons da água a serdessalinizada através de membranas de cátions eánions para um fluxo de concentrado conforme afigura 2.
Através desta divisão, são originados doisfluxos:• fluxo de água potável, com concentração de sal
dentro dos limites para o organismo humano;• fluxo de concentrado, com a maior parte do sal
presente na água original.
Figura 2. Processo de eletrodiálise
Os principais motivos que levam ao uso cadavez maior da eletrodiálise a nível mundial são ogrande desenvolvimento alcançado na fabricação demembranas, através da pesquisa de novos materiais, eo baixo consumo de energia apresentado por este
processo para tratamento de águas salobras, quandocomparado com processos térmicos tradicionais.Dessa forma, a presente pesquisa pretende contribuirpara a superação da problemática da estruturadeficiente de abastecimento de água, através doestudo de viabilização de uma instalação deeletrodiálise acionada por painéis fotovoltaicos.
A água salobra oriunda do poço profundo éacumulada em reservatórios. Uma parte desta água édessalinizada; outra parte permanece nosreservatórios, sendo usada pela população para outrosfins que não o de alimentação. A água potável quedeixa a instalação de eletrodiálise poder serarmazenada em um outro reservatório específico,visando o abastecimento da população. Oconcentrado pode ter os seguintes destinos:• reservatório aberto, onde a água é evaporada e o
sal deixado pode ser usado para alimentaçãohumana e de animais;
• coletor solar, onde a água evaporada écondensada e pode ser então adicionada à águapotável, aumentando a produção da instalação;
• para descargas sanitárias de uma escola ou postode saúde da comunidade;
• Para irrigação de plantas que suportam alto teorde sal (erva do sal).
3. ACIONAMENTO FOTOVOLTAICO
A utilização de painéis fotovoltaicos para oacionamento de instalações de eletrodiálise visando adessalinização de águas salobras oriundas de poçosprofundos é viável principalmente devido:• ao uso direto da geração de corrente contínua dos
painéis fotovoltaicos pelo processo deeletrodiálise;
• ao fato do interior do Nordeste ser caracterizadopor um baixo grau de eletrificação;
• aos níveis de radiação solar que influenciamdiretamente na quantidade de energia gerada pelopainel fotovoltaico.
Medições feitas em Coité - Pedreiras no estado doCeará demonstram estes níveis de radiação solar emKWh/m2.dia indicados na tabela 1:
MÊS Média da Radiação Mensal 2001 (KWh/m2.dia)Janeiro 4,5
Fevereiro 4,4Março 4,5Abril 4,2Maio 5,2Junho 5,6Julho 5,5
Agosto 5,7Setembro 5,4Outubro 5,2
Novembro 5,1Dezembro 4,9
Tabela 1: Médias de Radiações mensais em Coité-Pedreiras no Ceará
Instalações de eletrodiálise acionadas porpainéis fotovoltaicos no interior do Nordeste podemcontribuir de forma significativa para a geração deuma infraestrutura mínima no semi-árido.
Com isto busca-se a redução do êxodorural e a criação de uma base econômica quegaranta a sobrevivência das populaçõesinterioranas.
4. CONHECIMENTOS EXISTENTESSOBRE O ASSUNTO A NÍVEL MUNDIAL
Para projetar esse sistema pioneiro no
Brasil, foram feitas pesquisas de Instalações de
eletrodiálise acionadas por Painéis fotovoltaicos a
nível mundial.
As principais experiências comprovadasestão localizadas em Tanot na Índia, no ValeSpencer nos Estados Unidos e na cidade de Fukueno Japão.
Em tanot na Índia a água salobra apresentadureza entre 4500 a 5000 ppm estando disponívelem poços abertos com profundidades de 25 a 45metros e é extraída geralmente com ajuda decamelos.
Uma planta de eletrodiálise acionada porpainéis fotovoltaicos de 450 Wp com capacidade de1m3 por dia foi instalada para fornecer água potávelem torno de 1000 ppm de dureza para populaçãolocal. O arranjo fotovoltaico consiste em seiscélulas padrões de 30 watts de pico conectados emsérie, e em três séries agrupadas em paralelo parafornecer uma tensão do circuito aberto de
aproximadamente 118 volts e de corrente decircuito curto de aproximadamente 5,5 ampères.
A água salobra de aproximadamente 5000ppm de dureza é bombeada para uma caixa d’águaatravés de uma bomba movida por um motordiesel, e a planta de eletrodiálise é alimentada porgravidade através do painel de distribuição de fluxo.São ajustadas as taxas de fluxo e diluição doconcentrado. Depois que o potencial elétrico dospainéis fotovoltaicos é aplicado, a água édessalinizada [7].
Esse sistema de dessalinização, mostradona figura 3, utiliza o tanque de armazenamento deágua para suprir a ausência de baterias e um motordiesel no lugar de um motor elétrico acionado pelospainéis para acionar a bomba de água,caracterizando-se assim como um sistema híbrido.
Figura 3: Instalação de eletrodiálise acionada porpainéis fotovoltaicos de Tanot – Índia [7]
O Vale Spencer é representante de muitascomunidades remotas espalhadas pelo sudoeste dosEUA que necessitam de suprimento de águapotável.
A planta fotovoltaica do Vale Spencerconsiste em dois sistemas elétricos separados: doisarranjos para a bomba de água e três arranjos para aunidade de eletrodiálise [5].
A cidade de Fukue, na prefeitura deNagasaki, no Japão, foi escolhida como planta dedemonstração em 1988 e um protótipo foi feitousando um programa de simulação do sistema.
Após análise, o projeto e a construçãoforam concluídos e a operação começou em julho1990.
A inspeção periódica da eficiência dosistema mostrou a comparação satisfatória entre osvalores de simulação e os valores obtidos naoperação da planta demonstrativa [2].
As características das plantas citadas sãomostradas na tabela 2.
Tais experimentos têm mostrado aviabilidade para dessalinização de água comconcentração de até 5.000 ppm e a grande vantagemé a obtenção de água potável proveniente da águasalobra das regiões áridas e semi-áridas distantesdos grandes centros urbanos, sem a utilização darede elétrica, o que caracteriza os locais das plantascitadas, e a maior parte do semi-árido nordestino.
Nota-se que é maior a razão da vazão deágua produzida pela potência dos painéisfotovoltaicos para águas salobras com baixos níveisde dessalinização.
CARACTERÍSTICAS
PLANTA EM FUKUE
JAPÃO
PLANTA EM TANOT
- ÍNDIA
PLANTA NO VALE
SPENCER - EUA
POTÊNCIA DOS PAINÉIS
FV (Wp) 65.000 450 100
VAZÃO DE ÁGUA
POTÁVEL PRODUZIDA
(m3/dia)
200 1,00 0,19
ACIONAMENTO DA
BOMBA DE ÁGUA
Motor CA Trifásico 200V –
60Hz (Inversor) Motor Diesel
Motor CC
120V - 1000W
UTILIZAÇÃO DE
BATERIAS Sim Não Sim
SALINIDADE DA ÁGUA
DA FONTE (ppm) 300 a 735 4500 a 5000 Acima de 1000
SALINIDADE DA ÁGUA
TRATADA (ppm) 80 a 300 Abaixo de 1000 333 a 885
Tabela 2: Instalações de Eletrodiálise acionadas por Painéis fotovoltaicos
5.CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou uma análise da viabilidadetécnica de dessalinização de água salobra viainstalação de eletrodiálise acionada por painéisfotovoltaicos, tendo em vista os índices de radiação
solar o que contribui para a geração de energia paraeste sistema combinado.
Almeja-se com tal estudo contribuir para ouso de reservas de água existentes no subsolo doPolígono da Seca da região Nordeste do Brasil.
PALAVRAS CHAVES:
Energia solar, sistema fotovoltaico, eletrodiálise.
AGRADECIMENTOS
Os autores deste artigo agradecem ao corpo técnico
do Grupo de Processamento de Energia e Controle do
Departamento de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Ceará pela coleta de dados
de radiação solar em Coité – Pedreiras no estado do
Ceará.
REFERÊNCIAS
[1] Carvalho, P.C.M.:
Água Potável via Energia Solar, Ciência hoje, n.158, 2000
[2] Ishimaru:
Solar photovoltaic desalination of brackish remoteareas by electrodialysis; Desalination, 98, 1994
[3] Carvalho, P.C.M., Montenegro, F. F. DExperiências adquiridas na Implementação daprimeira Instalação de Osmose reversa acionadapor painéis fotovoltaicos do Brasil, AGRENER,2000[4] Wangnik, K.:
1990 worldwide desalting plants inventory - Thedevelopment of the desalination market; 12thinternational symposium on desalination and waterreuse (Proceedings), Malta, 1991
[5] Photovotaic Electrodialysis Reversal(PV/EDR), The Water Treatment Technology(WTTP) Program Newsletter - No. 3 - Winter 1995
[6] Carvalho, O.:
A economia política do Nordeste: seca, irrigação edesenvolvimento; 1988
[7] Adiga, Adhikary, Narayanan, Harkare,
Gomkale, Govindan:
Performance analysis of photovoltaicelectrodialysis desalination plant at Tanote inThar desert; Desalination, 67, 1987
[8] SBPC: Ciência Hoje; Volume 19, número 110,1995