Os objetivos do projeto EnerGente incluem desde a concepção, fabricação e teste de microtrocadores ou dissipadores de calor baseados em microcanais, para o aproveitamento da energia térmica de painéis fotovoltaicos de alta concentração (HCPV), acoplados ao substrato da célula solar, até a recuperação do calor rejeitado para a dessalinização de água salgada via destilação por membranas. 

A relevância se encontra no uso potencial destes sistemas em regiões remotas com limitações de geração ou distribuição de eletricidade e água potável, como, por exemplo, no semiárido brasileiro ou em plataformas para exploração de petróleo. Assim, o projeto EnerGente – Ilha de Policogeração Sustentável é uma proposta de geração simultânea e descentralizada de energia elétrica e água. 

O Protótipo 

O protótipo consiste de um painel fotovoltaico de alta concentração, que converte energia solar em energia elétrica, coletores solares tradicionais, um tanque de controle térmico e de um dessalinizador via destilação por membranas. No processo de conversão, cerca de 70% da energia solar incidente através das lentes de Fresnel é absorvida na estrutura, refletida ou rejeitada para o ambiente, na forma de calor. 

A recuperação de parte desse calor, a partir dos microtrocadores instalados no substrato das células fotovoltaicas, acrescida do calor proveniente dos coletores solares, seja operado em série ou em paralelo com o circuito termo hidráulico do sistema HCPV, permite, então, acionar o processo de destilação por membranas. 

Esse processo funciona a partir da diferença de temperatura nas superfícies da membrana, provocados pela diferença de temperatura entre as correntes aquecidas, água salgada (alimentação), e corrente fria, com a membrana em contato com pelo menos a corrente de água salgada. Em função das características hidrofóbicas da membrana porosa, apenas o vapor d’água atravessa os poros da membrana, condensando na região mais fria do sistema. 

A destilação acontece próximo à pressão atmosférica e as temperaturas necessárias são em geral baixas, entre 50 e 90 graus Celsius, permitindo recuperar calor de baixa energia. Em geral, o calor é difícil de ser reutilizado ou de baixo valor econômico para outro processo secundário. 

A Ilha de Policogeração Sustentável demonstrada ocupa uma área de 200m², na qual estão instalados um painel fotovoltaico de alta concentração que gera cinco quilowatts elétricos e cerca de oito quilowatts térmicos, junto com três conjuntos de coletores solares para aquecimento de água, e o dessalinizador que é capaz de produzir cerca de 1000 litros de água destilada por dia, o que seria suficiente para atender cerca de 26 residências e 100 pessoas.

Construída em frente ao laboratório LabMEMS, a ilha é flexível, podendo ser modificada para uso em outras localidades e adaptada para cogeração de outros insumos (ex.: geração de biocombustível), dependendo do perfil de uso na região específica. O protótipo está no TRL 6 (Technology Readiness Level, nível de prontidão tecnológica, escala que vai de 1 a 9 criada pela Nasa para indicar o amadurecimento tecnológico de um produto). 

Como Funciona 

Microtrocadores de calor são instalados no substrato que suporta cada uma das 450 células fotovoltaicas, seguindo-se um sistema termo-hidráulico — que leva essa energia térmica para o contêiner, no qual está instalado um reservatório para controle térmico e o dessalinizador de água salgada. 

A concepção desse demonstrador prescreveu uma produção nominal de água destilada a partir da água salgada ou salobra típica do mar ou de poços no Semiárido, que pode então ser usada para consumo humano, atividade agroindustrial de pequeno porte e mesmo na limpeza de painéis fotovoltaicos. O calor recuperado pode também ser utilizado em paralelo ou alternativamente em outros processos secundários, como na intensificação de produção de biodiesel, no condicionamento de ar em ambientes ou em refrigeradores, diretamente para aquecimento predial em regiões com grandes amplitudes térmicas diárias, e outras finalidades. 

O rejeito de água salgada pode ainda ser armazenado em piscinas e empregado para cultivo de erva-sal para caprinos e criação de tilápia em projetos produtivos concebidos pela EMBRAPA para regiões semiáridas. 

Metas do Projeto

– Projetar, fabricar e testar em impressão 3D de metal, microtrocadores de calor baseados em microcanais com convecção monofásica de líquidos para remoção de altos fluxos de calor de células fotovoltaicas com concentração. 

– Integrar e caracterizar experimentalmente o conjunto célula fotovoltaica e microtrocador de calor. 

– Comparar experimentalmente as diferenças na eficiência do sistema HCPV em ambiente relevante com e sem o emprego dos microtrocadores de calor. 

– Modificar membranas comerciais para introduzir características de superhidrofobicidade às superfícies em contato com as correntes quente e fria de água, bem como estruturar na microescala essas superfícies para intensificação da transferência de calor em cada lado, mitigando, portanto, o efeito de polarização de temperatura.

– Testar um aparato experimental dedicado às membranas modificadas, avaliação da eficiência do novo processo e validação do modelo teórico proposto para transferência simultânea de calor e massa na destilação em membranas superhidrofóbicas. 

– Montar em ambiente controlado os módulos de membranas superhidrofóbicas para destilação de água a partir da recuperação de calor. 

Aplicabilidade 

Além das diversas aplicações no setor industrial, seja em geração fotovoltaica ou na exploração de óleo e gás onshore e nearshore, o projeto tem uma forte motivação de cunho social, podendo ser implementado de maneira complementar ao sistema já existente no chamado Programa Água Doce (PAD), inicialmente lançado pelo governo federal em 1996 como Programa Água Boa e depois relançado como PAD em 2004. 

Foram identificadas, até o momento, 3.963 comunidades, em 338 dos municípios mais críticos da região semiárida brasileira. No entanto, mais da metade das comunidades identificadas estão off grid, o que torna menos atraente a adoção do processo de osmose reversa que demanda essencialmente energia elétrica. 

O Semiárido se estende por mais de um milhão de quilômetros quadrados, cerca de 12% da área do país, ocupando parte do território dos nove estados do Nordeste, além do norte de Minas Gerais. 

As comunidades atendidas pelo Programa atendem a critérios de vulnerabilidade socioeconômica e dificuldades de acesso a fontes de água potável. Atualmente, pouco mais de 200 mil pessoas são beneficiadas pelo PAD e a meta é atender até 480 mil pessoas. 

Recentemente, o governo federal destinou mais R$ 122 milhões para implantação, por meio da segunda fase do Programa Água Doce, de 426 novos dessalinizadores em todos os estados da Região Nordeste e Minas Gerais. Outros 295 sistemas da primeira fase já estão em execução, com recursos assegurados em anos anteriores. 

O protótipo poderia complementar as unidades já instaladas no PAD, pois o processo de osmose reversa é muito sensível a altas salinidades e requer substituições frequentes dos módulos de membranas devido a incrustações. Apenas cerca de 40% da água salobra é dessalinizada nesse processo via osmose reversa, enquanto 60% é rejeitado e direcionado para os tanques. O sistema poderia complementar esse processo, na saída da osmose reversa, dessalinizando mais 40%. 

O processo de separação é guiado termicamente.Portanto, é menos sensível ao aumento da concentração de sais. Essa conjugação de processos também é importante devido à intermitência e sazonalidade da recarga dos aquíferos. A quantidade de água dos poços que pode ser utilizada é limitada, mas podemos aproveitar uma fração maior para consumo humano a partir da destilação por membranas.

Investidores do Projeto 

O projeto é financiado pela PETROGAL Brasil, via Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) e Embrapii-Coppe, e conta com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (Faperj), da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e da Marinha do Brasil. A Galp — estatal portuguesa que é a controladora da Petrogal — tem fazendas solares que demandam grande quantidade de água para a limpeza dos painéis solares, oferecendo um novo nicho para o emprego do processo térmico de destilação por membranas da água salgada por recuperação de calor rejeitado. 

Equipe do Projeto 

– Profª. DSc. Carolina Palma Naveira-Cotta | Eng. mecânica | Coordenadora
– Prof. PhD. Renato Machado Cotta | Eng. mecânico
– Prof. DSc. João Alves de Lima | Eng. mecânico
– DSc. Abdul Orlando Cárdenas Gómez | Eng. mecânico
– DSc. Luz Elena Peñaranda Chenche | Eng. mecânica
– MSc. Cristiane Mesquita | Eng. mecânica
– MSc. Ingrid Curcino | Eng. química
– MSc. Rafael San Martin Moreira | Eng. mecânico
– Diego Busson de Moraes | Eng. mecânico
– Emerson Barbosa | Eng. civil
– Bruno Scaramuzza dos Reis  |  Eng. mecânico
– Rivaldo Grismino | Eng. mecânico
– Paulo Roberto Júnior | Eng. químico
– Cristiano Alves Dos Santos | Técnico em mecatrônica
– Elizeu Miguel Costa Rocha | aluno iniciação científica de Eng. mecânica
– Gabriel Alcantara | aluno de iniciação científica de Eng. mecânica
– Gabriel Rodrigues | aluno iniciação científica de Eng. mecânica
– Raphael Lettieri Bezerra | aluno iniciação científica de Eng. mecânica