Subestações compactas, oportunidade de receitas acessórias para o Metrô • Protótipo para homologação em laboratório do sistema massa-mola

Subestações compactas, oportunidade de receitas acessórias para o Metrô

Acompanhia do Metropolitano de São Paulo teve sua primeira linha inaugurada em 1974, um importante salto para o transporte público e a mobilidade da capital paulistana. A Linha Norte-Sul, depois rebatizada de Linha 1-Azul, contava quando completa com uma extensão de 16,7 km e 20 estações. Em 45 anos a cidade de São Paulo viu sua malha ser ampliada, possuindo hoje em operação cinco linhas de metrô e uma de monotrilho totalizando 100km em linhas. Inúmeros foram os desafios de engenharia enfrentados com soluções sempre na vanguarda da tecnologia.

As inovações no campo de mobilidade urbana sempre foram um dos pontos fortes do Metrô de São Paulo e dentre as opções de alto impacto tecnológico disponíveis está a compactação de subestações de alta tensão em regiões urbanas.

O objetivo principal das subestações compactas é a otimização de espaço. Nos grandes centros, a falta de terrenos para construção das infraestruturas necessárias ao sistema de transporte, como as subestações elétricas, bem como o alto custo para aquisição dos mesmos encarece a expansão da rede de metrô. Por outro lado, as subestações compactas possuem confiabilidade mais elevada e custos de manutenção e operação significativamente menores.

Tendo em vista que o Metrô já possui uma rede implantada, com subestações em operação em áreas altamente valorizadas, uma oportunidade se vislumbra no desenvolvimento de empreendimentos que possam gerar rendimentos não operacionais, com a participação de parcerias privadas. Neste artigo, a ser apresentado mais a frente, fizemos um estudo de caso hipotético, aplicando a solução de compactação GIS para duas subestações muito próximas, sendo uma do Metrô de São Paulo e a outra da concessionária de energia ENEL, com vistas a viabilizar os investimentos a partir de receitas geradas pelo aproveitamento imobiliário de áreas de alto valor comercial.

PAULO BENITES* MOISÉS FERREIRA DE SOUZA**

Foto 1 - Subestação GIS abrigada instalada no Metrô da Linha 4 do Rio de Janeiro

SUBESTAÇÃO COMPACTA GIS

As subestações compactas são conhecidas pela sua sigla GIS, que vem do inglês Gas Insulated Substation ou Subestação Compacta Isolada a Gás. Seu uso não é tão difundido no Brasil, mas a tecnologia GIS não é nova, ela surgiu em meados dos anos 50 do século passado. Os primeiros estudos desta tecnologia foram feitos nos Estados Unidos, em 1939 pela General Electric, e nas décadas seguintes surgiram os primeiros disjuntores isolados a SF6 (hexafluoreto de enxofre). No Japão, em 1967, foi apresentada a primeira solução completa de compactação, tendo os disjuntores e os transformadores isolados a gás SF6, ligados por barramentos também isolados a gás.

O que motivou o desenvolvimento desta tecnologia, contudo (conforme citado no 12th CLAGTEE, 2017 - Latin-American Congress on Electricity Generation and

Transmission / R. Oliveira, R. L. dos Anjos, G. C. Fernandes, T. K. B. Silva, E. J. Oliveira), diferente do que se pensa, não foi apenas a

Foto 2 – Transformador Isolado a Gás (GIT) – Formato de um tanque - pressão de ordem de 0,45 MPa (4,5kgf/cm2)

Foto 3 - Desvantagens das subestações compactas Fonte: TSEA Energia

escassez de espaço para implantação das subestações. A discussão é um pouco mais profunda, levando em consideração características como países industrializados versus países em desenvolvimento, equipamentos antigos versus novas instalações, aspectos climáticos, ambientais e da rede de distribuição e transmissão, que também foram fortes impulsionadores dessa indústria e de seu desenvolvimento tecnológico.

Diferentemente dos países orientais, no ocidente, por questões diversas em especial por conta de economia no Capex (Capital Expendure ou Investimentos de Implantação), as soluções AIS (Air Insulated Substation ou Subestações Isoladas a Ar) ainda são as principais soluções aplicadas, mas a percepção dos custos AO&M (Administration, Operation and Maintenance Costs ou custos de Administração, Operação e Manutenção) distribuídos ao longo do tempo, bem como a maior confiabilidade das soluções GIS, têm mudado o panorama para este tipo de solução, sendo esse o maior desafio para o mercado atual, que ainda não tem dados locais suficientes para comparações claras de sua superioridade como solução prática, economicamente viável e definitiva.

TECNOLOGIA ISOLADA A SF6

A base da tecnologia é a utilização do gás SF6 (hexafluoreto de enxofre) enclausurado sob alta pressão (0,65 MPa ou 6,5kgf/cm2). Devido ao seu alto dielétrico (poder de isolação elétrica) e à sua capacidade de absorção de arco elétrico, o SF6 permitiu o desenvolvimento de equipamentos altamente compactos e com espaço e volume reduzidos. Para se ter uma ideia da capacidade de isolação do gás, podemos citar como exemplo que um barramento em 138 kV com isolação a ar deve ter distância entre fases em torno de 1,5 m para uma operação segura e um equipamento isolado a SF6 pode ter seus barramentos entre fase isolados por menos de 15 cm, ou seja, menos de um décimo da distância de isolamento quando o dielétrico é o ar.

Essa tecnologia hoje é altamente difundida em todo mundo, em especial na Ásia, sendo hoje a principal forma de construção de novas subestações na China, Japão e Coreia do Sul. Os equipamentos de pátio isolados a ar, estão tendo sua fabricação descontinuada e caindo em desuso nestes países por conta das vantagens agregadas da utilização da GIS, principalmente quanto aos custos de aquisição de terreno (land aquisition), e redução de despesas de operação (OPEX).

No Brasil, a utilização ainda é tímida, mas o mercado começa a demonstrar interesse principalmente nos grandes centros urbanos, tendo em vista a limitada disponibilidade de áreas para a implantação de subestações convencionais isoladas ar (expansão da distribuição) e os crescentes custos de aquisição de terrenos (especulação imobiliária).

Vultuosos investimentos têm sido realizados em inovação tecnológica no campo da isolação com SF6, buscando explorar alternativas de aplicação, como nos casos de barramentos e linhas de transmissão, cabos de alta tensão subterrâneos, módulos híbridos, equipamentos de média tensão, equipamentos de rádio transmissão e transformadores de potência.

TRANSFORMADORES ISOLADOS A GÁS (GIT – GAS INSULATED TRANSFORMER)

Este tipo de transformador foi desenvolvido na década de 1960, mas seu uso é restrito por conta dos altos custos envolvidos em sua fabricação. Em áreas onde o valor do terreno é realmente elevado, como em empreendimentos imobiliários de alto padrão integrados a equipamentos de transporte, o TOD (Desenvolvimento Orientado ao Transporte do inglês Transit Oriented Development), seu uso se torna viável, assim como em empreendimentos de alta performance como nas refinarias, soluções de Óleo&Gás e de grandes hidroelétricas.

Figura 1 - Gráfico Pressão x Tempo da Falta Interna Figura 2 - Capacidade de compactação Fonte: TSEA Energia

Figura 3 - Segurança operacional Fonte: Catálogo Toshiba

Fornecedores de tecnologia de ponta como a Toshiba e a Mitsubishi produzem este tipo de solução desde a década de 1980, em tensões de até 500kV, com potências entre 30 MVA e 400 MVA. Apenas para compreender como são aplicados esses transformadores especiais em locais onde os terrenos possuem custo muito elevado, no Japão existem mais de 5 000 unidades instaladas e em Hong Kong mais de 4 000 unidades em uso. No Brasil, a Toshiba (atual TSEA Energia) já produziu duas unidades com essa tecnologia.

Uma das maiores vantagens relacionadas ao uso de GITs é seu comportamento quando exposto a falhas tais como curtos-circuitos internos. Diferente de um transformador isolado a óleo que, para este tipo de falha, pode chegar a explodir ou incendiar em caso de o sistema de proteção não atuar, o GIT suporta adequadamente às pressões durante arcos internos como apresentado na figura 1 - gráfico Pressão x Tempo da Falta Interna.

hEXAFLUORETO DE ENXOFRE (SF6)

Conforme explicado pelo Cigré Brasil em seu manual, o hexafluoreto de enxofre (SF6) é o grande motivador dessa tecnologia. Muito utilizado em equipamentos elétricos devido as suas características físico-químicas: é um gás atóxico, inodoro e incolor, não inflamável, inerte e estável quimicamente. Sua estrutura molecular é composta por um átomo de enxofre (S) ao centro e seis de flúor (F), formando um octaedro perfeito. Os estudos para sua utilização como isolador elétrico em equipamentos de alta tensão, ocorreram a partir da década de 50 do século passado.

Os problemas ocorridos com o óleo Askarel, após gerar gases tóxicos em incêndios, fez com que as seguradoras reprovassem apólices de equipamentos que tinham como meio isolante este tipo de óleo, que mais tarde veio a ser completamente banido devido a ser altamente tóxico, nocivo para o meio ambiente, além de ser cancerígeno.

As principais características físico-químicas do gás isolante SF6, que contribuem para utilização em equipamentos de alta tensão, são:

Densidade: O SF6 é um gás muito pesado, com densidade de 6,139 g/L, em temperatura de 21°C e pressão de 1 bar, sendo 5 vezes mais denso que o ar.

Pressão do gás: O SF6 tem suportabilidade à variação de temperatura sem que isso represente grandes variações de pressão, sendo de 0,4 bar para uma variação de 75°C (-10°C a 65°C). Esta característica se torna muito útil na ocorrência de curto circuito, onde a temperatura aumenta muito depressa em um tempo de milissegundos.

Condutividade térmica: A condutividade térmica do gás SF6 é similar à de outros gases dielétricos e sua capacidade de transferência de calor é maior que a do ar, o que em conjunto com sua densidade o torna um excelente meio para refrigeração do sistema através de convecção natural.

Figura 4 - Comparativo Fonte: Electrical Engineering Handbook, Taylor & Francis Group

CAPACIDADE DE INTERRUPÇÃO DE ARCO

O SF6 tem qualidade excelente para extinção de arco elétrico, devido a sua alta capacidade de transferência de calor e a baixa temperatura de ionização. O tempo de extinção é de cerca de 100 vezes menor que o ar sob condições semelhantes.

Também devido a sua capacidade de regeneração após a ocorrência de descargas elétricas, não há o aumento da pressão do invólucro, nem a criação de resíduos de carbono como ocorre em equipamentos isolados a óleo ou a ar.

Propriedades dielétricas: Não há variação considerável da constante dielétrica no intervalo de pressões entre 1 atm e 22 atm.

VANTAGENS DAS SUBESTAÇÕES COMPACTAS

Até aqui é nítido que existem diversas vantagens ao se considerar a transição da concepção dos arranjos AIS para arranjos em GIS e que é questão de tempo para que este “novo” conceito seja consolidado e utilizado de maneira majoritária em novas instalações, em especial nos centros urbanos.

Para ilustrar de maneira mais clara as principais vantagens, podemos citar:

Compacidade: um dos grandes motivos para a utilização desta tecnologia é a capacidade de compactação (figura 2), o que possibilita seu uso vantajoso em áreas populosas, em terrenos montanhosos ou em projetos em que se necessite a construção em subterrâneo, bem como é bastante eficaz para uso em espaços confiados. Para uma noção mais clara da compacidade desta solução, a seguir podemos ver um comparativo entre áreas AIS (Subestações Isoladas a Ar) comparado a subestações Hybrid GIS (Subestação Híbrida com partes Isoladas a Gás) e subestações totalmente GIS (Subestação Isolada a Gás).

Segurança Operacional: Devido a sua blindagem, suas partes expostas a alta tensão ficam totalmente protegidas, sem possibilidade de acesso seja proposital ou acidental (figura 3), o que elimina o risco de acidentes e diminui também custos adicionais de trabalho em área energizada (operação em periculosidade).

Baixo custo com manutenção: Devido a imersão dos componentes críticos no gás SF6 dentro da blindagem, não há exposição

dos materiais da subestação à oxidação, nem ação de intempéries com chuva, granizo, fumaça, poeira, poluentes, entre outros, diminuindo drasticamente o número de intervenções para manutenção, sendo esta somente realizada para verificações de rotina, leitura dos manômetros de pressão e limpeza simples externa.

Mitigação de Riscos Ambientais: a GIS e principalmente o GIT apresentam baixos índices de danos ambientais em função de sua operação ou eventuais vazamentos, pois o gás SF6 causa muito menos danos ambientais diretos do que o óleo mineral ou vegetal aplicados em transformadores convencionais. Por este motivo, na construção de subestações compactas com GIS/GIT não é necessária a construção de tanques de contenção e coleta de resíduos tal como nas subestações convencionais.

Compatibilidade Estética: Diferente de uma subestação isolada a ar que possui toda a estrutura aparente e peças grandes e altas, a GIS é capaz de se integrar ao meio onde está instalada sem causar grande impacto visual, trazendo conforto estético e tornando agradável o ambiente onde esta implantada.

DESVANTAGENS DAS SUBESTAÇÕES COMPACTAS

É fato que como toda e qualquer solução, existem vantagens e desvantagens associadas à sua implantação, o que não é diferente neste caso. O contraponto em relação as soluções GIS está associado justamente ao SF6 que apesar de ter todas as qualidades já descritas tem baixa contribuição quando se trata de fatores ambientais, visto que contribui para o efeito estufa e para a degradação da camada de ozônio, sendo este o principal desafio quando falamos de soluções GIS.

Atualmente existem estudos em busca de alternativas com menor impacto ambiental, dentre eles podemos citar, CF3 I – Hidro-Fluor-Carboneto, HFO – Hidro-Fluor-Olefina, PFC – Perfluorcarbonetos, C4 F 8O – Octafluor-Tetra-Hidrofuran.

Também é importante destacar, como mitigação deste risco, que atualmente o volume de vazamento de SF6 considerado na Norma IEC, é de 0,5% do volume total durante um ano, mas praticamente todos os fabricantes garantem que suas faixas de atuação encontram-se entre 0,01% e 0,1% de vazamento do volume total por ano, ou seja, de 5 a 50 vezes menor o limítrofe estabelecido em Norma.

Foto 4 - Local do caso hipotético do estudo Fonte: Google Maps

Foto 5 - Estudo de compactação das SEs Fonte: Google Maps Foto 6 - Área liberada para novo empreendimento Fonte: Google Maps

ESTUDO DE CASO: METRÔ DE SÃO PAULO

Como se viu, foram apresentados os principais pontos de viabilidade da solução GIS, considerando aspectos técnicos, funcionais e ambientais. Com base nisso, realizou-se um estudo de caso hipotético aplicando uma solução GIS numa subestação do próprio Metrô de São Paulo e numa subestação da concessionária de energia ENEL, com vistas a viabilizar os investimentos a partir de receitas geradas pelo aproveitamento imobiliário de áreas de alto valor comercial. O local escolhido foi a subestação primária da Linha 1-Azul, localizada na Rua Ararapirá, 262, ao lado ETD Saúde da ENEL, com o endereço da Av. Jabaquara, 2090 - Mirandópolis.

Ambas as subestações estão eletricamente conectadas, sendo que a ETD da ENEL recebe energia de uma linha de transmissão na tensão de 88 kV e alimenta a SE do Metrô também com 88kV, além de distribuir energia em média tensão (13,8 kV) para seu entorno. As duas subestações têm função primordial para a região, proporcionando energia elétrica para o transporte público via subestação do Metrô e para todos os empreendimentos à sua volta via ETD da ENEL.

A localização de ambas as subestações é privilegiada e o potencial imobiliário de suas áreas nos levou a escolhê-las para realizar o estudo de caso. Uma avaliação realizada

pelo portal do grupo SP Imóveis em 2019, que determinou o valor médio do metro quadrado para cada região de São Paulo, indicou que o valor atual da área de nosso estudo está em torno de 8 100 reais/m². Sabendo-se que as duas subestações juntas ocupam uma área estimada de 7 400 m2, calculamos que o valor dos terrenos é da ordem de 59,1 milhões de reais. O fato do terreno da ENEL possuir duas frentes, sendo uma de mais de 70 m para a Avenida Jabaquara agrega um valor comercial ainda maior para este imóvel. A proposta sugerida é realizar a compactação das duas subestações em um único terreno, aquele situado na Rua Ararapirá, onde hoje está somente a SE Primária do Metrô. Desta forma, a área com frente para a Avenida Jabaquara, onde hoje está localizada a subestação da ENEL seria liberada para a construção de empreendimentos imobiliários, tais como centro empresarial, shopping center, hospital ou prédios residenciais.

Com a compactação das subestações, teríamos um potencial resultado como apresentado na foto 6. A linha de transmissão existente poderia ser enterrada no trecho da Avenida Jabaquara até a nova subestação GIS.

O estudo inicial de arranjo da subestação indica uma compactação na ordem de 65%, ou seja, com a solução GIS o espaço utilizado seria reduzido a 35% ou 2 550 m², mantendo disponíveis para o uso imobiliário cerca de 4 780 m², com potencial de gerar, com a venda do terreno, um valor de 38,7 milhões de reais. O potencial de rendimento poderá ser maior se ao invés da venda do imóvel forem empregados outros modelos de negócio, como por exemplo built to suit, em parceria com empresas do setor imobiliário e da construção civil.

Esta modelagem envolveria uma parceria a ser estabelecida entre as empresas donas dos terrenos, ENEL (sob concessão) e Metrô de São Paulo (proprietária), que poderiam atuar juntas para possibilitar a compactação das subestações e a geração de receitas acessórias para ambas (tabela 1).

Por se tratarem de terrenos em áreas nobres, a menos de 200 m de uma estação do metrô (Estação São Judas), o potencial de geração de receitas no longo prazo é substancialmente maior. A adoção de uma

menores quando comparados com a solução AIS) a torna mais atrativa, como apresentado no comparativo da figura 4, elaborado pela Research Taylor&Francis.

A VIABILIDADE DA TECNOLOGIA GIS Tabela 1 - Valor do Terreno x Investimentos para Compactação NOS METRÔS

Obs: Para os cálculos foi considerada a venda do terreno, que é o modelo mais A expansão do transporte sobre conservador trilhos, em cidades como São Paulo, é fundamental para promover o desenvolvimento urbano sustentável e a falta de recursos para investimento no modal metroviário é um dos maiores gargalos a ser enfrentados por essas metrópoles. A tecnologia GIS pode contribuir para a redução dos custos de implantação, Tabela 2 - Detalhamento das manutenções pela redução de investimento em aquisição de terrenos. As soluções compactas GIT + GIS, tem valor agregado ainda maior, visto que seu poder de compactação pode chegar em alguns casos a 5% do volume total de uma Tabela 3 - Comparativo de manutenção – Periodicidade, Duração e solução AIS. Em projetos associaRecursos *Considerando inflação de 4,5% a.a; dos com empreendimentos imobiliários, esta solução se mostra ideal tornando a subestação integrada ao ambiente em que está inserida, de modo a torná-la imperceptível ao público em geral. A abordagem proposta aqui Tabela 4 - Comparativo dos Custos com Manutenção para compactação de subestações existentes, aproveitando os espaços proposta de Desenvolvimento Orientado ao remanescentes para empreendimentos imoTransporte (TOD do inglês Transit Oriented biliários, permite a modernização do sistema Development) poderia atrair o setor privado elétrico do Metrô, a requalificação de espaços imobiliário a investir nesse negócio, geran- urbanos nobres da cidade, bem como pode se do receitas ao Metrô e à ENEL, ao mesmo configurar em inovadora fonte de geração de tempo que viabilizam a modernização de receitas acessórias, dado que faz o uso inseu sistema elétrico, utilizando uma tecno- teligente dos recursos disponíveis aplicando logia muito mais confiável. conceitos modernos que tem transformado A modernização das subestações com as grandes cidades do mundo. tecnologia GIS permitirá também a economia ao longo do tempo pela redução dos * Paulo Benites é engenheiro eletricista pela custos de manutenção, conforme se verifica Universidade de Mogi das Cruzes, Mestre em nas tabelas 2, 3 e 4. Sistemas de Potência, Escola Politécnica da USP, Em suma, os resultados obtidos com a Doutorando em Sistemas de Potência, Escola compactação das subestações pelo custo Politécnica da USP. Atualmente diretor comercial menor de aquisição de terrenos ou mesmo de Energia e Transportes da TSEA Energia pela geração de receitas acessórias, no caso E-mail: paulo.benites@tseaenergia.com.br de subestações existentes, por si só justi- ** Moisés Ferreira de Souza é engenheiro ficam os investimentos em soluções GIS. eletricista, FEI de São Bernardo do Campo. Além disso, outros estudos demonstram a MBA em Gestão Estratégica de Projetos, Fundação viabilidade da tecnologia mesmo em locais Getúlio Vargas. Mestrando em Sistemas de Potência, onde não há este apelo, uma vez que ao lon- Escola Politécnica da USP. Gerente de Engenharia da TSEA go do ciclo de vida, os custos operacionais Energia. Professor de Tecnologia do Centro Paula Souza menores da solução GIS (da ordem de 30% E-mail: moises.souza@tseaenergia.com.br