metodologia de anÁlise para eficientizaÇÃo...
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METODOLOGIA DE ANÁLISE PARA EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA DAS
INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE UMA USINA DE GERAÇÃO TÉRMICA
Bruno Luiz Riehl
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Elétrica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
Orientador:
Jorge Luiz do Nascimento
Rio de Janeiro/RJ
Março/2015
METODOLOGIA DE ANÁLISE PARA EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA DAS
INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE UMA USINA DE GERAÇÃO TÉRMICA
Bruno Luiz Riehl
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO
DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO
ELETRICISTA.
Examinado por:
.
Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.
.
Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D.
.
Eng. André da Cunha Schmidt
Rio de Janeiro, RJ - BRASIL
Março de 2015
iii
Riehl, Bruno Luiz
Metodologia de análise para eficientização energética das
instalações elétricas de uma usina de geração térmica / Bruno
Luiz Riehl. – Rio de Janeiro/RJ: UFRJ/ Escola Politécnica,
Março/2015.
XI, 84 p. :il. ; 29,7cm.
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Projeto de Graduação – Universidade Federal do Rio de
Janeiro
Departamento de Engenharia Elétrica, Março/2015.
Referências Bibliográficas: p. 81 – 83.
1. Eficiência Energética. 2. Iluminação.
3. Condicionamento de ar. 5. Fator de Potência. 6. Cargas
Motrizes. 7. Análise de Viabilidade Econômica. 8. Termoelétrica.
I. Nascimento, Jorge Luiz do. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III.
Metodologia de análise para eficientização energética das
instalações elétricas de uma usina de geração térmica.
iv
Agradecimentos
Agradeço em primeiro lugar à minha família. Minha mãe Sandra e meus avós
Jorge e Selma (in memorian) que têm me apoiado incondicionalmente e desde sempre
em minha vida. Tudo o que tenho, sei e serei é graças a vocês e essa conquista não é
diferente.
Agradeço a minha namorada Noemi, que me apoiou e compreendeu as ausências
devido às dificuldades e me fez uma pessoa mais feliz nesses anos juntos.
Agradeço ao meu tio Carlos pelas conversas e pelo exemplo que é e ao meu pai,
Gregório, que foi forte incentivador a me manter neste caminho.
Agradeço também aos amigos que tenho, formados desde a adolescência e que
permanecem ao meu lado até hoje e aos amigos que fiz no CEFET-RJ, lugar de grande
contribuição para minha formação.
Meus agradecimentos também vão para os amigos que fiz durante o período da
faculdade e pretendo levar pela vida toda, com destaque para o meu amigo Felipe
Teodoro que a mais de uma década trilha os mesmos caminhos que eu.
Agradeço aos colegas e amigos da Petrobras que contribuíram para a minha
trajetória pessoal e profissional nesses anos de trabalho e faculdade.
Agradeço aos professores da UFRJ, que contribuíram para esta conquista com
destaque para meu professor orientador Jorge Luiz.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
METODOLOGIA DE ANÁLISE PARA EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA DAS
INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE UMA USINA DE GERAÇÃO TÉRMICA
Bruno Luiz Riehl
Março/2015
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Curso: Engenharia Elétrica
Este trabalho reúne conceitos e práticas de melhoria em eficiência energética em
instalações elétricas de forma contextualizada na atual situação nacional do setor. Os
aspectos teóricos de diversas áreas do conhecimento são abordados com o objetivo de
identificar uma metodologia a ser aplicada em um projeto de melhoria de eficiência
energética em uma usina térmica, com posterior avaliação dos resultados.
Palavras-chave: Eficiência Energética, Iluminação, Condicionamento de ar, Fator
de Potência, Cargas Motrizes, Análise de Viabilidade Econômica, Termoelétrica.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
METHODOLOGY ANALYSIS FOR ENERGY EFFICIENCY OF
ELECTRICAL INSTALLATIONS OF A PLANT OF THERMAL PLANT
Bruno Luiz Riehl
March/2015
Advisor: Jorge Luiz do Nascimento
Course: Eletrical Engineering
This work presents concepts and practices of electrical efficiency’s improvement
in electrical installations in a contextualized way on the national sector present situation.
The theoretical aspects of several fields of knowledge are viewed with the purpose of
identifying one methodology to be applied on a project of energetic efficiency’s
improvement in thermal plant, with a later evaluation of the results
Key-words: Energy efficiency, Lighting, Air conditioning, Power factor, Motors,
Analysis of economic viability, Thermal power station.
vii
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - DIAGRAMA DE SISTEMA ENERGÉTICO [2] .......................................................... 4
FIGURA 2 - GRÁFICO IDH VS CONSUMO DE ENERGIA POR PAÍS [4] ................................... 5
FIGURA 3 - FONTES DE REDUÇÃO DE EMISSÕES DE GASES DE EFEITO ESTUFA [5] ..... 6
FIGURA 4 – PROJEÇÃO DO IMPACTO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO CONSUMO.
DADOS DE [6] ...................................................................................................................... 6
FIGURA 5 - ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO COM ÊNFASE PARA A LUZ VISÍVEL .......... 15
FIGURA 6 – FAIXA DE VALORES DE TEMPERATURA DE COR ............................................ 16
FIGURA 7 - CICLO DE REFRIGERAÇÃO [19] ........................................................................... 26
FIGURA 8 - DIAGRAMA DE MOLLIER PARA O CICLO DE REFRIGERAÇÃO [15] ................. 27
FIGURA 9 - TRIÂNGULO DE POTÊNCIAS [22] ......................................................................... 37
FIGURA 10 - CURVA CONJUGADO ROTAÇÃO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
[27] ...................................................................................................................................... 44
FIGURA 11 - CURVAS CONJUGADO X VELOCIDADE, DAS DIFERENTES CATEGORIAS
ABNT [27] ........................................................................................................................... 45
FIGURA 12 - CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO [2] . 46
FIGURA 13 - ECONOMIA DE ENERGIA COM O USO DO INVERSOR [30] ............................ 53
FIGURA 14 - CURVA DE UMA CARGA CENTRÍFUGA COM DOIS PONTOS DE TRABALHO
[15] ...................................................................................................................................... 54
FIGURA 15 - CURVA PRESSÃO X VAZÃO PARA DIVERSAS VELOCIDADES DA BOMBA .. 68
FIGURA 16 - CURVA POTÊNCIA X VAZÃO DA BOMBA PARA VELOCIDADE DE 1200 RPM
............................................................................................................................................ 69
viii
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - COMPARAÇÃO DE PERDAS E DESPERDÍCIO. .................................................... 7
TABELA 2 - INDICADORES ENERGÉTICOS UTILIZADOS PELA EPE ................................... 10
TABELA 3 - GRAU DE PROTEÇÃO ........................................................................................... 48
TABELA 4 - VANTAGENS E DESVANTAGENS DO MOTOR DE ALTO RENDIMENTO ......... 51
TABELA 5 - CRITÉRIOS GERAIS PARA USO DE CONTROLADORES DE VELOCIDADE .... 55
TABELA 6 - QUANTITATIVO DE CARGA EM ILUMINAÇÃO .................................................... 61
TABELA 7 - QUANTITATIVO DE CARGA EM CONDICIONAMENTO AMBIENTAL ................. 62
TABELA 8 - QUANTITATIVO DE CARGAS MOTRIZES ............................................................ 63
TABELA 9 - COMPARATIVO ENTRE MODELOS T10 E T8 ..................................................... 64
TABELA 10 - COMPARATIVO MODELOS T10 E T5 ................................................................. 64
TABELA 11 - COMPARATIVO MODELO MISTA E A VAPOR METÁLICO ............................... 65
TABELA 12 - COMPARATIVO ENTRE MODELOS TIPO JANELA E SPLIT ............................. 66
TABELA 13 - COMPARATIVO ENTRE MODELOS TIPO SELF-CONTAINED E SPLIT (36000)
............................................................................................................................................ 66
TABELA 14 - COMPARATIVO ENTRE MODELOS TIPO SELF-CONTAINED E SPLIT (60000)
............................................................................................................................................ 66
TABELA 15 - COMPARATIVO ENTRE OS MÉTODOS DE CONTROLE .................................. 69
TABELA 16 – RESULTADO ENERGÉTICO PARA A SOLUÇÃO POR MODELO T8 ............... 72
TABELA 17 - RESULTADO ECONÔMICO DA SOLUÇÃO POR MODELO T8 ......................... 72
TABELA 18 - RESULTADO ENERGÉTICO PARA A SOLUÇÃO POR MODELO T5 ................ 72
TABELA 19 - RESULTADO ECONÔMICO PARA A SOLUÇÃO POR MODELO T5 ................. 73
TABELA 20 - RESULTADO ENERGÉTICO PARA A SOLUÇÃO POR MODELO A VAPOR
METÁLICO ......................................................................................................................... 73
TABELA 21 - RESULTADO ECONÔMICO PARA A SOLUÇÃO POR MODELO A VAPOR
METÁLICO ......................................................................................................................... 73
TABELA 22 - RESULTADO ENERGÉTICO PARA A SUBSTITUIÇÃO POR MODELO SPLIT . 74
TABELA 23 - RESULTADO ECONÔMICO PARA A SUBSTITUIÇÃO POR MODELO SPLIT .. 74
TABELA 24 - RESULTADO ENERGÉTICO PARA A SUBSTITUIÇÃO POR MODELO SPLIT . 74
TABELA 25 - RESULTADO ECONÔMICO PARA A SUBSTITUIÇÃO POR MODELO SPLIT .. 74
TABELA 26 - RESULTADO ENERGÉTICO PARA A SUBSTITUIÇÃO POR MODELO SPLIT . 75
TABELA 27 - RESULTADO ECONÔMICO PARA A SUBSTITUIÇÃO POR MODELO SPLIT .. 75
TABELA 28 - RESULTADO ENERGÉTICO PARA USO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA... 76
TABELA 29 - RESULTADO ECONÔMICO PARA USO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA .... 76
TABELA 30 - COMPARATIVO ENTRE AS PROPOSTAS T5 E T8 COM TEMPO DE
PROJEÇÃO DE OITO ANOS ............................................................................................. 77
TABELA 31 - RESULTADOS COM TEMPO DE PROJEÇÃO DE OITO ANOS PARA A
PROPOSTA DE VAPOR METÁLICO................................................................................. 77
TABELA 32 - SOMATÓRIOS DOS RESULTADOS DAS PROPOSTAS .................................... 78
ix
Lista de abreviaturas
EPE – Empresa de Pesquisa Energética
MME – Ministério de Minas e Energia
PNE – Plano Nacional de Energia
INMETRO – Instituto Brasileiro de Metrologia, Normalização e Qualidade.
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
ANP – Agência Nacional do Petróleo
SIN – Sistema Interligado Nacional
ONS – Operador Nacional do Sistema
AT – Alta Tensão
BT – Baixa Tensão
UTE – Unidade Termoelétrica de Energia
CCM – Centro de Comando de Motores
VPL – Valor Presente Líquido
TIR – Taxa Interna de Retorno
x
SUMÁRIO
1 Introdução.................................................................................................................. 1
1.1 Motivação .......................................................................................................... 1
1.2 Objetivo ............................................................................................................. 2
1.3 Organização ....................................................................................................... 2
2 Eficiência energética ................................................................................................. 3
2.1 Energia ............................................................................................................... 3
2.2 Energia e sociedade ........................................................................................... 4
2.3 Eficiência energética .......................................................................................... 7
2.4 Planejamento e indicadores de eficiência energética ......................................... 8
2.4.1 Planejamento .............................................................................................. 8
2.4.2 Índices de eficiência energética .................................................................. 9
3 Eficiência energética no brasil ................................................................................ 11
3.1 Histórico das ações para promoção da eficiência energética no Brasil ........... 11
3.2 Atual situação da eficiência energética no Brasil ............................................ 13
4 Áreas do conhecimento ........................................................................................... 14
4.1 Iluminação ....................................................................................................... 14
4.1.1 Conceitos e grandezas .............................................................................. 15
4.1.2 Lâmpadas .................................................................................................. 16
4.1.3 Luminárias ................................................................................................ 19
4.1.4 Equipamentos auxiliares ........................................................................... 20
4.1.5 Elementos de influência na eficiência energética ..................................... 21
4.1.6 Propostas de melhoria de eficiência energética ........................................ 22
4.2 Sistemas de condicionamento térmico ............................................................. 23
4.2.1 Diferenciação de sistemas ........................................................................ 23
4.2.2 Conceitos e grandezas .............................................................................. 24
4.2.3 Tipos de sistemas, arranjos e equipamentos ............................................. 30
4.2.4 Elementos de influência na eficiência energética ..................................... 33
4.2.5 Propostas de melhoria de eficiência energética ........................................ 34
4.3 Fator de Potência ............................................................................................. 36
4.3.1 Definição .................................................................................................. 36
4.3.2 Consequências do baixo fator de potência ............................................... 37
4.3.3 Vantagens da correção do fator de potência ............................................. 37
4.3.4 Principais causas do baixo fator de potência ............................................ 38
4.3.5 Métodos de correção de fator de potência ................................................ 38
4.4 Motores Elétricos ............................................................................................. 40
4.4.1 Conceitos e grandezas .............................................................................. 41
xi
4.4.2 Elementos de influência na eficiência energética ..................................... 47
4.4.3 Propostas de melhoria de eficiência energética ........................................ 50
4.5 Circuitos e componentes das instalações ......................................................... 55
4.5.1 Influência da rede elétrica......................................................................... 55
4.5.2 Elementos de influência na eficiência energética e propostas de melhoria
56
5 Estudo de caso ......................................................................................................... 60
5.1 Descrição da unidade ....................................................................................... 60
5.2 Metodologia ..................................................................................................... 60
5.3 Levantamento de cargas ................................................................................... 61
5.3.1 Sistema de iluminação .............................................................................. 61
5.3.2 Sistema de condicionamento ambiental ................................................... 62
5.3.3 Sistema motriz .......................................................................................... 62
5.4 Análise dos sistemas e propostas de melhoria ................................................. 63
5.4.1 Iluminação ................................................................................................ 63
5.4.2 Condicionamento ambiental ..................................................................... 65
5.4.3 Correção de fator de potência ................................................................... 66
5.4.4 Cargas motrizes ........................................................................................ 66
5.4.5 Circuitos e componentes das instalações .................................................. 69
5.5 Viabilidade técnico-econômica das propostas ................................................. 69
5.5.1 Considerações ........................................................................................... 71
5.5.2 Iluminação ................................................................................................ 71
5.5.3 Condicionamento Ambiental .................................................................... 73
5.5.4 Motores ..................................................................................................... 75
5.6 Análise e resultado global ................................................................................ 76
5.6.1 Ajuste de tempo de projeção .................................................................... 76
5.6.2 Análise de resultados ................................................................................ 77
6 Conclusão ................................................................................................................ 79
7 Bibliografia.............................................................................................................. 81
Anexo A – Orçamento .................................................................................................... 84
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 Motivação
O setor energético como um todo tem ficado cada vez mais em evidência em
todos os aspectos da sociedade devido às mudanças que se apresentam no setor. Os
choques do petróleo da década de 70 se transformaram no início de uma crise energética
pelo lado da oferta, o que ocasionou o aumento do preço dos combustíveis fósseis no
mercado mundial. Devido a novos fatores, a crise energética manteve-se em uma
crescente com o passar dos anos e atualmente não se deve apenas a aspectos
econômicos. Há uma maior preocupação com fatores ambientais e geopolíticos [1] e [2].
O impacto ambiental pode ser local ou global. No primeiro caso estão
fenômenos como a poluição do ar, das cidades, dos lençóis freáticos e do mar, todas em
nível de região. Já a questão global é a do aquecimento do planeta, o qual se supõe ser
causado pela emissão de gases de efeito estufa, o que coloca em cheque principalmente
os combustíveis fósseis, havendo a necessidade de obtenção de novas fontes de energia,
as ditas fontes alternativas [2].
Concomitante ao exposto, a demanda energética mundial tende a aumentar com
o aumento das economias dos países e da qualidade de vida das pessoas. Em países
subdesenvolvidos e principalmente em desenvolvimento a melhoria de condições de
vida é fator considerável no aumento de consumo de energia, sobretudo a energia
elétrica [3].
No caso brasileiro, há uma tendência no aumento do consumo de energia. Em
um cenário moderado de aumento da atividade econômica e mundial previsto pela EPE,
através do PNE 2030 [1], prevê um aumento de 3,5 % ao ano no consumo de energia até
o ano de 2030, sendo que nesse cenário, o aumento de consumo de energia elétrica
ficaria em um patamar de 4 %. A crise energética nacional de 2001 e a crise econômica
mundial de 2008 impactaram significantemente no cenário energético. Na crise
energética de 2001 houve racionamento de energia, já na crise econômica mundial,
ocorreu uma mudança no foco econômico, onde o setor produtivo teve de procurar
maior competitividade, inclusive no uso energético.
As soluções para o problema energético são variadas, porém a principal e
unânime medida é o aumento da eficiência energética em todos os setores de consumo.
De acordo com o PNE, estima-se que com o aumento da eficiência energética, haja uma
diminuição do consumo de 4,0 a 15,5 GW médios dependendo do cenário analisado.
2
Ainda segundo o documento, pode-se poupar cerca de duas vezes a capacidade instalada
de geração da usina hidrelétrica de Itaipu no melhor cenário. Somente o setor industrial
representa 48 % do consumo de energia do Brasil e tem um potencial de eficiência
energética economicamente viável de 10 % da energia atual [1].
1.2 Objetivo
O objetivo deste trabalho é identificar uma metodologia aplicada para a melhoria
da eficiência energética em unidades industriais através da utilização de conceitos,
conhecimentos teóricos, parâmetros técnicos e práticas referentes à engenharia elétrica e
áreas correlatas. Pretende-se pesquisar técnicas consolidadas para redução do consumo
de energia elétrica, construir uma sequência metodológica e aplicá-la em um caso base
para exemplificar e avaliar o processo em estudo.
O foco do trabalho é a melhoria da qualidade do consumo com viabilidade
econômica. Ou seja, a redução das perdas e das demandas de energia para o
atendimento das atividades fim de uma indústria, sem a perda de sua produção, sem
deteriorar seus produtos e estabelecendo demandas econômicas (custos) com curto
tempo de retorno de pagamento.
1.3 Organização
O trabalho está estruturado em seis capítulos, incluindo a introdução. O segundo
capítulo abordará os aspectos teóricos da eficiência energética. O terceiro capítulo
contextualiza o setor de eficiência energética na realidade brasileira, mostrando um
histórico de medidas e uma análise da atual situação do setor. O quarto capítulo
apresenta os aspectos teóricos de áreas do conhecimento relacionadas diretamente à
eficiência energética em energia elétrica, reunindo também propostas tecnológicas para
o aumento da eficiência energética. O quinto capítulo apresenta o estudo de caso no
qual, através do uso de ferramentas de análise financeira e do levantamento e
classificação de cargas elétricas, mostra-se a aplicação da metodologia a uma unidade
industrial. O sexto capítulo é a conclusão do trabalho.
3
2 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
2.1 Energia
O uso da energia tornou-se fator preponderante na evolução da sociedade a partir
da revolução industrial, onde através do uso de fontes energéticas diversas pôde-se
aumentar a produtividade de um modo nunca visto até o momento. Tal incremento
tecnológico gerou uma série de consequências na forma com a qual o homem lida com a
natureza, fazendo um uso cada vez mais intensivo de seus recursos.
A utilização da energia consiste na conversão de um tipo de energia em outro e
na utilização desta energia através de uma nova conversão em algum tipo de atividade
controlada. Divide-se o processo como um todo em três tipos de energia: a primária,
secundária e útil. A energia primária, que é fornecida diretamente pela natureza e tem
como exemplos: a energia hidráulica, o petróleo, o carvão, o gás e a lenha. Já a energia
secundária, é aquela resultante do processo de conversão a fim de que a densidade
energética, o armazenamento e o transporte sejam mais adequados ao uso. Este grupo
engloba as formas de energia: eletricidade, derivados do petróleo, álcool, carvão
vegetal, energia térmica, entre outros. Por fim, há a energia útil, que é a energia
solicitada para o uso podendo ser citados como exemplo: a iluminação, a potência
mecânica e o calor de alta ou baixa temperatura [2].
A Figura 1 exibe um diagrama de fluxo energético. Dois exemplos distintos do
que se expõe do diagrama são: um fogão e um sistema elétrico. No fogão, a energia
primária é transformada diretamente em energia útil, já que a proposta do fogão é
utilizar o calor e, nesse caso, não há a utilização de energia secundária. No segundo
exemplo, a energia gerada em centrais elétricas pode ser de origem: hidráulica, eólica,
solar, térmica, entre outras. Diferentemente das demais fontes citadas, a energia térmica
é uma energia secundária resultante da transformação de uma energia primária, como a
de combustíveis fósseis, bagaço de cana ou nuclear. Ou seja: nesse caso há a
transformação da energia primária em uma energia secundária (térmica através do
vapor) e esta é novamente adequada a um novo tipo de energia secundária (elétrica). A
energia elétrica é amplamente utilizada devido a sua facilidade na transmissão,
segurança na utilização e ampla facilidade na transformação desta em outros tipos de
energia. A energia útil pode ser exemplificada pelo giro de um motor, aquecimento,
resfriamento ou iluminação.
4
Figura 1 - Diagrama de sistema energético [2]
2.2 Energia e sociedade
A relação de uso e consumo de energia tornou-se fator crucial na
competitividade e na viabilidade de diversos ramos de atividade econômica. Se por um
lado o ganho energético é evidente, há de se analisar a viabilidade econômica do
investimento a ser realizado, bem como um contexto geral, já que as questões sociais e
ambientais também têm forte relevância no que concerne a novos investimentos.
Investir em eficiência energética possibilita que se poupem recursos que podem
ser investidos em outros setores da sociedade, algo especialmente importante em países
em desenvolvimento como o Brasil, onde há importantes setores da sociedade ainda
carentes de investimentos [2], [3] e [4]. A Figura 2 expressa a relação entre o consumo
energético per capta e o IDH. Os países colocados em azul tem IDH superior a 0,9, os
países colocados em vermelho possuem IDH superior a 0,8 e os países colocados em
verde possuem IDH inferior a 0,8. Nota-se forte relação entre ambas as grandezas,
sendo que em aproximadamente 3000 kgoe/pessoa (quilograma de óleo equivalente por
pessoa) há uma saturação e o consumo não se faz mais como fator de incremento na
qualidade de vida [3] e [4].
Na questão ambiental, há o problema da emissão de gases de efeito estufa,
sobretudo o CO2, e a poluição do meio ambiente em si, sendo a intensidade e a natureza
do impacto de ambos dependentes do tipo de energia primária que será utilizada.
Contudo, independente da matriz energética, o problema se mantém, já que toda
intervenção do homem no meio ambiente gera impacto ambiental, que no caso do setor
energético é de grandes proporções devido à alta demanda [2].
5
Figura 2 - Gráfico IDH vs Consumo de Energia por país [4]
A Figura 3 exibe as projeções de redução de emissão de CO2 comparativamente
ao cenário de políticas energéticas de 2011, portanto atual, e ao Cenário 450, uma
estimativa de consumo focado na redução das emissões ao ponto de atingir a meta de
450 ppm de dióxido de carbono na atmosfera com o objetivo de redução do
aquecimento global anual. O cenário 450 prevê que medidas para a redução de emissões
sejam tomadas a partir de agora e demonstra os reflexos das mesmas nas emissões
futuras até 2035. Dentre as medidas para a solução do problema, encontram-se:
eficiência a energética, uso de energia renovável, biocombustíveis, nuclear e captura e
armazenamento de carbono (CCS). De acordo com o gráfico, pode-se perceber que o
impacto da eficiência energética é o que trás os resultados de forma mais rápida e em
maior volume, isto acontece porque num primeiro momento são exploradas as ações de
menor custo e, após este período, as opções de melhoria do desempenho energético se
tornam mais custosas. No entanto, a eficiência energética continuará sendo a fonte mais
importante para o abatimento de emissões de gases de efeito estufa.
6
Figura 3 - Fontes de redução de emissões de gases de efeito estufa [5]
Por fim, na Figura 4 apresenta-se o impacto da eficiência energética na
diminuição de demanda energética no Brasil até 2030. Este cenário analisado pelo
MME no Plano Nacional de Eficiência Energética em [6], demonstra a estimativa de
consumo energético com as políticas de estímulo à conservação de energia (consumo
final) e sem os mesmos (consumo base) e exemplifica o que foi exposto acima no que
consta a investimentos e competitividade, além de possível ganho socioambiental.
Ainda de acordo com os dados do Plano Nacional de Eficiência Energética em [6], o
setor industrial responde por 39 % da economia de energia, sendo o setor com maior
potencial de economia de energia.
Figura 4 – Projeção do impacto da eficiência energética no consumo. Dados de [6]
0
200000
400000
600000
800000
1000000
20
09
20
10
20
11
20
12
20
13
20
14
20
15
20
16
20
17
20
18
20
19
20
20
20
21
20
22
20
23
20
24
20
25
20
26
20
27
20
28
20
29
20
30
Projeção de Consumo de Energia
Elétrica Anual no Brasil
Consumo Base GWh Consumo Final GWh
7
2.3 Eficiência energética
Segundo a EPE nas notas técnicas: DEA 16/12 – avaliação de eficiência
energética para os próximos 10 anos e DEA 14/10 - Avaliação da Eficiência energética
na indústria e nas residências no horizonte decenal [7] e [8], eficiência energética é a
relação da quantidade de energia utilizada para uma determinada atividade e a energia
disponibilizada para aquele fim. Quanto mais eficiente um sistema, menor a quantidade
de energia demandada pelo mesmo para a realização de uma mesma atividade. Portanto,
quando há aumento na eficiência energética de um sistema, equipamento ou processo,
há redução no uso de energia. A inserção de melhorias nos sistemas com o fim de
demandar menos energia aumenta a eficiência energética do mesmo [2].
Neste contexto, há uma diferença entre perda e desperdício. Ambos os termos
influenciam na eficiência energética de um sistema ou equipamento, porém a
capacidade de atuação em ambas é diferente. Enquanto que as perdas de um
equipamento ou processo são de atuação limitada e de alta dependência da tecnologia, o
desperdício é algo que pode ser totalmente eliminado apenas com mudanças de hábitos
ou procedimentos. A Tabela 1 mostra um comparativo de características de ambos,
sendo que se supôs redução de consumo sem mudança na atividade fim [9].
O esforço para a redução de consumo é influenciado por ambos, mas a
abordagem é totalmente diferente. Apesar do esforço com a redução de perdas ser mais
trabalhoso e custoso, a redução do desperdício é de difícil aplicação, pois necessita de
uma abrangência maior na padronização dos hábitos e procedimentos. O desperdício é
evidente em qualquer sistema ou equipamento ligado sem que o seu uso seja necessário.
Tabela 1 - Comparação de Perdas e Desperdício.
Perdas Desperdício
Não pode ser totalmente eliminada, mas
reduzida através do uso de recursos
tecnológicos.
Pode ser eliminado totalmente com
mudanças de comportamento e
adequação de procedimentos
Sua redução depende de projetos
economicamente viáveis de eficiência
energética
A eliminação não depende só de
recursos tecnológicos ou avaliação
econômica
Não pode ser reduzida de imediato Pode ser reduzida e até eliminada de
imediato
8
Exemplos de desperdício são: um trocador de calor com entupimento, um
ventilador ligado sem necessidade, sistemas de iluminação ligados durante o dia, ou até
todo o sistema auxiliar ligado sem que seja necessário. Quanto às perdas, os mesmos
exemplos podem ser utilizados, porém com outro viés. No caso do trocador de calor,
deve haver a preocupação: do rendimento do motor e seu acionamento, analisar se o
trocador de calor em si está eficiente, se a bomba está corretamente dimensionada. Para
o caso da iluminação, há de se analisar o projeto de iluminação e se não há alternativa
tecnológica ao sistema de iluminação instalado.
2.4 Planejamento e indicadores de eficiência energética
Nos estudos de eficiência energética são levados em consideração os ganhos de
economia de energia total, ou seja, a energia conservada através do ganho que o
aumento de eficiência energética proporciona, afinal, este é o grande objetivo de tornar
os sistemas mais eficientes. Os relatórios de órgãos do governo, citados na bibliografia
deste trabalho, utilizam-se de duas principais ferramentas: o planejamento e os índices.
2.4.1 Planejamento
A Figura 4, mostra o impacto da eficiência energética no consumo de energia
elétrica ao longo do tempo. Há dois tipos de abordagens principais no que concerne aos
estudos de planejamento em eficiência energética, o progresso autônomo ou tendencial
e o progresso induzido.
2.4.1.1 Progresso tendencial
É a intervenção tendencial dos diversos setores em busca de uma diminuição de
consumo energético. Esta se dá através de reposição tecnológica, melhorias dadas pelo
efeito de programas e ações já implementados no país ou ainda pela otimização de
processos internos, ou seja, o que é atualmente viável economicamente e onde o agente
consumidor se sente seguro ao assumir o risco do investimento.
Este progresso é relacionado ao avanço tecnológico na busca pela obtenção de
preços mais acessíveis, viabilizando a melhoria de eficiência.
2.4.1.2 O progresso induzido
É o progresso que precisa de fomento por órgãos do governo para que a
percepção de risco ou a viabilidade econômica torne-se mais atrativa para o
9
investimento. O incentivo pode ser de caráter técnico, econômico ou comportamental e
também voltado a setores específicos, o que faz com que a viabilidade técnica de uma
ação ou prática também se torne economicamente viável e seja bem aceita pelo mercado
[6] e [7].
Como exemplos, têm-se: a aplicação de subsídios na compra de determinados
equipamentos que têm eficiência energética maior, elaboração de normas e
regulamentos alinhados com a conservação de energia, programas de incentivo ao
crédito de projetos mais eficientes, elaboração de metas para aumento progressivo do
rendimento de equipamentos, entre outros.
Este tipo de progresso é intimamente ligado às políticas públicas
governamentais, sendo fator preponderante na velocidade com que o aumento de
eficiência energética é alcançado.
2.4.2 Índices de eficiência energética
Segundo a EPE na nota técnica: DEA 16/12 – avaliação de eficiência energética
para os próximos 10 anos em [7] e no relatório comitê de monitoramento de eficiência
energética europeu em [10], a utilização de indicadores de eficiência energética permite:
Monitorar o progresso de eficiência energética na economia e em setores
específicos;
Avaliar o impacto de políticas e programas voltados para eficiência energética,
inclusive justificando a manutenção ou a interrupção de determinadas ações;
Planejar novas abordagens e políticas, incluindo programas de pesquisa e
desenvolvimento;
Melhorar as previsões e o planejamento a partir da melhoria nos parâmetros e
dados de entrada em modelos;
Criar indicadores confiáveis para comparativo entre setores, regiões e países.
Visto o exposto, a EPE e o MME utilizaram os indicadores que são aqui
reproduzidos na Tabela 2 [1], [6], [7] e [8].
Pode-se notar que o foco destes índices não objetiva o consumidor final, com
exceção da fabricação de novos equipamentos. Uma abordagem mais voltada para o
consumidor final aumentaria a inserção deste agente no âmbito geral de eficiência
energética, fazendo com que os índices passassem a fazer parte da realidade do
consumidor final.
10
Tabela 2 - Indicadores energéticos utilizados pela EPE
Indicador Expressão Unidade
Consumo final per
capita
Consumo final de
eletricidade por
habitante
kWh/hab
Consumo final por
domicílio
Consumo final de
eletricidade por
domicílio
kWh/dom
Intensidade energética
Consumo final de
energia por unidade de
valor adicionado
MWh/R$
Consumo específico
Consumo final de
energia por unidade
física de produto
MWh/t
tep/t
11
3 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO BRASIL
O Brasil, da mesma forma que o resto do mundo, começou a repensar sua
política energética a partir das crises do petróleo de 1973 e 1979. Tal fato gerou um
aumento de custos que estimulou o investimento em eficiência, prática que se tornou
uma das soluções para o problema. Na década de 80 houve certa estabilidade no preço
do petróleo, contudo, as preocupações ambientais focadas em emissões de gases estufa
fizeram com que houvesse um novo impulso no sentido de retornar a importância à
eficiência energética. Para a criação de um contexto histórico, este capítulo trará um
resumo das leis e principais iniciativas de eficiência energética em ordem cronológica e
apresentará um paradigma da atual situação do setor no Brasil [1] e [6].
3.1 Histórico das ações para promoção da eficiência energética no Brasil
PROÁLCOOL – Programa Nacional do Álcool (1975) – Foi um programa
desenvolvido frente ao aumento do preço do petróleo no mercado internacional.
Consistia na substituição em larga escala dos combustíveis derivados do petróleo,
sobretudo a gasolina, por álcool feito a partir de cana-de-açúcar [1].
Programa CONSERVE (1981) – baseava-se na promoção da conservação de
energia na indústria, ao desenvolvimento de produtos e processos energeticamente
mais eficientes, e ao estímulo à substituição de energéticos importados por fontes
alternativas nacionais. O programa foi desenvolvido em um contexto de baixo
crescimento econômico do país e a consequente sobra de energia elétrica de matriz
hidráulica, criando uma janela de oportunidade de substituição da utilização do óleo
combustível importado pela energia elétrica para a geração de calor nas indústrias,
a eletrotermia [6] e [11].
PME – Programa de Mobilização Energética (1982) – trazia medidas no intuito
de ações de conservação de energia e substituição de derivados do petróleo por
combustíveis alternativos nacionais [6] e [11].
Programa de Conservação de Energia Elétrica em Eletrodomésticos (1984) –
programa criado pelo Inmetro, objetivando a redução do consumo de energia por
parte de aparelhos eletrodomésticos. Foi o percursor do atual PBE – Programa
Brasileiro de Etiquetagem, criado em 1992 e que manteve suas diretrizes, apenas
sendo adicionadas questões no que toca a segurança e eficiência energética [6] e
[11].
12
PROCEL – Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (1985) –
criado com o objetivo de definir estratégias integradas visando à conservação de
energia no país. Dentre as ações estão: promoção da eficiência energética e a
conscientização no uso responsável de energia, através de material técnico e
campanhas. É ligado à Eletrobras [6] e [11].
Lei das CICE - Comissão Interna de Conservação de Energia (1990) – Cria
comissões com o objetivo de reduzir o desperdício no setor público. As CICEs só
são criadas em instalações com consumo de energia elevado e acompanham as
metas do Programa de Conservação de Energia [6] e [11].
CONPET – Programa Nacional da Racionalização do Uso dos Derivados do
Petróleo e do Gás Natural (1991) – Programa de mesma natureza do PROCEL, mas
voltado para petróleo, derivados e gás natural. Neste decreto, as competências do
PROCEL são revistas. É ligado à Petrobras [6] e [11].
Lei no 9.478 (1997) – Estabelece os princípios da Política Energética Nacional
incluindo as recém criadas agências reguladoras do setor (ANEEL E ANP) como
agentes de atuação e suporte técnico ao CNPE - Conselho Nacional de Política
Energética, cuja competência é, entre outras: “Promover o aproveitamento racional
dos recursos energéticos do País” [6] e [11].
Lei no 9.991 (2000) – Prevê a realização de investimentos no montante de 0,5 %
da receita operacional líquida em pesquisa e desenvolvimento e em eficiência
energética por parte das empresas concessionárias, permissionárias e autorizadas do
setor de energia elétrica [6] e [11].
Lei no 10.295 (2001) – Conhecida como Lei de Eficiência Energética, a lei
estabelece a política nacional de conservação e uso racional da energia. Estabelece,
através do poder executivo, níveis máximos de consumo específico de energia e
níveis mínimos de eficiência energética para equipamentos diversos. A lei prevê
uma evolução nos níveis por meio de metas. O CGIEE – Comitê Gestor de
Indicadores e Níveis de Eficiência Energética é criado a partir de decreto do mesmo
ano, sendo responsabilidade deste comitê o estabelecimento de metas, plano de
trabalho e detalhes técnicos para que os níveis estipulados pela lei sejam alcançados
[6] e [11].
PROESCO – Apoio a Projetos de Eficiência Energética (2006) – apoio
financeiro a programas que comprovadamente contribuam para a economia de
13
energia, aumentem a eficiência global do sistema energético ou promovam a
substituição de combustíveis fósseis por fontes renováveis [12].
3.2 Atual situação da eficiência energética no Brasil
Segundo reportagem do Brasil Econômico [13], em uma lista elaborada pelo
American Council for an Energy-Efficient Economy (ACEEE), o Brasil ocupa a
penúltima posição num ranking de eficiência energética composto pelas maiores
economias do mundo. Entre 16 ranqueados, o país ficou em 15o lugar, ficando na frente
apenas do México. A avaliação é distribuída em quatro setores, entre eles: esforços
nacionais de eficiência energética, construções, indústria e transporte. Destes, os setores
mais bem avaliados são o de construção e o de transporte. Por outro lado, os setores
com menor pontuação são o industrial e o de esforço nacional.
Segundo relatório do CNI junto ao PROCEL [14], o setor industrial brasileiro é
atrasado em termos de eficiência energética, já que não é prioritário no segmento.
Apesar da existência do fundo de eficiência energética, previsto na Lei no 9.991 e citado
no item 3.1, de 2 a 3 % destes recursos vão para a indústria, apesar de este setor
representar mais de 40 % do consumo no país. Comparativamente ao exterior, os
governos estimulam diretamente as ações de eficiência energética através de
financiamento, renúncia fiscal, treinamento e disponibilização de material técnico de
qualidade.
Nesse contexto, o Brasil perde competitividade na área industrial e nas políticas
de eficiência energética. Há a necessidade de melhor alocação de recursos e maior
prioridade nos programas brasileiros já existentes como o CONPET, PROCEL e PBE,
todos considerados de qualidade internacional, mas ainda de pouca abrangência em
termos de equipamentos e material técnico.
14
4 ÁREAS DO CONHECIMENTO
Há diversos fatores de influência que diminuem a eficiência energética de
equipamentos e sistemas elétricos. É importante que se tenha uma base teórica acerca
das perdas e dos vários elementos que compõem o decréscimo de eficiência em cada
sistema ou equipamento, pois de posse desse conhecimento, pode-se pensar em
estratégias de melhorias e soluções em busca do menor uso energético. Dentre as
diversas áreas do conhecimento em que podem ser aplicadas soluções de eficiência
energética, destacam-se:
Iluminação
Sistemas de condicionamento térmico
Fator de potência
Motores elétricos
Circuitos e componentes das instalações
4.1 Iluminação
A iluminação foi uma das áreas pioneiras da energia elétrica, fazendo com que o
setor se expandisse de forma exponencial desde o advento da lâmpada incandescente.
Atualmente, há diversos tipos de lâmpadas e soluções para iluminação, bem como
aplicações variadas para tal. Nota-se que o setor é um dos que mais tem aumento de
eficiência energética dentre as aplicações de energia.
Estima-se que a iluminação artificial seja responsável por 17 % do consumo de
energia elétrica do Brasil. Destes, 14 % são relativos ao consumo do setor residencial,
43 % do setor comercial, 32 % no setor público e 7,5 % do setor industrial [1]. Contudo,
a iluminação eficiente ainda é deficitária no país, havendo a necessidade da atualização
e readequação dos sistemas de iluminação em todas as abrangências do sistema elétrico
brasileiro [2].
Para um projeto adequado para melhoria de eficiência energética em um sistema
de iluminação, o estudo das grandezas físicas e fatores envolvidos devem ser levados
em consideração para argumentação técnica do projeto.
A luminotécnica é a área de estudo que propõe soluções de iluminação para
ambientes internos e externos de acordo com as necessidades da tarefa a ser realizada no
mesmo. Para tal, a luminotécnica utiliza-se da escolha adequada dos artifícios
15
tecnológicos que devem ser utilizados para um iluminamento adequado às
características do ambiente.
4.1.1 Conceitos e grandezas
4.1.1.1 Luz
A luz é a radiação eletromagnética a qual o ser humano tem a sensação visual de
claridade através de um estímulo da retina por esta radiação. A luz é uma faixa do
espectro de onda eletromagnética, situado entre os comprimentos de onda de 380 a 780
nm. A Figura 5 apresenta o espectro com destaque para a luz visível, percebe-se que
cada comprimento de onda ou frequência corresponde a uma determinada cor. As cores
representam a sensação para cada frequência de luz e à frequência de aproximadamente
555 nm temos nossa maior sensibilidade à luz.
4.1.1.2 Fluxo luminoso
É a quantidade de luz produzida pela lâmpada a qual o olho humano percebe. A
unidade é o lúmen (lm) e é largamente utilizado para quantificar a quantidade de luz que
as diversas lâmpadas emitem. A eficiência de uma lâmpada é dada pela relação lm/W
que mostra a relação entre o fluxo luminoso produzido por potência elétrica da lâmpada.
Figura 5 - Espectro Eletromagnético com ênfase para a luz visível
4.1.1.3 Iluminância
A iluminância é a densidade de fluxo luminoso, dada uma superfície iluminada,
ou seja, é a relação entre o fluxo luminoso e a superfície que o recebe. A unidade
16
fundamental desta grandeza é o iluminamento, cuja unidade é o lux (lm/m²). A
iluminância calculada para uma determinada área é uma média do fluxo luminoso, pois
este não se distribui uniformemente sobre uma superfície. A iluminância é a principal
grandeza utilizada para a verificação da luminosidade adequada de um ambiente de
acordo com suas características de utilização [15] e [16].
4.1.1.4 Temperatura de cor
Grandeza que expressa a aparência de cor da luz. O padrão para esta grandeza
relaciona-se ao corpo negro de Planck, através da emissão de luz deste quando da
elevação de sua temperatura. A cor emitida pelas lâmpadas é relacionada à cor que o
corpo negro emite quando aquecido a uma temperatura em Kelvin. A unidade da
grandeza é o Kelvin e quanto mais baixa for a temperatura de cor, mais amarelada é a
cor da luz, por outro lado, quanto mais alta a temperatura, mais branca é a luz [2].
Figura 6 – Faixa de valores de temperatura de cor
4.1.1.5 IRC – índice de reprodução de cor
É um índice utilizado para medir o grau de fidelidade de cor de uma fonte
luminosa. Consiste na comparação da reprodução de cor de uma fonte luminosa com
outra de referência e de mesma temperatura de cor. É um índice qualitativo de
comparação relativa entre fontes, sendo uma de referência. O índice vai de 0 a 100,
sendo que quanto maior o valor, menor a distorção entre as cores dos objetos
iluminados [15].
4.1.2 Lâmpadas
Atualmente, quase que a totalidade das fontes luminosas artificiais utiliza-se da
energia elétrica como fonte de energia. As lâmpadas se dividem em três grupos
principais: as incandescentes, as de descarga e as que se utilizam de semicondutores. Os
parâmetros que mais influenciam na eficiência energética nas lâmpadas são a vida útil
das mesmas e a eficiência luminosa.
17
4.1.2.1 Lâmpadas incandescentes
O principio básico de funcionamento desse tipo de lâmpada é a passagem de
corrente por um elemento de tungstênio, onde, através do efeito Joule, o filamento se
aquece gerando calor e emitindo luz. O bulbo de vidro é um invólucro com a finalidade
de proteger o filamento metálico e é preenchido com gases inertes ou halogêneos [17].
4.1.2.1.1 Lâmpadas incandescentes tradicionais
Apresenta temperatura de cor de 2700 K e o IRC é 100, ou seja, tem uma
qualidade excelente de iluminação. A vida útil deste tipo de lâmpada é de
aproximadamente 1.000 horas e possui uma eficiência luminosa média de 13lm/W.
Devido à baixa eficiência luminosa e vida útil, a lâmpada incandescente comum terá sua
comercialização encerrada no Brasil a partir de 2017. Esta medida visa incentivar a
eficiência energética, devido à difusão deste tipo de lâmpada em uso residencial [18].
4.1.2.1.2 Lâmpadas incandescentes halogêneas
A lâmpada halogênea tem similaridades com a lâmpada incandescente comum,
porém o elemento que preenche o bulbo é um gás halogêneo, fazendo com que o
filamento seja protegido por regeneração. Por consequência, a vida útil média desse tipo
de lâmpada é de 2.000 horas e a eficiência luminosa é de 20 lm/W. O IRC é alto,
possuindo excelente reprodução de cores e devido à lâmpada trabalhar com níveis de
tensão elétrica diferentes, pode haver a necessidade de equipamentos auxiliares para
adequação da tensão de alimentação à tensão nominal da lâmpada. É muito utilizada em
decorações e em aplicações de necessidade de exposição [17].
4.1.2.2 Lâmpadas de descarga
O princípio básico geral é a passagem de corrente elétrica através de um gás,
mistura de gases ou vapores, provocando luminescência. Necessitam de equipamentos
auxiliares, devido à necessidade de limitação da corrente da lâmpada ou aumento de
tensão para início da descarga elétrica [2].
4.1.2.2.1 Lâmpadas fluorescentes
São lâmpadas de descarga com vapor de mercúrio em seu bulbo tubular. Com
um filamento em cada extremidade do bulbo, a descarga se dá ente os dois filamentos.
A passagem de corrente faz com que seja emitida radiação ultravioleta, que ao passar
18
pela pintura fluorescente na parte interna do bulbo, emite luz visível. Estas lâmpadas
precisam de dispositivos de partida, sendo o reator, que aumenta a tensão para a
descarga interna da lâmpada e é necessário em todos os tipos, e o starter, que tem o
objetivo de provocar um pulso inicial de tensão para deflagrar a descarga e é utilizado
em alguns modelos [17].
Há diversos modelos deste tipo de lâmpada, logo os parâmetros de eficiência e
vida útil, bem como os tamanhos, formatos e conectores são variados. A vida útil média
é de 20.000 horas e a eficiência luminosa média varia de 65 a 100 lm/W. Em geral são
consideradas de excelentes a moderados os índices de reprodutibilidade de cor das
mesmas [15]. O diâmetro da lâmpada fluorescente influi diretamente no seu rendimento.
4.1.2.2.2 Lâmpadas fluorescentes compactas
São lâmpadas criadas para substituir as lâmpadas incandescentes tradicionais,
tendo o mesmo padrão de base destas (tipo Edison) e não necessitando de equipamentos
auxiliares, já que os têm incorporados na base. Têm como características: bom IRC,
eficiência luminosa de 65 a 100 lm/W e vida útil média de 12.000 horas [16].
4.1.2.2.3 Lâmpadas a vapor de mercúrio de alta pressão
Possui bulbo de vidro duro com gás inerte à pressão atmosférica e um tubo de
descarga interno feito de quartzo, para que altas temperaturas sejam suportadas, e que
também contém dois eletrodos de tungstênio e dois eletrodos de partida. O tubo de
descarga é preenchido com argônio e mercúrio e quando vaporizados pela descarga
elétrica, emitem luz. A eficiência luminosa desta lâmpada é na faixa de 55 lm/W e tem
uma vida útil média de 24.000 horas, com uma reprodução de cores considerada
moderada. Precisa do uso de reator e sua maior utilização é em iluminação pública e
grandes áreas [15] e [17].
4.1.2.2.4 Lâmpadas a vapor metálico
São lâmpadas similares às lâmpadas de vapor de mercúrio que contém iodetos
metálicos adicionados ao mercúrio. Necessita de reator para seu funcionamento. A
grande vantagem fica na eficiência luminosa que é de 90 lm/W e na possibilidade de
alteração na cor da luz, melhorando o IRC e aumentando o leque de aplicações. A vida
útil média de 20.000 horas [2].
19
4.1.2.2.5 Lâmpadas mistas
Um híbrido entre a lâmpada de vapor de mercúrio e a incandescente, esta
lâmpada é similar à lâmpada de vapor de mercúrio, porém com um filamento
incandescente ligado ao tubo de descarga e conectado em série com este. A eficiência
luminosa é de 30 lm/W e a vida útil média oscila entre 6.000 a 8.000 horas. Possui um
IRC moderado e a grande vantagem é não precisar de equipamentos auxiliares para seu
funcionamento [2].
4.1.2.2.6 Lâmpadas a vapor de sódio
Esta lâmpada tem seu tubo de descarga feito de óxido de alumínio preenchido
com xenônio para iniciar a partida, sódio em alta pressão e mercúrio com o intuito de
que a cor seja corrigida. Os eletrodos principais são feitos de nióbio. As grandes
vantagens dessa lâmpada são obtidas através de sua eficiência, sendo esta de 120 lm/W
e a vida útil média é de 10.000 a 55.000 horas. O IRC deste tipo de lâmpada é
considerado baixo, restringindo seu uso conforme a especificação do ambiente [15].
4.1.2.3 Lâmpadas com semicondutores
O LED – Diodo Emissor de Luz é um dispositivo semicondutor cujo
funcionamento está baseado no fenômeno da luminescência, ou seja, a passagem de
corrente produz fluxo luminoso no mesmo. Considerada uma tecnologia recente e em
franco desenvolvimento, ainda apresenta custos elevados, porém em termos de
características técnicas, atualmente apresenta competitividade e possui aplicações como
sinais de trânsito e luzes de emergência. A sua eficiência luminosa encontra-se por volta
de 60 lm/W e a vida útil chega a 100.000 horas de duração, sendo que ainda possui a
vantagem de exibir cores específicas de acordo com o elemento que dopa a junção do
semicondutor [2].
4.1.3 Luminárias
As principais funções das luminárias são proteger a lâmpada e seus auxiliares e
modificar a distribuição do fluxo luminoso de forma a modificá-lo de acordo com a
necessidade do ambiente. Seus componentes são:
Receptáculo: onde a instalação elétrica é conectada à lâmpada, caso haja algum
auxiliar, ele também estará ligado ao receptáculo [17];
20
Refletores: são os dispositivos que orientam o fluxo luminoso de acordo com a
aplicação da lâmpada. São construídos de diversos tipos e materiais com a
finalidade de realizar a função requerida [17];
Difusores, refratores e colmeias: são as estruturas da luminária. Podem ter a
função de proteger a lâmpada e suas instalações de intempéries ou apenas
função decorativa [17].
4.1.4 Equipamentos auxiliares
4.1.4.1 Reatores
Há dois tipos principais de reatores: o eletromagnético e o eletrônico. O reator
eletromagnético é mais comum em instalações em geral e é composto de bobinas feitas
de cobre em um núcleo de ferro. Podem conter um capacitor para correção do fator de
potência. Como desvantagens, o reator eletromagnético tem: elevadas perdas elétricas,
emissão de ruído audível e carga térmica elevada. Já o reator eletrônico, trabalha em
frequências da ordem de 20 a 50 kHz, conferindo ao mesmo maior eficiência energética.
Em suma os reatores eletrônicos estão em plena fase de substituição aos
eletromagnéticos devido a sua maior vida útil e eficiência energética [17].
4.1.4.2 Ignitores ou starters
Dispositivos utilizados na partida de lâmpadas de descarga, com ênfase nas
lâmpadas de vapor de sódio e metálico. Sua função é fornecer um elevado pico de
tensão quando da partida da lâmpada, fazendo com que haja a descarga e os
componentes químicos da mesma se vaporizem.
4.1.4.3 Sensores de presença
Sensor eletrônico que utiliza ondas infravermelhas ou ultrassônicas. Ao detectar
a presença de pessoas na sala, liga o circuito de iluminação. Ao deixar de detectar, os
desliga. É uma boa opção de conservação de energia em áreas de em que pessoas
permaneçam por pouco tempo.
21
4.1.4.4 Fotocélula ou sistema por controle fotoelétrico
Regula a iluminação artificial de acordo com a iluminação natural, podendo
fornecer iluminação artificial parcial ou total, de acordo com a iluminação natural. É
uma importante solução para conservação de energia.
4.1.4.5 Minuteria
Interruptor com ajuste de tempo para desligamento. Ao ligar-se o interruptor, de
acordo com o ajuste interno, o circuito ligado ao mesmo será automaticamente
desligado sem que haja mais um comando. Tem funções similares ao sensor de
presença.
4.1.4.6 Dimmer
Sistema de controle de iluminação e através deste dispositivo pode-se regular a
potência fornecida à lâmpada. Usualmente é utilizado em lâmpadas incandescentes, mas
há modelos de lâmpadas fluorescentes compactas e de reatores que aceitam a
modulação de potência.
4.1.5 Elementos de influência na eficiência energética
Em sistemas de iluminação, há diversos elementos que contribuem para a
eficiência de um sistema. Alguns deles vão descritos nos itens subsequentes.
4.1.5.1 Componentes do sistema
Lâmpadas, reatores e luminárias devem ser bem dimensionados e sofrer as
manutenções adequadas. Nesse quesito destacam-se: a limpeza das luminárias e correta
posição e a troca de lâmpadas queimadas ou com fluxo luminoso visualmente
depreciado. As características que mais colaboram para a eficiência energética em
sistemas de iluminação são a eficiência luminosa e vida útil média das lâmpadas em
conjunto com boas práticas de manutenção do sistema como um todo [15].
4.1.5.2 Características do Ambiente
As refletâncias das paredes e teto e a luz natural que o ambiente recebe
influenciam na eficiência do sistema, pois se forem bem aproveitadas oferecem boa
oportunidade de conservação de energia. Quanto mais claras a cor das paredes e teto,
22
maior a refletância e maior a incidência de raios de luz no plano de trabalho. No caso da
luz natural, quanto maior o índice de aproveitamento, menor energia gasta [17].
4.1.5.3 Forma de utilização
A característica específica da utilização da iluminação deve ser considerada para
o caso de utilização parcial ou para a forma como a população do ambiente se utiliza da
iluminação.
4.1.6 Propostas de melhoria de eficiência energética
Medidas de conservação de energia são práticas que, dentro da realidade do
sistema, trazem economia de energia através da otimização de recursos. Estas podem ter
custos diversos e incluem desde novas práticas e hábitos até uma mudança de sistema
ou atuação tecnológica de equipamentos. Dentre as medidas de conservação de energia
para sistemas de iluminação, destacam-se aquelas descritas nos próximos itens.
4.1.6.1 Campanha de conscientização
Tal prática tem um custo nulo ou baixo. Consiste na orientação da população
que utiliza os recursos de iluminação no que toca a conservação de energia. Utilizam-se
e-mails corporativos, campanhas publicitárias, etiquetas coladas próximas a
interruptores, entre outros. O objetivo não é só criar o hábito de desligar a luz quando
não há necessidade, mas envolver o usuário no consumo consciente [1] e [2].
4.1.6.2 Plano de Manutenção
A implantação de um plano de manutenção é de importância para qualquer
equipamento, porém, é prática comum nas indústrias que se deixe de lado a iluminação
no plano. A adequada troca e limpeza de componentes periodicamente é considerada de
baixo custo e que eleva o nível de bom funcionamento do sistema e a vida útil dos
equipamentos [1] e [9].
4.1.6.3 Revitalização do Sistema ou Retrofit
Devido ao incremento de eficiência e evolução tecnológica, a concepção do
projeto muda com o tempo. Uma nova proposta para a aplicação pode trazer economia
de energia e ganhos econômicos. As luminárias e as lâmpadas devem ser analisadas e,
se for encontrada alguma solução com maior eficiência, a mesma deve ser
23
implementada, passando pela análise de viabilidade técnico-econômica. Deve-se pensar
na padronização dos sistemas de iluminação a fim de facilitar e diminuir os custos com
manutenção das instalações, bem como priorizar a utilização de iluminação artificial.
Esta medida tem uma faixa ampla de custo no segmento de iluminação, mas, em geral, é
considerada de custo médio [1] e [17].
Exemplos de problemas que o retrofit soluciona são: luminárias com difusores
inadequados, lâmpadas com baixa eficiência e eliminação de desperdício através de
equipamentos auxiliares.
4.2 Sistemas de condicionamento térmico
A necessidade de condicionamento térmico é dada por diversas causas. As
principais aplicações são: o resfriamento de equipamentos em geral, reduzindo sua
temperatura de trabalho e aumentando a eficiência do mesmo, já que a grande maioria
dos equipamentos tem fatores térmicos como limitante ao seu projeto. A refrigeração
para armazenamento de produtos diversos e climatização de ambientes para conforto
humano e a otimização de processos industriais. Segundo o MME, os aparelhos de ar-
condicionado representarão até 2030 um aumento significativo no consumo residencial
brasileiro e têm um potencial de conservação de 30 % por simples troca de aparelho e
adequada manutenção. No setor industrial, os aparelhos de condicionamento térmico,
por serem considerados consumidores de menor potência em relação à potência da
planta, não têm a devida atenção em termos tecnológicos, o que faz com que tenham um
grande potencial em aumento de eficiência energética, já que, segundo a EPE,
representam 7,4 % das cargas motrizes do parque brasileiro. O potencial nos setores
comercial e público também é elevado, necessitando de atualização nos sistemas já
instalados [1] e [6].
4.2.1 Diferenciação de sistemas
Há três tipos de sistemas de condicionamento térmico: ventilação, climatização e
refrigeração.
Em um sistema de ventilação é utilizado ar para o controle de temperatura e
remoção de poluentes e dispersão de moléculas em suspensão. Neste tipo de
condicionamento, o limite de temperatura é fixado pela temperatura do ar exterior e não
há o controle em uma temperatura específica, fazendo com que a diminuição da mesma
seja através da troca com o ar externo.
24
Um ambiente climatizado pode ter adequação de temperatura, umidade,
impurezas e pressão do ar com objetivos diversos, entre eles têm-se: o conforto térmico,
constância de variáveis em um laboratório, controle de variáveis de processo,
manutenção de equipamentos, entre outros [19]. Neste sistema encontram-se todos os
aparelhos de ar condicionado.
Em um sistema de refrigeração a temperatura do ambiente é reduzida a valores
próximos ao ponto de congelamento da água com o objetivo de manter o ambiente a
uma temperatura controlada para uma determinada finalidade. As câmaras frigoríficas
são um exemplo clássico desse tipo de sistema.
O sistema de maior empregabilidade em todos os meios consumidores é o de
climatização. O uso de ventiladores como condicionador térmico em área industrial é
limitado e com um índice de perdas baixo quando comparado aos condicionadores de ar
devido à simplicidade do sistema. Já o sistema de refrigeração é empregado em setores
específicos, onde a atividade fim usualmente é relacionada ao armazenamento, o que faz
com que este sistema tenha um índice de eficiência alto, oferecendo poucas
oportunidades de diminuição de desperdício. Devido ao exposto, o foco deste tópico
será nos sistemas de condicionamento ambiental, que apresenta maiores problemas no
que toca ao consumo energético [7].
4.2.2 Conceitos e grandezas
4.2.2.1 Temperatura
A temperatura é uma propriedade da matéria, sendo um índice que mensura o
grau de agitação das moléculas ou da velocidade molecular. A temperatura é uma
grandeza com a qual todos os seres humanos lidam desde a infância e está
extremamente relacionada ao conforto térmico em conjunto com a umidade relativa. As
principais unidades de grandeza da temperatura são: Kelvin e as escalas Celsius e
Fahrenheit [19].
4.2.2.2 Umidade relativa do ar
É uma relação entre a quantidade de vapor d’água presente no ar (umidade
absoluta) e a quantidade máxima de vapor d’água ou a quantidade de vapor quando no
ponto de saturação. A relação baseia-se em um mesmo volume e submetido à mesma
pressão. A umidade relativa do ar pode ser lida através de um higrômetro ou
25
psicrômetros com a ajuda de uma carta psicrométrica. Usualmente, a umidade relativa é
dada em porcentagem. A 4.1, enumera o exposto:
(4.1)
4.2.2.3 Calor sensível
É a quantidade de energia em forma de calor que se deve adicionar ou retirar de
uma dada quantidade de matéria para que sua temperatura seja alterada sem que haja
mudança de estado.
4.2.2.4 Calor latente
Quando uma quantidade de massa se estabiliza em uma dada temperatura
mesmo quando ainda se adiciona ou se retira calor da mesma, esta massa começa a
mudar de fase ou estado da matéria. A este calor, a determinada temperatura fixa e com
mudança de fase, dá-se o nome de calor latente.
4.2.2.5 Temperatura de bulbo seco do ar
Temperatura medida por um termômetro comum em contato com o ar. É a
temperatura ambiente do local.
4.2.2.6 Temperatura de bulbo úmido do ar
Temperatura medida por um termômetro que fica em contato direto com um
material feito de algodão com água. O termômetro é submetido a um fluxo de ar para
que a temperatura obtenha estabilidade. Esta temperatura será menor do que a
temperatura de bulbo seco.
4.2.2.7 Carta psicrométrica
Carta onde são representadas as propriedades do ar. Através dela pode-se inferir
umidade absoluta, relativa, temperatura de bulbo seco e úmido, entalpia e volume
específico [19].
26
4.2.2.8 Ciclo de refrigeração por compressão
O ciclo termodinâmico de refrigeração se utiliza da propriedade física de um
tipo de fluido, os fluidos refrigerantes, para que estes se resfriem através de compressão
e descompressão. Estes fluidos, quando submetidos a determinada pressão, ao
receberem calor vaporizam a baixas temperaturas, o que os torna excelentes fontes frias
para que se retire calor de um ambiente. Desse modo, através da compressão e expansão
destes tipos de fluidos, é possível a obtenção de baixas temperaturas. O ciclo contém
quatro partes principais: condensador, dispositivo de expansão, evaporador e
compressor, onde cada parte se passa em um componente do sistema. A Figura 7 mostra
o ciclo e cada um de seus componentes e a Figura 8, o diagrama de Mollier, que
representa as transformações do fluido e as principais grandezas termodinâmicas
envolvidas [2] e [19].
Figura 7 - Ciclo de refrigeração [19]
Os passos do ciclo são descritos abaixo:
1-2: O fluido refrigerante, ainda em forma de gás, entra no compressor, que
aumenta sua pressão e temperatura. O fluido atinge sua pressão de condensação e
encontra-se a temperatura T2. Este estágio se passa no compressor.
2-3: Se passa no condensador: o fluido troca calor com o ambiente externo,
mantendo sua pressão. O fluido é resfriado da temperatura T2 até a temperatura Tc
(temperatura do condensador). O fluido passa ao estado líquido, já que T2 é a
temperatura de condensação do fluido.
3-4: No dispositivo de expansão, o fluido passa por uma queda de pressão
brusca, fazendo com que parte do fluido torne-se vapor e parte mantenha-se líquida. A
temperatura cai para a temperatura de evaporação do fluido refrigerante, neste caso T0.
27
4-1: O fluido entra no evaporador e através da troca de calor com o ar do
ambiente a ser refrigerado, vaporiza-se novamente, porém mantendo-se a uma
temperatura T0. O fluido absorve calor do meio a ser resfriado e o ciclo retorna a seu
começo [2] e [19].
É importante ressaltar que o ciclo apresentado é ideal, feito a título de
entendimento. As perdas do ciclo são por perda de pressão do fluido e isolamento
térmico das tubulações e demais partes do sistema.
Figura 8 - Diagrama de Mollier para o ciclo de refrigeração [15]
4.2.2.9 Coeficiente de performance
O COP (Coeficiente de Performance) dá a relação entre a capacidade de retirada
de calor com a potência requerida pelo compressor de um mesmo aparelho. Segundo a
equação 4.2, quanto mais calor o equipamento retira do sistema a ser resfriado e menor
é a potência requerida pelo compressor, mais eficiente será o ciclo e, portanto o
aparelho [19].
(4.2)
28
4.2.2.10 EER – razão de eficiência energética
Dado pela equação 4.3, relaciona o efeito frigorífico, que ocorre no condensador,
com o trabalho de compressão. Sua unidade é em
(4.3)
4.2.2.11 Eficiência em kW/TR
Muito utilizada no mercado, essa relação usa a TR (tonelada de refrigeração),
que é aproximadamente 12.000 BTU/h, como referência. Relaciona o efeito frigorífico
com o trabalho de compressão. As equações 4.4, 4.5 e 4.6 demonstram uma forma de
relacionar os índices de eficiência [19].
(4.4)
(4.5)
(4.6)
4.2.2.12 Eficiência em W/W
O Inmetro e o Procel, através do PBE, padronizaram as referências de medidas
de eficiência energética em W/W. Basicamente, transformou-se o coeficiente de razão
de eficiência de
para W/W a fim de facilitar a compreensão por parte do público
geral. Esta medida é interessante, pois além de aproximar o conceito de eficiência para o
público há medições e tabelas de fácil identificação para alguns equipamentos, o que
torna direta a comparação em termos de eficiência entre equipamentos.
4.2.2.13 Transmissão de Calor
Um corpo transmite calor para o outro de três formas: condução, convecção e
radiação. A transmissão de calor se dá por meio destas três e geralmente há a ocorrência
de mais de uma forma de transmissão ao mesmo tempo. Deve-se ter em mente a
influência de cada uma e seus parâmetros envolvidos a fim de que a eficiência do
sistema seja melhorada [19].
29
a) Condução: ocorre através do contato entre os dois corpos. Pode ocorrer entre
corpos nos estados sólido e líquido ou cada um em um dos estados. Depende
da área de contato do corpo, sua espessura, a diferença de temperatura e um
fator de condutibilidade térmica. A equação 4.7 descreve a transmissão por
condução:
, (4.7)
sendo:
é o fluxo de calor expresso em kcal/h,
k é expresso em kcal/(h.m².ºC),
x é a espessura do material e
Ta e Tb são as temperaturas dos dois corpos.
b) Convecção: transferência de calor que se dá dentro de um fluido. Ocorre
devido à diferença de temperatura em dois pontos do fluido, o que faz com
que uma parte esteja mais dilatada do que outra e, por consequência, haja
uma diferença de densidade dentro do próprio fluido. A convecção também
pode ocorrer devido a um sistema de ventilação ou bombeamento e quando
ocorre desta forma é dita convecção forçada.
c) Radiação: mecanismo que consiste na transferência de calor via ondas
eletromagnéticas não precisando de contato via meio contínuo para ocorrer.
As ondas são emitidas por todos os corpos em todas as direções. A
transmissão por radiação depende da área, do tipo de material e da diferença
de temperatura entre os dois corpos. A equação 4.8 descreve o fluxo térmico
devido à radiação:
, (4.8)
sendo:
é o fluxo de calor expresso em kcal/h,
A é a área da superfície radiante em m2,
σ a emissividade do corpo,
ξ a constante de Bolztman (5,669 W/m2.K) e
T2 T1 são as temperatura de fonte quente e fria.
30
4.2.3 Tipos de sistemas, arranjos e equipamentos
A maneira mais usual de se classificar os sistemas de condicionamento é quanto
ao fluido empregado na remoção de calor. Dentre as classes, têm-se: expansão direta,
tudo água ou água-água, ar-água e tudo ar ou ar-ar. A seguir segue uma breve descrição
e as principais características dos sistemas, bem como as vantagens e desvantagens dos
mesmos [2] e [19].
4.2.3.1 Sistemas de expansão direta
Um sistema é dito de expansão direta quando o ar do ambiente é refrigerado
diretamente pelo fluido refrigerante. Nesta classe englobam-se os sistemas de
condicionamento mais comuns como: o aparelho tipo janela, Split e self contained [19].
Estes aparelhos possuem vida útil média de 10 anos, sendo que os aparelhos
Split e self-contained tem maior robustez quando em trabalho contínuo [20].
4.2.3.1.1 Ar Condicionado tipo janela
Aparelho mais comum no mercado, este equipamento reúne todos os
componentes (ventilador, compressor, condensador resfriado a ar e dispositivo de
expansão) em um mesmo invólucro que deve ser instalado em uma abertura ou janela
do ambiente. A faixa de trabalho deste equipamento fica entre 7.500 a 30.000 BTU/h.
Como principais vantagens estão: a fácil instalação e manutenção, tamanho pequeno,
ocupa pouco espaço dentro do ambiente a ser refrigerado e o preço baixo. Já entre as
desvantagens estão: baixa eficiência energética, baixa capacidade, elevado nível de
ruído, pouca flexibilidade, distribuição do ar frio a partir de um ponto e alteração
estética da fachada do ambiente onde está instalado [2].
4.2.3.1.2 Equipamentos tipo split
Equipamentos que se encontram numa faixa de capacidade próxima à dos
aparelhos tipo janela, ficando na faixa de 7.500 a 60.000 BTU/h. Este equipamento tem
seus componentes divididos entre duas unidades, a evaporadora e a condensadora,
sendo que estas devem ser unidas através de dutos de alumínio ou cobre para que o
fluido refrigerante circule. Apresentam como vantagens: alta versatilidade, fácil
manutenção, baixo impacto visual nas fachadas e eficiência elevada. Já como
desvantagens, aplicam-se: instalação mais complicada, capacidade limitada, custo
31
inicial elevado, principalmente quando comparado ao equipamento tipo janela na
promoção da troca de ar do ambiente [2].
4.2.3.1.3 Equipamento self contained
Equipamentos de capacidades superiores (na faixa de 36.000 a 360.000 BTU/h)
que concentram suas diferentes partes em seu gabinete. Apresentam como vantagens:
fácil instalação, grande versatilidade para projetos (mudança de zoneamento e
demanda), baixo custo inicial em R$/BTU/h. Já as desvantagens são: capacidade
limitada e rendimento abaixo dos sistemas Split, quando comparados na mesma
capacidade.
4.2.3.2 Tudo ar
Enquanto que no sistema de expansão direta a troca é feita no próprio ambiente,
nesse caso a troca térmica é feita no módulo central e distribuída através de ar gelado.
Tem como características o baixo custo inicial e manutenção centralizada, permitindo
menor dispêndio econômico na mesma. O sistema possibilita ainda a utilização de ar
ambiente em dias amenos, funcionando como um sistema de ventilação. O termostato
pode ser instalado no ambiente a ser climatizado ou nos dutos de ventilação e o controle
é realizado pela temperatura do fluido que chega a serpentina. Os dois principais
sistemas dessa categoria são: o multizona e o volume de ar variável [2].
4.2.3.2.1 Sistema multizona
É um sistema versátil que se adapta a diversas condições de operação e função.
É indicado para ambientes que necessitam de controle de temperatura individual,
especialmente em casos onde existem ambientes com demandas diferentes na mesma
edificação, como por exemplo: turnos de trabalho em horários diferentes, taxas de
circulação de pessoas, etc [19].
4.2.3.2.2 Sistema de volume de ar variável
Sistema que regula a entrada de ar para cada ambiente de acordo com dampers1
e que regula a velocidade dos ventiladores pelo uso de controle de frequência. É
recomendado para sistemas com temperatura fixa e cargas térmicas variáveis [19].
1 Damper é um termo utilizado na indústria e se refere a um dispositivo de controle de fluxo de
ventilação por restrição do duto através de uma placa inserida no mesmo.
32
4.2.3.3 Ar-água
O condicionamento destes ambientes é feito através do uso de condicionadores
tipo fan-coil e de indução. Os condicionadores fan-coil ou ventilador e serpentina,
consistem em um ventilador centrífugo, filtros, serpentina e uma bandeja de
condensado. Já os de indução são dotados de um bocal com o intuito de direcionar o ar
condicionado ao ambiente, que em conjunto do ar primário, atravessa as serpentinas.
Estas podem funcionar com água fria ou água quente, dependendo do tipo e
funcionamento da instalação. Com relação ao ar exterior, há duas abordagens: os
condicionadores utilizam-se somente de ar de circulação, ou seja, o ar exterior é todo ele
tratado e condicionado centralmente e distribuído de acordo com os ambientes ou há a
tomada de ar exterior diretamente para os ambientes em conjunto com o ar
condicionado.
4.2.3.3.1 Instalações de dois tubos
A parcela primária do ar é enviada a alta velocidade e pressão aos múltiplos
ambientes. Isto faz com que o ar secundário, por arraste, atravesse as serpentinas do
condicionador de indução. Por sua vez, as serpentinas têm como fluido interno água fria
ou quente, dependendo da estação. A grande vantagem desse sistema é a possibilidade
do controle de umidade ser centralizado, através do ar primário, e o controle de
temperatura ser realizado na serpentina, fazendo com que os controles ajam em
separado. O ar exterior somente é tratado na unidade central [2].
4.2.3.3.2 Instalações a três tubos
Nessa configuração, cada serpentina recebe tanto a água quente quanto a água
fria, formando um sistema de controle de temperatura completo, tanto para aquecimento
quanto para resfriamento. Válvulas internas permitem que o sistema module qual fluido
entrará na serpentina de acordo com a temperatura do ambiente [2].
4.2.3.4 Tudo água
Este tipo de instalação atende demandas de grandes consumidores de frio e
apresentam uma eficiência energética superior. Da mesma forma que o sistema ar-água,
este sistema pode ter instalação de dutos para água quente e fria, cobrindo um leque
maior de temperaturas. É utilizada a técnica do ventilador e serpentina para o
33
condicionamento e recomenda-se sua utilização em edificações onde a instalação de
dutos de distribuição de ar seja demasiadamente cara [2].
4.2.4 Elementos de influência na eficiência energética
Um sistema de condicionamento térmico tem diversos fatores que influenciam
na eficiência do mesmo. Além do rendimento do equipamento em si, deve-se levar em
conta as cargas térmicas externas e internas que atuam sobre o ambiente [19].
4.2.4.1 Rendimento do equipamento
Os equipamentos presentes em um sistema ou ainda o sistema adotado podem
ter sua eficiência energética inferior às opções disponíveis. Ao ser identificada uma
possível substituição de componentes ou equipamentos, deve-se analisar a viabilidade
técnica e econômica da proposta.
4.2.4.2 Cargas térmicas externas
Basicamente é influenciada pela incidência de raios solares. Deve-se observar a
latitude a qual a edificação pertence, o número de janelas, a condução através de
paredes e teto e ventilação e infiltração de ar externo. A incidência de energia solar
varia conforme o ano e com a latitude da Terra e as janelas, paredes e teto são entradas
de calor. Já o ar externo deve ser considerado para efeito de cálculo do sistema de
refrigeração em si e no que toca ao ar penetrante pelas frestas de portas e janelas, pois
nesse caso se tornam fonte de perda de ar condicionado [19].
4.2.4.3 Cargas térmicas internas
As cargas internas são de origem interna e de fontes não solares. Estão nesse
grupo: vidros, paredes, divisórias e teto, o número de pessoas e a quantidade de horas
que as mesmas permanecem nos ambientes, potência dissipada por equipamento,
potência dissipada por iluminação e as perdas nos dutos. Deste, destacam-se as perdas
por iluminação, onde um equipamento inadequado pode aumentar a perda devido à
dissipação de calor, e as perdas nos dutos que tem duas origens: perdas para outros
ambientes também climatizados e perdas para o ambiente externo [19].
34
4.2.5 Propostas de melhoria de eficiência energética
As propostas de melhoria em eficiência energética para o condicionamento
térmico são descritas abaixo.
4.2.5.1 Desligamento de luzes
As lâmpadas, por mais eficiente que sejam, são fontes de calor. Se não houver
necessidade do uso das mesmas, o desligamento favorece a economia de energia por
parte do sistema de ar condicionado, já que os aparelhos permanecerão mais tempo
desligados. Se o sistema de iluminação for sobredimensionado ou antiquado, a
influência é mais danosa no que toca à conservação de energia. Esta medida é
considerada de custo nulo [19] e [21].
4.2.5.2 Diminuição do vazamento em dutos de ar
Se os dutos de ar forem instalados por uma equipe pouco especializada ou não
sofrerem manutenção, poderão oferecer uma perda de ar tratado, ou seja, resfriado e
desumidificado considerável, fazendo com que o sistema seja mais demandado. Quando
em implementação de sistema, esta medida é considerada de custo zero [19] e [21].
4.2.5.3 Ajuste de setpoint de temperatura
Ajustar todos os aparelhos para operar com o mesmo patamar de temperatura,
evitando assim que algum equipamento trabalhe sobrecarregado e manter a temperatura
do ambiente entre 20 e 23 °C, a fim de evitar desperdício com refrigeração em excesso.
Medida considerada com custo zero [19] e [21].
4.2.5.4 Limpeza de filtros
A saturação do filtro representa uma queda de pressão na descarga do ventilador,
fazendo com que o mesmo trabalhe em potência maior ou que a circulação de ar seja
prejudicada. A simples troca ou limpeza do filtro de acordo com a periodicidade do
fabricante já otimiza o dispêndio energético e aumenta a vida útil do equipamento.
Medida considerada de custo baixo [19] e [21].
4.2.5.5 Reavaliar plano de manutenção dos equipamentos.
Baseado nas recomendações dos fabricantes pode haver oportunidade de
melhoria do plano de manutenção, que resulte em economia de energia devido a
35
aumento de eficiência das diversas partes do sistema. Esta medida é considerada de
baixo custo [21].
4.2.5.6 Redução de Infiltração de ar externo
A entrada de ar externo trás ar quente para o ambiente, fazendo com que se gaste
mais energia para condicionar esta parcela. As janelas devem permanecer fechadas e
ajustadas para que tenham vedação. O mesmo deve ser aplicado às portas, que podem
ter um sistema de fechamento automático, mantendo-as sempre fechadas. Medida
considerada de baixo custo [19].
4.2.5.7 Diminuição de entrada de calor em janelas
As janelas podem receber cortinas, venezianas ou até película protetora para que
se reduza a entrada de calor pelas mesmas. Deve-se respeitar a entrada e utilização de
luz natural e aplicar a solução mais adequada ao ambiente. Medida considerada de custo
baixo [19].
4.2.5.8 Atualização tecnológica ou retrofit
Consiste em uma medida de custo elevado, porém com a devida análise técnico-
econômica, torna-se promissora. Envolve a atualização de um sistema ou equipamentos
deste por outros que aumentem a eficiência energética e, portanto, diminuem o gasto de
energia. Entre exemplos comuns apresentam-se:
Isolamento térmico em coberturas: aplicação de material isolante sob a cobertura
diminui significantemente a entrada de calor externo no ambiente, fazendo com
que o sistema de condicionamento trabalhe menos [19].
Utilização de motores eficientes e variadores de velocidade nos mesmos: o uso
de alto rendimento e de variadores de velocidade pode trazer economia
significativa de energia em sistema de condicionamento ambiental de grande
porte. Como muitas vezes o sistema trabalha continuamente, a utilização de
motores de alto rendimento pode ser uma ótima solução para o aumento de
eficiência. Em casos onde a vazão de ar ou água oscila em grandes amplitudes,
os variadores de velocidade mostram-se uma boa solução em economia de
energia, já que fazem tal modulação com perdas muito melhores do que com
válvulas de estrangulamento ou dampers [19].
36
Troca de aparelho comercial por um mais eficiente: em centrais de pequeno e
médio porte, a troca de aparelhos comerciais por outros de mesma categoria ou
de outra, pode ser interessante. Um caso clássico é o de aparelhos do tipo janela
ou self contained trocados por aparelhos do tipo Split, devido a eficiência deste
último ser mais elevada [19] e [21].
4.3 Fator de Potência
4.3.1 Definição
Grande parte dos equipamentos elétricos necessita de campo magnético para seu
funcionamento. Devido a isso, estes equipamentos utilizam-se de dois tipos de potência:
a ativa e a reativa. A potência ativa é a que efetivamente realiza trabalho como calor,
movimentos e luz. Sua unidade de medida é o kW. Já a energia reativa é utilizada para
manter e criar campos eletromagnéticos em cargas indutivas, não realizando trabalho.
Sua unidade de medida é o kVAr. Como a potência ativa gera trabalho, ela é
disponibilizada ao equipamento em seu uso. Por outro lado, a potência reativa, por não
gerar trabalho, circula entre a carga e a fonte de energia elétrica, fazendo com que parte
dessa ligação entre fonte e carga seja utilizada para esta circulação.
Conforme as equações 4.9 e 4.10, o fator de potência é a relação entre a potência
ativa e a raíz da soma dos quadrados da potência ativa P e a reativa Q, dita potência
aparente ou S [22]. A Figura 9 apresenta a representação vetorial destas grandezas e
ilustra a definição de fator de potência. Nota-se que o ângulo entre a potência aparente e
a potência ativa é efetivamente o ângulo cujo cosseno representa o fator de potência.
(4.9)
√ (4.10)
O fator de potência é uma medida de eficiência do uso da energia e é um índice
que vai de 0 a 1, sendo que quanto mais próximo de 1, mais eficiente. A Resolução da
ANEEL nº 456/2000 torna o fator de 0,92 tanto indutivo como capacitivo como
referência para o limite mínimo permitido para instalações elétricas das unidades
consumidoras, sendo que as unidades com tensão de entrada acima dos 2,3 kV têm sua
medição de consumo de potência reativa obrigatoriamente medida, enquanto que os
demais consumidores não tem essa obrigatoriedade [15].
37
Figura 9 - triângulo de potências [22]
4.3.2 Consequências do baixo fator de potência
4.3.2.1 Flutuações de tensão
A elevada corrente devido ao excesso de potência reativa leva a uma queda de
tensão da rede. Em horários onde a rede é mais demandada, o problema aparece com
maior intensidade, podendo gerar oscilações em lâmpadas e motores e até a interrupção
do fornecimento e sobrecarga em certos equipamentos da mesma [22] e [23].
4.3.2.2 Perdas na instalação
Com o aumento da corrente da rede, há o consequente aumento das perdas
ôhmicas, fazendo com que os condutores sofram um maior aquecimento [22].
4.3.2.3 Baixa utilização da capacidade instalada
Com o fator de potência baixo, a instalação fica no limite de corrente a uma
potência ativa inferior a que poderia se com um fator de potência corrigido. Como os
equipamentos limitantes das instalações elétricas são os transformadores e condutores, a
parcela de corrente que a potência reativa ocupa gera uma limitação à potência ativa
máxima que a instalação pode ter [22] e [23].
4.3.3 Vantagens da correção do fator de potência
Dentre as vantagens devido à correção, tem-se:
Redução do custo de energia elétrica;
Aumento da eficiência energética;
Melhoria da tensão;
38
Aumento da vida útil dos equipamentos;
Redução do efeito joule e das perdas nos alimentadores e circuitos terminais.
Demonstra-se facilmente que a variação das perdas é proporcional ao inverso do
quadrado do fator de potência.
4.3.4 Principais causas do baixo fator de potência
4.3.4.1 Motores operando a vazio
A potência ativa de um motor quando operando a vazio é baixo, já que o mesmo
não realiza trabalho mecânico. Já a potência reativa permanece a mesma de quando a
plena carga, pois há a necessidade da manutenção do campo magnético mesmo quando
em operação a vazio. Portanto, o fator de potência diminui drasticamente quando o
motor opera a vazio, o mesmo ocorrendo para motores superdimensionados [22].
4.3.4.2 Transformadores operando em vazio ou a baixa carga
Caso análogo ao de motores, quando a vazio, este equipamento consome pouca
potência ativa, porém a quantidade de potência reativa mantém-se praticamente a
mesma, acarretando em decréscimo do fator de potência. Para transformadores
superdimensionados ocorre o mesmo [22].
4.3.4.3 Tensão acima da nominal
O nível de tensão mais elevado do que o da tensão nominal acarreta em maior
consumo de potência reativa por parte de motores, diminuindo o fator de potência.
4.3.4.4 Lâmpadas de descarga
Como dito no tópico 4.1, lâmpadas de descarga utilizam reatores para aumento
de tensão. Tais equipamentos possuem bobinas e consomem potência reativa,
principalmente os do tipo eletromagnético. A utilização de reatores com maior fator de
potência, como por exemplo, os eletrônicos, diminui o problema.
4.3.5 Métodos de correção de fator de potência
As formas mais comuns para a compensação de fator de potência são as
descritas nos itens subsequentes.
39
4.3.5.1 Compensador síncrono sobre-excitado
Um motor síncrono sobre-excitado gera energia reativa, fazendo com que o fator
de potência da rede local seja ajustado. Estes motores devem ser de velocidade fixa e
devem operar a vazio. A tensão de excitação deve ser ajustada de acordo com o fator de
potência da rede [23].
4.3.5.2 Geradores de energia
Máquinas síncronas funcionando como gerador também têm a possibilidade de
ajuste de fator de potência através da tensão de excitação. Esta solução pode ser
aplicada em instalações em que há uma fonte própria de geração elétrica, conferindo
uma boa vantagem para instalações com geração própria. Em unidades de geração
conectadas ao SIN, o controle de tensão e reativo pode ser despachado pelo ONS,
conforme acordo prévio [23].
4.3.5.3 Capacitores
O uso de capacitores na correção do fator de potência é a aplicação mais comum
em indústrias e prédios comerciais devido a sua baixa complexidade e custo-benefício.
Existem quatro maneiras para se fazer uso de capacitores em instalações elétricas.
Segue descrição das mesmas.
4.3.5.3.1 Correção localizada
Correção de fator de potência junto a grandes cargas indutivas, ou seja, o
capacitor é instalado junto ao equipamento que gera o problema. É considerada a
solução mais correta tecnicamente, já que a correção é realizada de acordo com a
necessidade do equipamento. Tem como vantagens: a redução das perdas em toda a
instalação, a geração de potência reativa somente onde é necessária, a diminuição da
carga dos circuitos de alimentação e a possibilidade de ser usado apenas um sistema de
acionamento para a carga e o capacitor [22] e [23].
4.3.5.3.2 Correção por grupos de cargas
Método onde um grupo de cargas, geralmente motores e outros equipamentos de
menor potência, tem seu fator de potência corrigido ainda no quadro de distribuição.
Tem a vantagem de aliviar o circuito de alimentação, porém os circuitos dedicados
40
ainda permanecem com a demanda elevada devido ao fator de potência baixo [22] e
[23].
4.3.5.3.3 Correção no barramento BT
A mais utilizada em instalações elétrica em geral devido ao baixo custo.
Consiste na ligação do capacitor na entrada de energia, no lado BT do transformador.
Muito recomendada em casos onde a carga é composta por diferentes equipamentos de
diversas potências e regimes de utilização variados. Há a necessidade da instalação de
automatismo ou ao menos uma chave de manobra, pois se o valor da potência reativa
consumida diminuir, a geração de potência vai acarretar sobretensão e será tarifada. A
grande desvantagem desta configuração é que os circuitos dedicados dos equipamentos
não têm alívio devido a correção [22] e [23].
4.3.5.3.4 Correção no barramento AT
Solução pouco utilizada, pois apenas resolve o problema tarifário não conferindo
alívio de corrente para a instalação ou para o transformador alimentador. Os
alimentadores e ramais de alimentação internos permanecem com todas as desvantagens
oriundas do baixo fator de potência. Isto, aliado a característica de instalações em AT
que demandam recursos mais dispendiosos de proteção e comando [22] e [23].
4.4 Motores Elétricos
Segundo a EPE [1], os motores elétricos representam 61,8 % do consumo de
energia elétrica de indústrias e tem como usos principais: bombas, ventiladores,
compressores de ar, refrigeração, manuseio e processamento. Como o setor industrial
representa 48 % do consumo de energia elétrica do país, pode-se dizer que
aproximadamente 30 % da energia elétrica consumida no Brasil é utilizada em motores
industriais.
Quando comparado a máquinas que utilizam outras fontes de energia, como
térmica e hidráulica, o rendimento dos motores elétricos é elevado para uma larga faixa
de potência, porém, como dito anteriormente, a quantidade de motores elétricos e a
carga total demandada por este tipo de equipamento é tão elevada que se justifica
analisar e incrementar a eficiência energética mesmo que em níveis percentuais baixos,
pois a conservação de energia será relevante. As grandes aplicações a fim de elevar o
nível de eficiência energética em motores elétricos são: substituição de motores antigos
41
por equipamentos modernos, o uso de motores de alto rendimento, o correto
dimensionamento do motor à carga e a utilização de controladores de velocidade [1], [2]
e [24].
A esmagadora maioria dos motores utilizados são motores de indução trifásicos
devido às vantagens que esta máquina apresenta, entre elas: possuir menor custo inicial,
exigir pouca intervenção para manutenção, aceitar bem variações de carga, não exigir
alimentação em corrente contínua e sua elevada robustez. Devido a esta preponderância
do motor de indução trifásico, este tópico tratará deste tipo de máquina elétrica e
soluções para aumento de eficiência da mesma [24].
4.4.1 Conceitos e grandezas
4.4.1.1 Princípio de funcionamento
Um motor elétrico é uma máquina cuja função é transformar energia elétrica em
energia mecânica. No caso do motor de indução, isto ocorre fora da velocidade
síncrona, definida pelo número de polos e pela frequência da rede que o alimenta, como
descrita na equação 4.11.
, (4.11)
sendo:
Ns – rotação síncrona,
f – frequência da rede e
p – número de pares de polos.
O motor de indução trifásico tem como configuração básica um enrolamento
ligado à rede de alimentação situado no estator e um segundo enrolamento presente no
rotor, que fica submetido a grandezas elétricas resultantes da indução provocada pelo
enrolamento ligado à rede. Há dois tipos de rotores em máquinas de indução: o rotor
gaiola de esquilo, chamado assim devido ao formato que as barras condutoras
encaixadas nas ranhuras do ferro do motor apresentam e o motor de enrolamento ou
bobinado, que tem um formato similar ao enrolamento do estator. No rotor tipo gaiola
de esquilo as barras condutoras são curto-circuitadas em suas extremidades e este motor
representa a imensa maioria das máquinas de indução trifásicas devido à praticidade e
seu modo construtivo simples e, portanto, passível de menor intervenção para
manutenção [25] e [26].
42
Há três enrolamentos presentes no estator, um para cada fase e defasados em
120º um do outro. A rede de alimentação também apresenta a mesma defasagem entre
as fases e, portanto, no campo magnético gerado pela corrente que passa pelos
condutores dos enrolamentos. A combinação dos três campos magnéticos defasados
resulta no campo girante, sendo que este se move na velocidade síncrona e induz
tensões nos condutores do rotor, que criam correntes elétricas e estas, por sua vez,
estabelecem um segundo campo magnético similar ao da rede. A interação desses
campos, com a tendência de alinhamento entre eles, provoca o torque, fazendo com que
a parte móvel do motor sofra rotação [24] e [25].
4.4.1.2 Potência nominal
A potência nominal de um motor é a potência desenvolvida no eixo da máquina.
Ou seja, é a potência mecânica que a máquina disponibiliza para carga acoplada ao eixo,
também chamada como potência de saída. O motor pode operar em valores de potência
superiores aos nominais, contudo, a operação nesta configuração pode danificar
permanentemente a máquina. Apesar do sistema internacional e a norma NBR 7094,
referente a máquinas elétricas e motores de indução, utilizarem o Watt como unidade de
medida para a potência, devido a uma bagagem histórica, o cavalo vapor ainda é
utilizado com frequência. A equação 4.12 descreve a potência nominal [26] e [27].
, (4.12)
sendo:
– Potência de saída,
C – Conjugado,
N – rotação e
K – constante de equivalência entre diversas unidades de medida.
4.4.1.3 Escorregamento
Como há uma diferença de velocidade entre o campo magnético girante do
estator e do rotor, o motor de indução trifásico gira a uma velocidade assíncrona,
ligeiramente inferior à velocidade síncrona. O escorregamento é uma grandeza
adimensional que exprime esta diferença e é dado pela equação 4.13.
, (4.13)
43
sendo:
N – velocidade do eixo do motor.
Utilizando-se da equação 4.11 e da equação 4.13, pode-se calcular a velocidade
do motor assíncrono, conforme equação 4.14:
(4.14)
Quanto maior a carga, maior o escorregamento. Valores típicos desta grandeza
encontram-se na faixa de 0,3 % a 3 %. A Figura 12 apresenta a curva do comportamento
desta grandeza de acordo coma potência nominal do motor [24].
4.4.1.4 Conjugado
O conjugado ou torque é a grandeza que exibe o esforço necessário para girar o
eixo. A Figura 10 é uma curva contendo a rotação, o conjugado e o escorregamento [24]
e [27]. Os pontos em destaque são previstos pelas normas ABNT NBR 17094 e IEC
60034-1 e estão mais bem descritos a seguir:
Conjugado básico: é dado pela rotação síncrona e pela potência nominal
aplicados a equação 4.12.
Conjugado nominal ou a plena carga: conjugado desenvolvido pelo motor
quando operando em condições nominais de potência, tensão e frequência.
Conjugado com rotor bloqueado ou conjugado de partida: é o conjugado mínimo
desenvolvido pelo motor bloqueado, para todas as posições angulares do rotor,
sob tensão e frequência nominais. Comumente é expresso em relação ao
conjugado nominal. Este conjugado é também chamado de arranque, pois é o
conjugado de partida da máquina, devendo ser o maior possível para que o rotor
vença a inércia da carga.
Conjugado mínimo: conjugado de menor valor entre a partida e a velocidade
correspondente ao conjugado máximo. Este valor não pode ser muito baixo para
que a partida se dê em um tempo confortável de forma a não haver o
sobreaquecimento do motor, principalmente em casos onde a carga é elevada.
Conjugado máximo: conjugado de maior valor desenvolvido pelo motor e
quando sob tensão e frequências nominais. Deve ter o maior valor possível para
que sejam evitadas perdas bruscas de velocidade quando do aumento da carga e
em quedas momentâneas de tensão.
44
A norma NBR 7094 classifica os motores de acordo com a curva conjugado x
velocidade, apresentada na Figura 11. A curva parte do princípio de que o motor de
indução tem conjugado igual a zero a velocidade síncrona [27]. A Norma também leva
em consideração a corrente de partida dos motores, que são classificados conforme a
seguir:
Categoria N
Conjugado de partida normal, corrente de partida normal e baixo
escorregamento. Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-
se ao acionamento de cargas normais, consideradas de baixa inércia como bombas,
máquinas operatrizes, ventiladores.
Figura 10 - Curva Conjugado rotação de um motor de indução trifásico [27]
Categoria H
Conjugado de partida alto, corrente de partida normal e baixo escorregamento.
Usados para cargas que exigem maior conjugado na partida e, portanto, alta inércia,
como peneiras, transportadores carregadores, cargas de alta inércia, britadores, etc.
Categoria D
45
Conjugado de partida alto, corrente de partida normal e com escorregamento
acima de 5 %. Usados em prensas de perfuração, tesouras e máquinas de elevada inércia
onde a carga apresenta picos periódicos. Usados também em elevadores e cargas que
necessitam de conjugados de partida muito altos e corrente de partida limitada.
4.4.1.5 Corrente de partida
A corrente de partida de um motor de indução trifásico pode atingir valores de
até sete vezes o valor da corrente nominal e se o equipamento ficar submetido muito
tempo a esta corrente, pode exceder os limites térmicos e sofrer danos. Os valores
atingidos são os mesmos tanto para a máquina a vazio quanto quando carregada, porém
a carga mecânica influencia diretamente no tempo ao qual a máquina será submetida às
correntes elevadas da partida, portanto, faz-se necessário a correta adequação da carga
para o motor, já que uma grande desvantagem do motor de indução é sua elevada
corrente de partida [24].
Figura 11 - Curvas Conjugado x Velocidade, das diferentes categorias ABNT [27]
4.4.1.6 Fator de potência
O fator de potência de um motor de indução, quando operado em uma
velocidade próxima a síncrona, decai a valores inferiores a 0,2. O mesmo ocorre na
46
partida, quando o fator de potência é baixo. Um dos fatores que reduz o rendimento do
motor de indução quando este é sobredimensionado é a operação do equipamento mais
próxima à velocidade síncrona, fazendo com que o seu fator de potência seja reduzido
[24].
4.4.1.7 Rendimento
O rendimento de um motor de indução é máximo na faixa de 75 % a 100 % da
carga nominal ao qual a máquina é projetada. A Figura 12 apresenta uma curva
rendimento x potência, onde se pode acompanhar o exposto. Os valores são
considerados satisfatórios a partir de 50 % da carga nominal, porém em motores abaixo
de 10 cv o rendimento cai acentuadamente para valores inferiores a 60 % da carga
nominal [24].
Figura 12 - Características típicas de um Motor de Indução trifásico [2]
4.4.1.8 Perdas
O rendimento de uma máquina elétrica é dado pela análise clássica, aplicada, ou
seja, a relação da energia na saída e a energia entregue à máquina. Nesse caso, a
potência de entrada é a potência elétrica entregue pela rede e a de saída é a potência
mecânica desenvolvida no eixo do motor. Em geral, a faixa de rendimento de motores
vai de 80 a 90 % em máquinas de pequeno porte, até valores acima de 95 % em
máquinas de grande porte [25]. Dentre as perdas em máquinas elétricas rotativas tem-se:
47
Perdas ôhmicas – são perdas provenientes do efeito joule devido à passagem
de corrente pelos condutores dos enrolamentos, portanto, cresce com o
quadrado da corrente e também depende da resistência elétrica dos
enrolamentos. Tais perdas ocorrem tanto no enrolamento do estator como do
rotor, sendo que as perdas por efeito joule do estator são maiores do que às do
rotor. Esta perda é variável e oscila em conjunto com o carregamento do
motor [25].
Perdas mecânicas – São as perdas por atrito e ventilação. O motor tem um
sistema de ventilação, geralmente uma hélice acoplada ao eixo que utiliza
parte da potência mecânica do mesmo, configurando uma perda de potência.
A parcela da perda por atrito deve-se às perdas nos mancais por atrito do
rolamento dos mesmos [2] e [25].
Perdas no ferro – Perdas por histerese e por corrente parasita e são
provenientes da alteração de densidade de fluxo do ferro, quando apenas o
estator está energizado. As perdas por histerese são devido a reorientação dos
pacotes de lâminas de material ferromagnético laminado. Já as perdas por
corrente parasita ou de Foucault, devem-se às correntes induzidas no interior
do material magnético que geram calor. Estas perdas são maiores no estator e
são consideradas perdas fixas, pois variam pouco com o carregamento [2] e
[25].
Perdas adicionais – Ocorrem por consequência das imperfeições na
distribuição dos fluxos magnéticos e na distribuição não uniforme de corrente
no cobre. São perdas de difícil medição e, devido a isso geralmente são
medidas por subtração com relação às demais perdas [2] e [25].
4.4.2 Elementos de influência na eficiência energética
4.4.2.1 Baixo rendimento do motor
Em instalações mais antigas o rendimento de alguns motores não é aceitável
para os padrões atuais. Como a vida útil de um motor é consideravelmente elevada, o
equipamento antigo permanece em funcionamento apesar de estar ultrapassado no que
toca à eficiência energética. Além do rendimento de placa, ou seja, para o qual o motor
foi projetado, o tempo total de trabalho do motor também acarreta em um desgaste
natural de componentes internos, diminuindo o rendimento do equipamento [24].
48
4.4.2.2 Influência do ambiente
As condições ambientais no local onde está instalado o motor influenciam na sua
operação. A presença de fatores como: umidade, poeira, agentes abrasivos e exposição
ao tempo diminuem a vida útil do equipamento se este não tiver a devida proteção
contra tais fatores. Em geral, a sujeira dificulta a ventilação e aumenta a resistência
elétrica dos enrolamentos, aumentando tanto a temperatura do equipamento quanto as
perdas. Por sua vez, a umidade e os agentes abrasivos agem no que toca ao isolamento
dos enrolamentos, sendo que este último também deteriora a lubrificação dos mancais.
Como resposta ao problema, deve-se utilizar o equipamento com o grau de proteção
adequado, o IP, previsto na norma ABNT NBR 9884 e dado por dois algarismos,
conforme mostra a
Tabela 3. Cada algarismo corresponde a um grau de proteção, sendo que o
primeiro refere-se à proteção contra objetos sólidos e poeira e o segundo a penetração
de água.
Tabela 3 - Grau de proteção
Grau de proteção contra a penetração de
objetos sólidos estranhos
Grau de proteção contra a penetração
de água indicados pelo segundo
numeral característico
Numeral Descrição Numeral Descrição
0 Não protegido 0 Não protegido
1 Protegido contra objetos sólidos
de Ø 50 mm e maior 1
Protegido contra gotas
d'água caindo verticalmente
2 Protegido contra objetos sólidos
de Ø 12 mm e maior 2
Protegido contra queda de
gotas d'água caindo
verticalmente
com invólucro inclinado até
15°
3 Protegido contra objetos sólidos
de Ø 2,5 mm e maior 3
Protegido contra aspersão
d'água
4 Protegido contra objetos sólidos
de Ø 1,0 mm e maior 4
Protegido contra projeção
d'água
5 Protegido contra poeira 5 Protegido contra jatos
d'água
6 Totalmente protegido contra
poeira 6
Protegido contra jatos
potentes d'água
NA NA 7 Protegido contra efeitos de
imersão temporária em água
NA NA 8 Protegido contra efeitos de
imersão contínua em água
49
4.4.2.3 Dimensionamento inadequado
Um grande problema relacionado à eficiência energética é o
sobredimensionamento de motores. Como dito anteriormente, o motor elétrico tem uma
faixa de trabalho considerada eficiente de 60 % até a carga nominal. Porém, uma
parcela significativa dos motores elétricos opera abaixo dessa capacidade. Isso se deve
tanto por uma necessidade devido à característica da carga mecânica quando a mesma
opera com períodos de sobrecarga ou por partidas mais severas, quanto pelo
dimensionamento errado do motor para carga devido a: desconhecimento das
características da carga, métodos de dimensionamento inadequados, fatores de
segurança demasiadamente conservadores substituição de um motor danificado por
outro em estoque e mudança de carga de operação devido a redução na produção ou
modificações no processo [1], [24] e [26].
As principais consequências de sobredimensionamento de motores são:
Maiores custos, peso e volume ocupado;
Redução do fator de potência;
Redução do rendimento;
Maior corrente de partida.
O sobredimensionamento não é algo evidente, pois como o rendimento máximo
de um motor ocorre a cargas parciais, um aparente sobredimensionamento pode estar
fornecendo um modo de operação adequado para o conjunto motor-carga. Em geral,
deve-se analisar com critério a situação específica de cada motor ou conjunto de
motores.
Já para o caso do subdimensionamento, a situação fica mais evidente, já que o
motor opera inadequadamente e as proteções atuam com maior frequência,
evidenciando o problema. As consequências são as mesmas para o motor
sobredimensionado, com o agravante de que a vida útil deste equipamento sofrerá um
considerável decaimento devido às altas correntes e elevada temperatura de trabalho
[24].
De um modo geral, motores com velocidade de rotação mais baixa e de menor
potência têm um rendimento menor quando operados a cargas parciais da ordem de 60
% ou menos. Por outro lado, motores com maior potência e velocidade de rotação mais
elevada (menor número de polos), têm certa vantagem nesse aspecto. Dois métodos
simples podem ser utilizados a fim de que seja avaliado o carregamento do motor. A
50
verificação das correntes nas três fases do equipamento e posterior comparação com a
corrente nominal e a verificação da velocidade de rotação do rotor e posterior
comparação com a velocidade de rotação nominal. Se as correntes estiverem muito
abaixo da nominal e a rotação mensurada estiver acima da nominal, há indícios de que o
motor opera com sobredimensionamento [24].
As soluções para o problema do sobredimensionamento são limitadas. Há a
opção de operação com tensão inferior a nominal, mas o impacto dessa medida deve ser
avaliado com cuidado, já que a característica da carga pode fazer com que o motor não a
atenda. Também há a opção de substituição do mesmo por um mais adequado [24].
Segundo a EPE no PNE em [1], a substituição de motores nessa condição só se justifica
economicamente quando mais próximo do fim da vida útil do equipamento.
4.4.3 Propostas de melhoria de eficiência energética
4.4.3.1 Motores de alto rendimento
O primeiro equipamento a ter seus índices mínimos de rendimento tabelados por
força da lei de Eficiência Energética, descrita no item 3.1 deste trabalho, foi o motor
elétrico de indução, devido à sua importância e abrangência no consumo de energia
elétrica. O Decreto n° 4.508/02, específico para motores, continha duas tabelas, uma
para motores standard ou linha comum e outra para motores de alto rendimento. A
portaria 553/05 unificou as tabelas, nivelando-as pelo maior rendimento. O que, na
prática, fez com que todos os motores comercializados no Brasil a partir de 2010 (prazo
para que a lei entrasse em vigor) fossem de alto rendimento segundo o padrão antigo.
Contudo, os fabricantes mantêm linhas de motores com rendimento superior à tabelada,
fazendo com que a opção de uma linha de motores com rendimento superior ao tabelado
ainda possa ser comprada [1].
Reduzir as perdas em uma máquina com eficiência elevada é deveras complexo,
já que o incremento torna-se baixo. Há motores de alto rendimento com até 60 % menos
perdas totais do que em um motor padrão, porém com apenas 3,5 % de ganho em
rendimento [26]. O ganho de eficiência dos motores de alto rendimento vem de
melhorias de projeto em todas as partes construtivas do motor. No núcleo, são usados
materiais magnéticos de melhor qualidade e com lâminas de espessura mais fina. Nas
perdas mecânicas, a atuação vem em vias de melhorar o rolamento e aperfeiçoar a
ventilação, pois o motor tem menor elevação de temperatura por ser feito de materiais
51
de melhor qualidade quando comparado ao equipamento padrão. As perdas por efeito
joule no estator são diminuídas através da utilização de condutores de bitola maior, o
que faz com que a resistência do mesmo diminua. O motor em si acaba aumentando em
tamanho, pois as ranhuras têm de sediar a bitola dos condutores que compõem o
enrolamento. No rotor, as perdas são de menor impacto do que no estator, mas em
virtude do projeto como um todo ter sido modificado, há necessidade de adequação à
norma de critérios de especificação de condições de partida, o que justifica o maior
dispêndio em material no rotor [24] e [26].
Tabela 4 - Vantagens e desvantagens do motor de alto rendimento
Motor de alto rendimento
Vantagens Desvantagens
Redução do consumo de energia elétrica
Maior robustez inclusive em operação
Trabalham com menores temperaturas
Rendimento maior e mais constante
mesmo com cargas parciais
Apresenta um fator de potência maior
Ocupam maior volume e peso
Alto custo inicial
Nem sempre são
economicamente viáveis
A opção pela utilização de motores de alto rendimento deve levar em conta o
modo de operação do motor, disponibilidade e readequação de espaço (quando em
substituição a outro motor) e a viabilidade econômica de se obter o equipamento. A
Tabela 4 resume o exposto com as vantagens e desvantagens dessa solução.
4.4.3.2 Acionadores de velocidade variável
Motores de indução acionando cargas centrífugas (bombas, ventiladores e
compressores) são projetados para trabalhar em carga nominal do conjunto motor-carga,
no entanto devido a oscilações características do processo, o motor opera em cargas
diferentes da nominal, necessitando de uma forma de controle do processo. Os métodos
de controle de vazão utilizados com maior frequência na indústria são descritos abaixo:
Controle por linha de by-pass: neste caso, uma tubulação com uma válvula
estão ligadas a tubulação de descarga da bomba ou compressor, promovendo o
retorno para a sucção da mesma, a fim de controlar a vazão a jusante a carga;
52
Controle por válvula de estrangulamento: neste caso, uma válvula controla a
vazão de saída da bomba ou compressor através do percentual de abertura e
fechamento da mesma.
Controle por damper de saída: um damper é instalado na saída do ventilador.
Sua função é de acordo com a abertura, controlar o fluxo. Sistema similar ao
anterior, mas aplicado a ventiladores.
Dependendo da aplicação, os métodos mais adotados são pouco eficientes. A
utilização de controladores de velocidade através de inversores de frequência torna-se
uma grande janela de oportunidade de aumento de eficiência, já que mais de 60 % dos
motores elétricos acionam cargas centrífugas [15] e [28].
4.4.3.2.1 Descrição
O inversor de frequência é um equipamento que se utiliza de chaves eletrônicas
para controlar a frequência e amplitude de tensão em sua saída. A possibilidade de se
variar a rotação do motor pelo inversor vem do fato que a rotação é função da
frequência de alimentação, conforme equação 4.11. Como as demais variáveis do motor
nesta equação são fixas, variando-se a frequência de alimentação do motor, pode-se
variar a rotação do eixo do equipamento. No entanto, deve-se garantir o torque que o
motor deve oferecer. Isso é possível mantendo-se o seu fluxo magnético, conforme
equação 4.15:
, (4.15)
sendo:
- fluxo magnético e
N - número de espiras.
Se a relação entre a tensão e a frequência for constante, o fluxo magnético
também o será e, portanto, o torque no eixo do motor estará na mesma condição [29].
Para o caso de cargas centrífugas, a curva de carga é uma relação quadrática
entre torque e rotação. O uso do inversor diminui a potência utilizada ao diminuir a
velocidade do eixo e o torque, resultando em economia de energia [15].
4.4.3.2.2 Leis de afinidade e economia de energia
Em análises de velocidade variável, é necessária a utilização das leis de
afinidade que têm suas premissas e equações dadas a seguir. O sub-índice 1 refere-se
53
aos valores iniciais enquanto que o sub-índice 2 refere-se aos valores após a mudança de
velocidade.
A vazão do fluido em um equipamento rotativo é diretamente proporcional
à rotação:
. (4.16)
A pressão é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade:
(
) (4.17)
A potência é diretamente proporcional ao cubo da velocidade:
(
) , (4.18)
sendo:
Q – vazão,
P – potência,
N – velocidade e
H – pressão
Ou seja, se for realizada uma redução de 50 % na velocidade do conjunto motor-
carga, haverá uma redução de potência de aproximadamente 87,5 % para o mesmo
trabalho realizado. A Figura 13 ilustra o exemplo numérico.
Figura 13 - Economia de energia com o uso do inversor [30]
54
4.4.3.2.3 Características de cargas centrífugas
Cargas centrífugas (sejam elas: ventiladores, compressores ou bombas) têm
diversas curvas envolvendo variáveis como: rendimento, pressão, vazão e potência.
Umas das principais é a curva pressão x vazão, ilustrada na Figura 14. O ponto de
trabalho da carga centrífuga é dado pela vazão e pressão que a mesma atinge na curva a
uma dada velocidade. No caso dos métodos de controle por restrição, a curva do
sistema sofre um deslocamento, fazendo com que a operação ocorra de modo
inadequado. Para o caso da válvula de restrição, a perda se dá no aumento da pressão do
sistema, já no método que se utiliza de by-pass a perda ocorre por maior vazão [15] e
[28].
Por outro lado, o inversor de frequência faz com que a carga centrífuga opere em
um ponto com menor dispêndio energético. A vazão e a pressão serão mais adequadas
ao controle de vazão, gastando uma menor quantidade de energia. A Figura 13 e a
Figura 14 exemplificam o exposto graficamente.
Ainda na Figura 13, no ponto C tem-se 100 % da potência para 100 % da vazão.
Se o sistema já atua com uma válvula restringindo a vazão, por exemplo, para 50 %, o
equipamento estará trabalhando no ponto A e tendo uma economia, por exemplo, de 15
%. Mas, se a válvula for retirada e um inversor for instalado, o ponto de trabalho será o
ponto B com 12,5 % da potência. O trecho AB, que é a perda de energia provocada pela
válvula, também representa a economia obtida com o inversor, que neste exemplo é de
72,5 % [30].
Figura 14 - Curva de uma carga centrífuga com dois pontos de trabalho [15]
55
4.4.3.2.4 Considerações gerais
Em geral, os inversores de frequência têm grande aplicação na indústria e
principalmente em cargas centrífugas, porém alguns critérios gerais devem ser
utilizados no que toca a aplicabilidade dos mesmos. A Tabela 5, adaptada de [1] e [30]
os apresenta.
Tabela 5 - critérios gerais para uso de controladores de velocidade
Critério Condição
Potência <15 HP: Tempo de retorno muito longo
15 a 30 HP: bom candidato
>30 HP: excelente candidato
Horas de Operação Várias horas de operação: > 2000/ano
Tipo de carga Cargas centrífugas
Variação da carga Maior que 30 % e oscilando entre 60 % a 90 %
da nominal.
Percentual de
tempo em carga reduzida
A carga do motor pode ter uma grande variação, porém
se a duração for curta e a maior parte do tempo for
carga constante, o uso de inversor não se justifica.
Dentre as vantagens do inversor de frequência, pode-se citar: o aumento da vida
útil, limitação da corrente de partida, melhor controle das variáveis do processo e a
diminuição do consumo energético. Como desvantagens, há o custo inicial elevado, o
aumento da complexidade de sistemas, já que um novo equipamento é colocado em
funcionamento, e a questão dos harmônicos gerados devido ao chaveamento, problema
que pode causar consequências para outros equipamentos caso muitos inversores sejam
utilizados e sem o devido filtro.
4.5 Circuitos e componentes das instalações
4.5.1 Influência da rede elétrica
As características das redes elétricas de alimentação e suas falhas podem
influenciar na eficiência energética da operação dos equipamentos. Da mesma forma,
equipamentos inadequados ou sem cuidados podem influenciar na eficiência energética
das redes. As perdas em condutores nas instalações podem chegar a 5 % do consumo
56
das instalações elétricas industriais e apesar de não estarem diretamente relacionadas
com os equipamentos de consumo final, as perdas nas instalações são afetadas de
acordo com a demanda das diversas cargas instaladas no parque [32]. Embora possam
parecer pequenas, quando se pensa em falhas e inadequações de componentes as perdas
podem se tornar excessivas e contabilizar grandes prejuízos.
4.5.2 Elementos de influência na eficiência energética e propostas de melhoria
4.5.2.1 Oscilação na amplitude da tensão
Quando um equipamento é alimentado com uma tensão inferior à nominal e fora
da faixa de tolerância, a corrente demandada pelo equipamento aumenta, elevando sua
temperatura e causando uma elevação nas perdas por efeito joule nos condutores
internos do equipamento. Quando a tensão elétrica aplicada é superior ao valor nominal,
ocorrem problemas relacionados à corrente de magnetização em equipamentos que se
utilizam de reatores, motores e bobinas [2]. As consequências são desde a perda de vida
útil de equipamentos e funcionamento inadequado, perdendo eficiência energética, até a
geração de um defeito nos equipamentos.
As principais causas de alterações na amplitude da tensão são: transformadores
ou cabos subdimensionados, sobrecarga do sistema e baixo fator de potência [2], [24] e
[26].
Com isso, a tensão da rede pode ser recuperada com as seguintes medidas:
Instalação de bancos de capacitor, elevando a tensão e corrigindo o fator de
potência;
Ajuste no tap do transformador ou instalação de equipamento de ajuste
automático, caso a carga varie ao longo do regime de trabalho;
Redimensionamento dos cabos de alimentação;
Equilíbrio das cargas de acordo com o projeto.
Os problemas de flutuações da tensão não se constituem em aspectos que se
deva analisar para melhorar a eficiência energética, mas sim fraquezas ou falhas das
redes que devem e podem ser corrigidos com as técnicas mencionadas neste item.
4.5.2.2 Desequilíbrio de tensões de fase
Um fator que diminui a eficiência dos equipamentos é o desequilíbrio de tensão
de alimentação trifásica. Este problema tem como causas principais a ligação
57
desbalanceada de cargas monofásicas e a utilização de cabos com bitolas diferentes,
principalmente em casos onde o sistema monofásico foi transformado em trifásico [26].
Os principais problemas que o desequilíbrio de tensão acarreta são:
Correntes maiores e desequilibradas circulando nos equipamentos, causando
diminuição do rendimento;
Elevação da temperatura dos equipamentos, podendo chegar a valores
inaceitáveis;
Diminuição do fator de potência.
As soluções propostas para o desequilíbrio de tensão são:
Utilizar condutores de igual bitola e comprimento para as três fases;
Distribuição uniforme das cargas monofásicas (iluminação, motores
monofásicos, sistemas auxiliares em geral) entre as três fases;
Utilizar, preferencialmente, motores trifásicos.
Verificar se todos os capacitores do banco, caso haja, estejam funcionando
normalmente. Se um capacitor de uma fase estiver desligado ou com defeito,
causará o desequilíbrio de tensão.
Da mesma forma que as flutuações da tensão, os desequilíbrios de fase não
podem permanecer durante longo período e, por isso, não podem ser analisados como
aspecto de eficiência energética.
4.5.2.3 Dimensionamento e adequação de condutores
Os condutores devem ser dimensionados de acordo com as normas vigentes e
levar em consideração a diminuição das perdas por efeito joule. A maneira a qual os
circuitos são instalados têm influência direta nas perdas da instalação, tanto por
agrupamento como por influências dos arranjos que causam induções eletromagnéticas
e pontos de aquecimento como consequência [16] e [32].
Caso haja aumento de carga, é necessário que se analise os circuitos e
barramentos para que a instalação não seja projetada com foco em eficiência para uma
determinada aplicação e que se perca essa filosofia de projeto devido a mudanças
inadequadas. [32].
Em instalações já existentes, modificadas ou não, a presença de pontos quentes,
perdas de isolamento e correntes de fuga são sinais de precariedade dos componentes,
58
gerando perda de eficiência na instalação. Estes problemas são usualmente causados por
esforços mecânicos, mau contato ou defeito em peças específicas.
É necessário verificar constantemente o fator de potência das cargas alimentadas
por estes circuitos, para evitar sobrecarga nos condutores. O fator de potência deve ser
corrigido para aliviar os condutores dos alimentadores.
As perdas nos circuitos e alimentadores podem ser calculadas pela expressão:
, (4.19)
sendo:
R – resistência elétrica,
P – potência elétrica consumida,
V – tensão da rede e
Cosφ – fator de potência.
Uma proposta para a solução destes problemas é relacionada à manutenção e
envolvem:
Verificação rotineira da isolação dos circuitos, correntes de fuga de
equipamentos e aterramento da instalação;
Uso de equipamentos de termografia para detecção de pontos quentes.
Caso seja detectado algum problema deste tipo, a instalação deverá sofrer
manutenção ou troca de componentes visando a diminuição das perdas, aumento da vida
útil e segurança [32].
4.5.2.4 Presença de harmônicos na rede
A tensão de alimentação de uma rede alternada é senoidal, porém devido ao
aumento progressivo do uso de chaves eletrônicas, incluindo os inversores de
frequência, a forma da onda sofre alterações devido ao chaveamento provocado por
esses equipamentos. Essas alterações, chamadas de harmônicos da rede, causam
diminuição do rendimento dos equipamentos em geral. No caso de equipamentos
rotativos há aumento da vibração e do aquecimento, bem como redução do tempo de
partida e pulsação quando durante regime transitório. Os harmônicos tendem a diminuir
a vida útil de equipamentos em geral, porém os fabricantes de inversores de frequência
já apresentam dispositivos com alterações mínimas na rede, inclusive com filtros
acoplados [26].
59
Devido à geração de harmônicos, os inversores de frequência devem ser
utilizados com redução de 5 % a 10 % na redução da potência disponível ao eixo,
quando em motores convencionais, ou estes equipamentos devem ser projetados com
uma potência de 5 % a 10 % superior à solicitada pela carga. Em motores de alto
rendimento, tal prática não se faz necessária, pois este equipamento suporta com maior
facilidade os efeitos indesejáveis dos harmônicos, já que suportam maiores temperaturas
e possuem menores perdas [26].
60
5 ESTUDO DE CASO
5.1 Descrição da unidade
Neste trabalho será utilizada uma usina térmica de geração de energia a gás
natural com ciclo combinado como base. A escolha se dá por uma motivação
profissional do autor.
A UTE possui seis turbinas a gás natural e três turbinas a vapor divididas em três
blocos de energia. Cada turbina a gás tem uma caldeira de recuperação para geração de
vapor que alimentará as respectivas turbinas a vapor. As caldeiras têm interligação de
vapor para posterior entrada do mesmo nas turbinas a vapor.
Os sistemas principais da UTE são: bombas de alimentação das caldeiras,
caldeiras de recuperação, turbinas a vapor, turbinas a gás e condensador com bombas de
recalque. Dentre os sistemas auxiliares principais da UTE, existem: uma torre de
resfriamento (uma para cada bloco), estação de bombeamento de água desmineralizada,
estação de recalque de água bruta, subestação de energia, estação de tratamento de água
e estação de gás.
5.2 Metodologia
A metodologia utilizada no estudo de caso será o levantamento de cargas
elétricas principais, análise de oportunidades de melhoria e avaliação de viabilidade
técnico-econômica.
O levantamento de cargas foi realizado com a utilização de documentação
técnica e de apoio da equipe de engenharia e manutenção da unidade industrial.
A análise de oportunidade utilizou-se do embasamento teórico detalhado neste
trabalho em conjunto com a visão da equipe de trabalho envolvida nas atividades,
contribuindo com a informação de alguma falha ou dificuldade a qual se percebeu
durante a vida pregressa dos equipamentos, bem como com informações não
documentadas. As propostas foram feitas com base nos produtos que o mercado atual
oferece, portanto, são totalmente exequíveis.
A análise de viabilidade técnico-econômica foi realizada através de planilha
eletrônica e orçada no mercado. Foram utilizados catálogos de divulgação e dados
técnicos para o embasamento geral e os preços foram orçados no mercado. Quando a
solução era mais complexa do que um produto ou envolvia mão-de-obra, fez-se uma
estimativa baseada nas experiências anteriores da UTE. As técnicas utilizadas são o
61
VPL, o tempo de retorno e a TIR a serem descritas neste capítulo. Estas técnicas são
amplamente utilizadas em meios profissionais.
5.3 Levantamento de cargas
5.3.1 Sistema de iluminação
A iluminação da UTE é composta por lâmpadas do tipo: fluorescente tubular
T10, mista e vapor de sódio.
As lâmpadas do tipo fluorescente tubular são distribuídas pela planta industrial
como um todo. Iluminando tanto áreas internas das turbinas a gás e vapor e CCMs,
quanto externas como as caldeiras, ciclo água vapor, torres de resfriamento e ilhas
químicas, esta lâmpada ilumina os principais planos de trabalho da equipe de operação e
manutenção da unidade. As lâmpadas mistas são distribuídas nas torres de resfriamento
e na estação de gás, bem como são utilizadas na iluminação interna de áreas comuns da
usina. Já as lâmpadas a vapor de sódio são utilizadas na subestação e galpões de
armazenamento, bem como em alguns pontos das ruas internas da unidade. As
lâmpadas colocadas em área externa têm fotocélula, o que faz com que seu regime de
trabalho fique em torno de 12 horas diárias. As lâmpadas colocadas em áreas internas
(aproximadamente 50 % das lâmpadas fluorescentes) funcionam em regime contínuo
por medida de segurança. No estudo econômico será considerado um regime de trabalho
médio de 18 horas por dia para as lâmpadas fluorescentes e de 12 horas para as demais.
A quantidade de lâmpadas estimadas e suas cargas encontram-se na Tabela 6.
Tabela 6 - Quantitativo de carga em iluminação
Lâmpada
(Tipo/Potência) (W)
Potência unitária
Lâmpada+Reator (W)
Lâmpadas
Instaladas
Potência Total
(kW)
Fluorescente T10 / 40 47,5 2600 123,5
Mista / 250 250 70 17,5
Vapor de Sódio / 250 /
400
274,5/440 70/12
19,2 /5,3
62
5.3.2 Sistema de condicionamento ambiental
O sistema de condicionamento ambiental na área industrial da UTE é utilizado
para a proteção dos equipamentos elétricos e de análise química. Estes equipamentos
são distribuídos em módulos do tipo container e são refrigerados devido a sua
temperatura de trabalho não poder exceder um valor limite. Os ambientes climatizados
da planta são: container de amostragem química de vapor e condensado, módulo de
extinção de incêndio com CO2 das turbinas a gás, módulo de análise de emissão de
poluentes e módulos CCMs com disjuntores de cargas auxiliares e controladores das
turbinas a gás e a vapor. Neste último caso, os módulos têm diversos ambientes
separados, pois além da quantidade de equipamentos, há diferença de criticidade entre
as cargas, sendo os controladores os mais sensíveis ao aumento de temperatura. A
Tabela 7 apresenta o quantitativo de cargas e aparelhos levantados. Os equipamentos
self-contained instalados ainda têm uma sobrevida razoável, porém estão com 10 anos
de funcionamento ininterrupto, sendo que alguns já apresentam uma quantidade de
falhas elevada. Já os modelos tipo janela estão com plena necessidade de troca, devido
ao número excessivo de falhas e baixa eficiência.
Tabela 7 - Quantitativo de carga em condicionamento ambiental
Tipo de Aparelho e
capacidade(BTU/h)
Potência elétrica consumida
por aparelho (kW)
Unidades
instaladas
Potência
Total(kW)
Janela 18000 2,57 15 38,55
Self-Contained 36000 8,22 12 98,64
Self-Contained 60000 13,2 42 554,4
5.3.3 Sistema motriz
A UTE tem uma quantidade elevada de motores. Este estudo focou-se nas
principais cargas e o histórico das mesmas. As principais cargas motrizes da unidade
são bombas centrífugas: bombas de alimentação das caldeiras de alta pressão, bombas
de recalque de condensado para o tanque de alimentação, bombas de circulação de água
de resfriamento das torres de resfriamento, bombas de alimentação de água para o
sistema, bombas de alimentação das caldeiras de média pressão e bombas de recalque
de água bruta.
63
Tabela 8 - Quantitativo de cargas motrizes
Tipo de carga Potência unitária
(kW)
Unidades
instaladas
Potência Total
(kW)
Alta pressão 2500 3 7500
Alta pressão 800 4 3200
Baixa pressão 110 4 440
Água de resfriamento 850 4 3400
Água de resfriamento 890 2 1780
Alimentação do
sistema
45 3 135
Alimentação do
sistema
18,5 2 37
Alimentação do
sistema
33,5 2 67
Recalque de
condensado
150 9 1350
Recalque de água
bruta
150 1 150
5.4 Análise dos sistemas e propostas de melhoria
5.4.1 Iluminação
Foram identificadas possibilidades de melhoria no sistema de iluminação. Os
critérios adotados para análise técnica serão a eficiência energética, vida útil e
manutenção da qualidade do projeto. Não há relatos ou indícios de luminosidade
inadequada na planta, portanto as referências adotadas em quantidade de iluminamento
e quantidade de pontos de luz serão mantidas. Em termos de regime de trabalho, a
adoção da célula de luminosidade é de grande valia na economia de energia e em
ambientes internos de equipamentos se faz necessária a iluminação constante por
motivos de segurança. Nesse ponto, não há medida de conservação a ser aplicada. Algo
que pode melhorar a distribuição luminosa seria a limpeza das luminárias, pois o
ambiente de trabalho das mesmas faz com que o acúmulo de poeira dificulte a
distribuição do fluxo luminoso. As propostas por alteração de projeto e retrofit seguem
abaixo.
64
No caso de lâmpada fluorescente tubular modelo T10 de 40 W, há duas
propostas:
Troca das lâmpadas modelo T10 por modelos T8: Nesse caso, ambos os
modelos utilizam o conector G13 e possuem o mesmo comprimento. A
vantagem do modelo T8 está na maior eficiência luminosa, maior fluxo
luminoso e IRC maior. A troca do reator antigo pelo modelo eletrônico, apesar
de não ser necessária, também é interessante, já que o consumo do antigo
impacta em 7,5 W por lâmpada, enquanto o modelo eletrônico impacta 4 W. A
comparação entre o sistema instalado e o proposto foi realizada através dos
dados do catálogo da OSRAM (marca já utilizada na empresa) [33] e encontra-
se na Tabela 9.
Tabela 9 - Comparativo entre modelos T10 e T8
Lâmpada (Tipo/Potência) Fluorescente T10 40 W Fluorescente T8 32 W
Potência Unitária
Lâmpada+Reator (W)
47,5 36
Fluxo Luminoso (lm) 2.500 2.700
Rendimento (lm/W) 62,5 84,4
Vida útil média (h) 12.000 12.000
Troca das lâmpadas T10 por modelos T5: Nesse caso, o ganho energético é
potencialmente maior, porém o custo será maior, já que o modelo T5 não tem o
mesmo conector do que os modelos T8 e T10 e nem o mesmo comprimento,
havendo a necessidade de que o conjunto luminária-conector seja trocado. A
luminária utilizada é do tipo hermética e os reatores também obedecem ao
exposto no caso anterior. A grande vantagem desta proposta é a vida útil e o
ganho em eficiência, conforme dados na Tabela 10.
Tabela 10 - Comparativo modelos T10 e T5
Lâmpada (Tipo/Potência) Fluorescente T10 40 W Fluorescente T5 25 W
Potência Unitária
Lâmpada+Reator (W)
47,5 29
Fluxo Luminoso (lm) 2.500 2.600
Rendimento (lm/W) 62,5 104
Vida útil média (h) 12.000 24.000
65
5.4.1.1 No caso das lâmpadas mistas, foi identificada uma proposta, apresentada a
seguir:
Troca das lâmpadas mistas por lâmpadas a vapor metálicas: Com ambos
os modelos utilizando o conector E40, e com a tensão de trabalho sendo a
mesma para ambos, será necessário apenas a compra do reator e lâmpada, já que
a luminária comporta o novo modelo. A proposta é detalhada na Tabela 11 e
pode-se perceber que os ganhos em eficiência e vida útil média são
consideráveis. O IRC da lâmpada a vapor metálico também é superior à lâmpada
mista, promovendo um aumento na qualidade da iluminação.
Tabela 11 - Comparativo modelo mista e a vapor metálico
Lâmpada (Tipo/Potência) Mista 250 W Vapor Metálico 100 W
Potência Unitária
Lâmpada+Reator (W)
250 110
Fluxo Luminoso (lm) 5.600 8.000
Rendimento (lm/W) 22,5 80
Vida útil média (h) 10.000 24.000
5.4.2 Condicionamento ambiental
Foram identificadas possibilidades de melhoria nos três tipos de aparelhos
analisados. A vedação térmica dos ambientes climatizados encontra-se em bom estado e
não há relatos ou indícios de que algum aparelho tenha que ser redimensionado. No que
se refere a práticas, uma adotada na unidade é a fixação do setpoint de temperatura dos
aparelhos, o que faz com que o mesmo trabalhe adequadamente. No que toca a medidas
de atualização os três modelos de aparelhos têm alternativas com melhor rendimento,
conforme descrito a seguir:
5.4.2.1 Substituição dos modelos tipo janela por modelos Split
Os modelos do tipo janela têm uma eficiência inferior aos modelos tipo Split. No
caso da unidade, os modelos são antigos e a eficiência está baixa para os padrões atuais.
O índice de falha dos equipamentos tipo janela encontra-se elevado, necessitando uma
solução. A tensão e a capacidade do modelo proposto foram mantidas a fim de
simplificar e baratear a instalação. A Tabela 12 mostra o comparativo entre o modelo
atual e o proposto.
66
Tabela 12 - Comparativo entre modelos tipo janela e split
Tipo de Aparelho Janela Split
Capacidade (BTU/h) 18.000 18.000
Potência Unitária (kW) 2,57 1,645
Rendimento (W/W) 2,05 3,20
5.4.2.2 Substituição dos modelos tipo self-contained por modelos tipo Split
Os modelos self-contained possuem um nível de eficiência considerado baixo,
pois são modelos antigos. Os aparelhos para suas duas capacidades instaladas na
unidade têm seu comparativo na Tabela 13 e na Tabela 14. Pelas tabelas, nota-se um
aumento no rendimento dos equipamentos.
Tabela 13 - Comparativo entre modelos tipo self-contained e Split (36000)
Tipo de Aparelho Self-Contained Split
Capacidade (BTU/h) 36.000 36.000
Potência Unitária (kW) 8,22 3,72
Rendimento (W/W) 1,28 2,83
Tabela 14 - Comparativo entre modelos tipo self-contained e Split (60000)
Tipo de Aparelho Self-Contained Split
Capacidade (BTU/h) 60.000 60.000
Potência Unitária (kW) 13,2 5,7
Rendimento (W/W) 1,33 3,08
5.4.3 Correção de fator de potência
A correção do fator de potência é realizada através de uso de capacitores
próximos às cargas (correção localizada), o que faz com que a energia reativa não
circule na instalação. Desta forma, as perdas por efeito joule na instalação são
minimizadas.
5.4.4 Cargas motrizes
No caso das cargas motrizes não foram encontradas cargas com
sobredimensionamento evidente e nem indícios deste problema de acordo com os
critérios descritos no item 4.4.2.3. Os motores apresentam funcionamento adequado,
não demonstrando oscilações de velocidade ou funcionamento inadequado quando em
67
carga. As cargas motrizes analisadas neste trabalho, constituídas em sua totalidade por
bombas, têm alta estabilidade de operação. Isto se deve à natureza do processo, uma
usina térmica. A única exceção é a bomba de recalque de água bruta, que bombeia água
de um tanque armazenador de água bruta para a estação de tratamento. Devido à
modulação de carga da estação, esta bomba opera corriqueiramente com carga parcial e
utiliza-se de um sistema de estrangulamento com retorno para o tanque para tal. Visto o
exposto, a proposta de instalação de um inversor parece ser uma solução adequada, já
que os motores da unidade ainda têm uma sobrevida elevada.
5.4.4.1 Instalação de um inversor de frequência
A instalação de um inversor de frequência faria com que a bomba trabalhasse em
uma condição de maior rendimento, já que a capacidade nominal da mesma é de 1760
gpm (galões por minuto) e a vazão média utilizada é de 820 gpm e a variação
instantânea da transferência de água bruta varia entre 650 e 1200 gpm, ou seja, a
variação de vazão fica em torno de 37 e 68 %, sendo a vazão média em torno de 47 %.
Em carga nominal, a bomba demanda 120 kW. Considerando a eficiência do
motor em 95% para a carga nominal da bomba:
Esta é a potência elétrica demandada pelo motor para este regime de
funcionamento. A aplicação do inversor necessita da manutenção da pressão mínima
necessária para o bombeamento até a estação de tratamento, esta pressão é de 130 ft,
segundo concepção de projeto. A velocidade a qual a bomba apresenta estas
características é 1200 rpm, de acordo com a Figura 15.
68
Figura 15 - Curva pressão x vazão para diversas velocidades da bomba
69
De acordo com a Figura 16, a potência da bomba para esta velocidade é de 42 hp
a uma vazão de 820 gpm. Considerando a eficiência do inversor em 97 %, pode-se
calcular o consumo com este perfil de operação:
Figura 16 - Curva potência x vazão da bomba para velocidade de 1200 rpm
O resumo da solução encontra-se na Tabela 15:
Tabela 15 - Comparativo entre os métodos de controle
Método de controle Estrangulamento com retorno
para o tanque
Inversor de Frequência
Consumo (kW) 126,3 34
5.4.5 Circuitos e componentes das instalações
Nesta área, não foram observados problemas específicos nos circuitos. A
instalação mostra-se adequada em termos de norma, tendo circuitos dedicados e
equipamentos sem histórico ou indício de funcionamento inadequado devido a
problemas na rede elétrica.
A diminuição de carga devido aos outros tópicos aplicados neste estudo confere
alívio aos circuitos que alimentam as cargas e aos alimentadores aos quais estes
alimentam, reduzindo assim as perdas nos circuitos.
5.5 Viabilidade técnico-econômica das propostas
A análise foi feita com a utilização de planilha eletrônica, levando em
consideração a vida útil e orçamento feito no mercado. Os orçamentos foram feitos em
70
lojas virtuais ou por telefone e encontram-se no Anexo A – Orçamento. As ferramentas
utilizadas no estudo são:
Taxa mínima de atratividade - é a taxa de juros a qual o investidor considera
mínima para a viabilidade financeira de um projeto. Em outras palavras, é a
mínima valorização do capital que o investidor preconiza [34] e [35].
Tempo de retorno - o tempo de retorno simples é a divisão do custo inicial ou
investimento, pelas receitas. O método simples não considera as taxas de juros,
mas se acompanhado de critérios que as considerem, torna-se ferramenta útil. A
concepção básica é a de se saber quanto tempo é necessário para que o projeto
tenha os seus benefícios igualados ao investimento [2].
Valor presente líquido - Este critério fornece uma indicação a respeito do
potencial de aumento de valor do investimento. A técnica consiste em trazer
para o presente todos os custos e benefícios que ocorrem ao longo do tempo.
Utiliza-se o fluxo de caixa anual corrigido por uma taxa estabelecida de acordo
com o tempo de cada entrada do fluxo de caixa, o somatório destes valores é o
VPL. A equação 5.1 apresenta o método de cálculo para o VPL dado o fluxo de
caixa de uma empresa. No ano zero, o valor é apenas o investimento inicial,
sendo este um valor negativo. Nos demais, há entradas e saídas a serem
contabilizadas, dependendo da natureza do projeto [2] e [34].
∑
, (5.1)
sendo:
VPL – Valor presente líquido,
FC – fluxo de caixa para um determinado ano,
n – duração do projeto ou do horizonte de análise econômica,
t – quantidade de tempo, usualmente dada em anos e
i – taxa de juros associada à taxa mínima de atratividade.
O VPL demonstra o resultado em valores atuais, dada uma taxa de juros
considerada atrativa para a realidade do investidor. O resultado pode ser
negativo, zero ou positivo. Quando o resultado do VPL é negativo, isto significa
que o dinheiro investido perdeu valor ao invés de ganhar, ou seja, o projeto não
é economicamente viável, pois diminui o valor do capital investido. Por outro
lado, se o VPL for positivo, o valor do capital investido multiplicou-se, ou seja,
o investidor teve um ganho maior do que a taxa mínima de atratividade. Nesse
71
caso, o projeto é viável economicamente. Quando o valor do VPL é zero, não há
ganho ou perda de capital por parte do investidor [2] e [35].
Taxa interna de retorno - representa a taxa de juros que iguala o investimento
inicial com o fluxo de caixa subsequente, ou seja, é a taxa que, se usada no
cálculo do VPL, o tornará nulo dentro de um período de um mesmo tempo. O
cálculo da TIR é feito através da equação 5.1 utilizando-se o valor VPL como
zero, dada a própria definição da TIR. Esta taxa é calculada por métodos
numéricos e é útil para a percepção de retorno de capital em juros. Sua utilização
deve ser focada em comparação com a TMA, se a TIR for maior do que esta, o
investimento é considerado viável economicamente. Já se a TIR for menor do
que a TMA, o investimento não é viável, pois não trará o retorno adequado ao
investidor.
5.5.1 Considerações
Neste estudo, as seguintes considerações serão adotadas com base na unidade a
ser estudada:
A economia de energia não diminuirá o custo e sim aumentará a quantidade de
produto final entregue ao cliente. Já que a unidade é uma usina de energia
elétrica, a energia a ser economizada será monetizada com o mesmo valor que o
sistema retorna financeiramente à empresa;
O regime de trabalho de cada equipamento foi considerado nos cálculos com
uma estimativa de trabalho média;
A taxa mínima de atratividade dos investimentos será dada como 10 %. Esta
taxa foi utilizada para o cálculo do VPL. E deve ser utilizada para comparação
com a TIR.
5.5.2 Iluminação
A mão-de-obra já é contratada pela unidade para a manutenção do sistema, não
sendo um custo extra para o projeto. As luminárias estão adequadas e deverão ser
modificadas, somente se a proposta requisitar.
5.5.2.1 Substituição do modelo T10 pelo T8
O orçamento de cada lâmpada e reator foi de R$ 6,25 e R$ 18,34, cada. Ao
somar-se o valor de duas lâmpadas com o da luminária e dividirmos pelo número de
72
lâmpadas, chega-se a um custo unitário por lâmpada de R$ 15,42. Como a vida útil da
lâmpada para uma média de uso de 18 horas diárias fica em torno de 1,8 anos, o VPL e
a TIR foram calculados para um período equivalente. Os resultados energético e
financeiro estão expostos na Tabela 16 e na Tabela 17.
Tabela 16 – Resultado energético para a solução por modelo T8
Lâmpadas
Instaladas
Potência
total
anterior
(kW)
Potência total após
modificação (kW)
Redução de
demanda (kW)
Energia
Economizada ao
ano (MWh)
2600 123,5 93,6 29,9 130,962
Tabela 17 - Resultado econômico da solução por modelo T8
Investimento esperado R$ 40.092,00
Tempo de retorno (anos) 0,583113531
TIR 132 %
VPL R$ 62.733,57
5.5.2.2 Substituição do modelo T10 pelo T5
Os preços de lâmpadas e reatores foram idênticos ao do modelo anterior, porém
a luminária hermética, comportando duas lâmpadas, saiu a R$ 72,36 cada. O que faz um
custo unitário por lâmpada de R$ 60,77, somados os custos do reator, luminária e
lâmpada e divididos por dois. Como a vida útil da lâmpada para uma média de uso de
18 horas diárias fica em torno de 3,6 anos, o VPL e a TIR foram calculados para um
período equivalente. Os resultados energético e financeiro estão expostos na Tabela 18 e
na Tabela 19.
Tabela 18 - Resultado energético para a solução por modelo T5
Lâmpadas
Instaladas
Potência
total
anterior
(kW)
Potência total após
modificação (kW)
Redução de
demanda (kW)
Energia
Economizada ao
ano (MWh)
2600 123,5 75,4 48,1 210,67
73
Tabela 19 - Resultado econômico para a solução por modelo T5
Investimento esperado R$ 158.002,00
Tempo de retorno (anos) 1,428512661
TIR 56 %
VPL R$ 151.057,37
5.5.2.3 Substituição da lâmpada Mista pela lâmpada a vapor metálico
Os preços orçados para lâmpadas e reatores foram de R$ 35,00 e R$ 23,00
respectivamente, fazendo um custo unitário de investimento por lâmpada de R$ 58,00.
A vida útil estimada para esse modelo com utilização de 12 horas diárias é de 5,5 anos,
valor utilizado para os cálculos financeiros. As análises energética e econômica estão
descritas na Tabela 20 e na Tabela 21.
Tabela 20 - Resultado energético para a solução por modelo a vapor metálico
Lâmpadas
Instaladas
Potênci
a total
anterior
(kW)
Potência total após
modificação (kW)
Redução de
demanda (kW)
Energia
Economizada ao
ano (MWh)
70 17,5 7,7 9,8 42,924
Tabela 21 - Resultado econômico para a solução por modelo a vapor metálico
Investimento esperado R$ 4.060,00
Tempo de retorno (anos) 0,27
TIR 370 %
VPL R$ 51.936,97
5.5.3 Condicionamento Ambiental
Já há uma empresa contratada para a realização de mão-de-obra nos aparelhos
instalados, portanto o custo de mão-de-obra para a instalação não será um adicional
devido ao projeto.
5.5.3.1 Substituição de modelo do tipo janela pelo tipo Split
O preço orçado para o aparelho Split de 18.000 BTU/h foi de R$ 1.770,00 e este
é o custo por aparelho. Considerando a vida útil destes aparelhos em 10 anos e afim de
simplificação de cálculos, uma estimativa de oito anos foi utilizada para as projeções
74
financeiras. As análises energética e financeira encontram-se na Tabela 22 e na Tabela
23.
Tabela 22 - Resultado energético para a substituição por modelo Split
Aparelhos
Instalados
Potência total
anterior (kW)
Potência total
após modificação
(kW)
Redução de
demanda
(kW)
Energia
Economizada ao
ano (MWh)
15 38,55 24,675 13,875 121,545
Tabela 23 - Resultado econômico para a substituição por modelo Split
Investimento esperado R$ 26.550,00
Tempo de retorno (anos) 0,624107473
TIR 160 %
VPL R$ 182.183,42
5.5.3.2 Substituição de modelo do tipo Self-contained pelo tipo Split
Nesse caso, há aparelhos de duas capacidades diferentes. Eles serão analisados
individualmente.
5.5.3.2.1 Modelo de 36.000 BTU/h
O preço orçado para esse equipamento foi de R$ 5.130,00, sendo que este será o
custo unitário. As mesmas considerações feitas para o modelo anterior aplicam-se já que
só a capacidade do mesmo é diferente. As análises energética e financeira encontram-se
na Tabela 24 e na Tabela 25.
Tabela 24 - Resultado energético para a substituição por modelo Split
Aparelhos
Instalados
Potência total
anterior (kW)
Potência total
após modificação
(kW)
Redução de
demanda
(kW)
Energia
Economizada ao
ano (MWh)
12 98,64 44,64 54 473,04
Tabela 25 - Resultado econômico para a substituição por modelo Split
Investimento esperado R$ 61.560,00
Tempo de retorno (anos) 0,371819961
TIR 269 %
VPL R$ 747.010,66
75
5.5.3.2.2 Modelo de 60.000 BTU/h
O preço orçado para esse equipamento foi de R$ 5.760,00, sendo que este será o
custo unitário. As mesmas considerações feitas para o modelo anterior aplicam-se já que
só a capacidade do mesmo é diferente. As análises energética e financeira encontram-se
na Tabela 26 e na Tabela 27.
Tabela 26 - Resultado energético para a substituição por modelo Split
Aparelhos
Instalados
Potência total
anterior (kW)
Potência total
após modificação
(kW)
Redução de
demanda
(kW)
Energia
Economizada ao
ano (MWh)
42 554,4 239,5 315 2.759,4
Tabela 27 - Resultado econômico para a substituição por modelo Split
Investimento esperado R$ 241.920,00
Tempo de retorno (anos) 0,250489237
TIR 399 %
VPL R$ 4.464.089,43
5.5.4 Motores
5.5.4.1.1 Instalação de inversor de frequência
O preço orçado para este equipamento foi de R$ 185.000,00. Este valor de
acordo com uma estimativa de equipamentos, projeto e montagem do sistema, todos
realizados por equipes especializadas. A estimativa de trabalho média da bomba foi de
12 h diárias de operação, índice que confere com o histórico de trabalho da mesma. A
título de previsibilidade, a análise financeira foi feita utilizando-se de um horizonte de
oito anos. As demais considerações mantêm-se conforme análises de outras cargas. A
Tabela 28 e a Tabela 29 apresentam os resultados referentes às análises energética e
econômica.
76
Tabela 28 - Resultado energético para uso do inversor de frequência
Aparelhos
Instalados
Potência total
anterior (kW)
Potência total
após modificação
(kW)
Redução de
demanda
(kW)
Energia
Economizada ao
ano (MWh)
1 126,3 34 92,3 401,2
Tabela 29 - Resultado econômico para uso do inversor de frequência
Investimento esperado R$ 185.000,00
Tempo de retorno (anos) 1,317449873
TIR 75 %
VPL R$ 512.859,34
5.6 Análise e resultado global
5.6.1 Ajuste de tempo de projeção
Nas análises expostas acima, o tempo de projeção utilizado foi de oito anos para
projetos que tinham vida útil maior do que este tempo. Quando o sistema proposto tinha
vida útil menor do que os oito anos, foi utilizada a própria vida útil dos equipamentos
para fins de análise de viabilidade técnico-econômica do projeto individualmente. Com
o objetivo de concatenar todos os projetos, estimar os ganhos financeiros e comparar
adequadamente diferentes soluções para o mesmo problema, as propostas com vida útil
menor a oito anos sofreram um ajuste para este tempo de projeção [34]. O objetivo é
estimar a TIR e o VPL para este tempo, comparando de forma equânime projetos
concorrentes e, após a escolha do projeto mais adequado, demonstrar o resultado global
unificado.
5.6.1.1 Lâmpadas fluorescentes
Dos casos citados acima, o das lâmpadas fluorescentes é o que apresenta duas
propostas para o mesmo problema. Como a vida útil das lâmpadas fluorescentes T8 é
menor do que as do tipo T5, o projeto do caso das lâmpadas T8 torna-se de menor
duração, fazendo com que o retorno do mesmo seja altamente atrativo em termos de
investimento, porém o retorno financeiro e energético efetivo é menor. A Tabela 30
apresenta as análises financeira e energética para um horizonte de oito anos.
77
Tabela 30 - Comparativo entre as propostas T5 e T8 com tempo de projeção de oito anos
Tipo T5 Tipo T8
TIR 68 % 142 %
VPL R$ 663.088,06 R$ 204.417,96
Devido ao retorno financeiro maior, maior energia conservada e o custo da
lâmpada ser o mesmo do modelo T8, a proposta de instalação de lâmpadas modelo T5
mostra-se mais vantajosa.
5.6.1.2 Lâmpadas a vapor metálico
O mesmo ajuste de horizonte foi aplicado à proposta de substituição das
lâmpadas mistas por lâmpadas a vapor metálico. Neste caso o objetivo é o de padronizar
as análises. A Tabela 31 apresenta os resultados.
Tabela 31 - Resultados com tempo de projeção de oito anos para a proposta de vapor
metálico
TIR 352 %
VPL R$ 55.989,78
5.6.2 Análise de resultados
No que se refere a iluminação, a opção escolhida para as lâmpadas fluorescentes
foi a de substituição dos modelos T10 pelos modelos T5 com troca de luminárias e
contatos elétricos. Esta opção reduz a potência demandada em 39 % e mostrou-se mais
vantajosa no retorno financeiro tendo como vantagem adicional o aumento da
luminosidade e diminuição do custo de manutenção devido a vida útil maior das
lâmpadas. Já no caso das lâmpadas mistas, a redução de demanda foi de 56 % com
acréscimo de luminosidade e aumento da vida útil. A economia de energia anual dos
projetos de iluminação é de 359 MWh.
Quanto aos aparelhos de ar condicionado, as reduções de demanda são de 36 %
para a substituição dos modelos janela pelo split e de em torno de 55 % na substituição
dos modelos self-contained pelo modelo split. A economia de energia anual dos projetos
de condicionamento ambiental é de 3.354 MWh.
Quanto aos motores, a redução de demanda foi de 73 % e a economia anual de
energia é de 401,2 MWh.
O somatório da redução de demanda, energia conservada e VPL de todos os
projetos encontram-se na Tabela 32
78
Tabela 32 - Somatórios dos resultados das propostas
Redução de demanda Energia economizada em um ano VPL
484,28 kW 4114 MWh R$ 6.109.137,19
Se as medidas propostas nesse estudo fossem tomadas, a economia de energia
em apenas um ano seria de aproximadamente 4114 MWh, a redução da demanda média
seria de 484,28 kW (uma redução de aproximadamente 50 %) e a economia financeira,
já contados reinvestimentos necessários para projetos de menor vida útil, e
considerando um horizonte de oito anos, seria de mais de seis milhões de reais em
valores atuais. Nota-se um incremento de energia elétrica entregue ao sistema relevante
e um retorno financeiro expressivo.
Como ganhos indiretos, a imagem da empresa torna-se mais evidente no que
toca à sustentabilidade e eficiência de trabalho, fazendo com que outras unidades
industriais a tomem como referência no segmento de eficiência energética de
equipamentos elétricos.
79
6 CONCLUSÃO
Este trabalho explicitou a relevância da eficiência energética no Brasil,
contextualizando o setor e identificando uma metodologia aplicável para o setor com
foco em instalações industriais.
Neste trabalho, avalia-se que foi possível a aplicação de conceitos e práticas com
o objetivo da diminuição do consumo de energia elétrica, já que no estudo de caso pode-
se constatar o ganho financeiro e energético relevantes na aplicação das medidas
adotadas de acordo com o embasamento teórico exposto ao longo do trabalho. Do ponto
de vista empresarial, a aplicação dos conceitos trabalhados e exemplificados neste
estudo confere competitividade aos agentes econômicos de portes variados, trazendo
retorno financeiro em todos os segmentos.
É necessário que se tenha uma sólida base teórica dos conceitos e bom
conhecimento dos equipamentos já instalados para que sejam identificadas
oportunidades de aumento da eficiência. A obtenção de alguns dados e levantamentos
foram de difícil acesso, já que parte do projeto é estrangeiro e os dados dos
equipamentos na documentação não são padronizados. Nesse ponto, a equipe que
trabalha na unidade estudada foi crucial para a realização deste estudo e considera-se
que o seja sempre que um levantamento do tipo seja realizado.
Os conceitos teóricos de equipamentos e principais sistemas descritos neste
trabalho são os que têm maior potencial de aumento de eficiência energética em energia
elétrica e com viabilidade técnica e econômica segundo as fontes supracitadas. A
atualização destas informações é um ponto crucial na difusão de práticas como a
realizada neste estudo e que se multiplicadas, diminuem consideravelmente a perda
energética e financeira dos agentes interessados. Nesse ponto, os órgãos de fomento ao
incremento da eficiência energética tornam-se referências para atuações neste caminho,
com destaque para o PROCEL, cujos materiais deram grande contribuição para este
trabalho. Cabe aqui evidenciar a importância de estimular cada vez mais esses órgãos a
trabalharem em diversos setores, disseminando assim conhecimento de áreas
estratégicas para a eficiência energética e multiplicando o número de ideias e propostas
dentre os consumidores.
A análise de viabilidade financeira também é de grande valia no que toca a
tomada de decisão da execução ou não de um projeto. A importância da difusão dos
conceitos técnicos aplicados é de importância ímpar para que as propostas sejam
80
viabilizadas. O fim da vida útil ou a ocorrência de algum defeito em equipamento ou
sistema, gerando a necessidade de troca deve ser vista como oportunidade de melhoria
em eficiência energética e não como necessidade de mera substituição pelo mesmo
equipamento.
Através deste estudo, pode-se diminuir o consumo da unidade industrial
consideravelmente. No sistema de iluminação, a redução e aumento da iluminação
através da substituição das lâmpadas fluorescentes modelo T10 pelas de modelo T5 e da
lâmpada tipo mista pela lâmpada tipo vapor metálico, bem como a mudança do uso dos
reatores eletromagnéticos pelos reatores eletrônicos mostraram-se efetivas na redução
do consumo e melhora no sistema. No sistema de refrigeração, o aumento de eficiência
foi elevado e de maior destaque devido à preponderância desta carga no que toca as
propostas. O sistema split, para as capacidades analisadas, tem se mostrado superior em
termos de consumo e vida útil com relação ao modelo janela e self-contained. Já nos
motores, a proposta de instalação de um inversor mostrou-se de alto potencial, pois em
um único motor a energia economizada foi relevante. No total, a economia de energia
foi de 0,15 % da capacidade da unidade com economia de R$6.109.137,19 e tempo de
retorno de menos de um ano para os projetos analisados como um todo.
Em outras situações, a aplicação de inversores de frequência e motores de alto
rendimento apresenta caráter ainda maior e relevante na instalação, já que há unidades
industriais no Brasil com décadas de funcionamento e baixo investimento em
atualização tecnológica. Nesse contexto, o correto dimensionamento e análise da
instalação elétrica tornam-se relevantes na conservação de energia.
Por fim, o estudo apresentado neste trabalho confere com os dados apresentados
ao longo do documento, onde a importância da eficiência energética é exibida e,
independente do cenário futuro da economia brasileira, há a necessidade de se investir
no setor a fim de que situações de crise energética, aumento do preço da energia e
aumento do investimento desnecessário na área sejam evitadas, bem como o impacto da
atividade humana torne-se menos predatória ao meio ambiente e torne-se mais
sustentável.
Como sugestão para trabalhos futuros para a área industrial há a aplicação de
eficiência energética em energia térmica e uma abordagem de projeto de equipamentos
e sistema de alimentação focada em eficiência energética.
81
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83
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[35] ZOTES, L. P. Administração de Projetos, 2012. Disponivel em:
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<http://www.gelighting.com/LightingWeb/br/images/Catalogo-Produtos-
11set2_tcm388-60387.pdf>. Acesso em: 28 Novembro 2014.
84
ANEXO A – ORÇAMENTO
Iluminação
Modelo preço R$ fonte data
Lâmpada Fluorescente Tubular 28 W
T5 OSRAM
6,25 http://www.loja
eletrica.com.br
03/01/15
Lâmpada Fluorescente Tubular 32 W
T8 OSRAM
6,25 http://www.loja
eletrica.com.br
03/01/15
Reator Eletrônico 2x32W Bivolt AFP
Philips
18,34 http://www.loja
eletrica.com.br
03/01/15
Reator Vapor Metálico AFP Externo
100W 220V Philips
23,00 http://www.loja
eletrica.com.br
03/01/15
Lâmpada Vapor Metálico Ovóide E40
100W OSRAM
35,00 http://www.loja
eletrica.com.br
03/01/15
Luminária Hermética PHILIPS
TCW060 para 2 lâmpada TL5
72,36 http://www.indu
spar.com
03/01/15
Climatização
Modelo preço R$ Fonte data
Ar Condicionado Split Hi Wall
Springer Carrier Diamond 18.000 BTU
Frio 220 V
1770,00 Horvat 07/01/15
Ar Condicionado Split Piso Teto
Springer Silvermaxi 36.000 BTU Frio
220 V
5130,00 Horvat 07/01/15
Ar condicionado Split Electrolux Piso
Teto 60.000 BTU Frio 220 V
5760,00 Horvat 07/01/15
OBS: orçamento feito por telefone
Inversor de Frequência
Modelo preço R$ Fonte data
Conversor de Frequência 480 V 150
kW
120.000,0
0
Danfoss 15/01/15
Projeto 20.000,00 Estimado 15/01/15
Serviços de montagem e
comissionamento
45.000,00 Estimado 15/01/15
OBS: orçamento feito por telefone