metodologia de anÁlise para eficientizaÇÃo...

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



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.



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 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


4.2.3 Tipos de sistemas, arranjos e equipamentos ............................................. 30



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


xi



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].


4.2.2.1 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].


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


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].


4.4.1.1 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].


4.4.2.1 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


de Ø 12 mm e maior 2

Protegido contra queda de

gotas d'água caindo

verticalmente

com invólucro inclinado até

15°


de Ø 2,5 mm e maior 3

Protegido contra aspersão

d'água


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.


4.4.3.1 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


Rendimento (lm/W) 62,5 104


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


Rendimento (lm/W) 22,5 80


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




Tabela 14 - Comparativo entre modelos tipo self-contained e Split (60000)

Tipo de Aparelho Self-Contained Split




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)


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



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)


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



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



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.


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




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.


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




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



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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especificacao-de-motores-eletricos-50032749-manual-portugues-br.pdf>. Acesso

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83

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2/MS777/ms777_ieda.pdf>. Acesso em: 08 Fevereiro 2015.

[35] ZOTES, L. P. Administração de Projetos, 2012. Disponivel em:

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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


eletrica.com.br

03/01/15

Reator Eletrônico 2x32W Bivolt AFP

Philips


eletrica.com.br

03/01/15

Reator Vapor Metálico AFP Externo

100W 220V Philips


eletrica.com.br

03/01/15

Lâmpada Vapor Metálico Ovóide E40

100W OSRAM


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

metodologia de anÁlise para eficientizaÇÃo...

Documents