vari adores

5
54 Apoio Na edição anterior foram abordadas as perspectivas de economia de energia com a eficiência energética no Brasil. Neste artigo trataremos das perspectivas em motorização, como é possível obter ganhos energéticos e as dificuldades encontradas na prática. A força motriz tem uma participação expressiva no consumo de energia elétrica. No setor industrial, ela representa cerca de 70% (128 TWh) e no setor comercial e público representa 48% (35 TWh). Isso significa 38% do consumo total brasileiro (dados do Anuário Estatístico da Empresa de Pesquisa Energética (EPE) – 14/09/2012). De acordo com diagnóstico realizado pela Confederação Nacional da Indústria em 2009, foi Por Antonio Sergio Alves de Lima* Capítulo II Oportunidades de eficiência energética em motores e em acionadores de velocidade ajustável (AVAs) estimado um potencial de economia na indústria, só em força motriz, de 12% (23 TWh). Já o Ministério de Minas e Energia (MME) estimou no Plano Nacional de Energia 2030, que o setor comercial e público pode obter, em força motriz, uma economia de 40% no cenário de viabilidade técnica; ou 30% (10 TWh) no cenário de viabilidade econômica; ou de 20% (7 TWh) em ações introduzidas naturalmente pelos usuários. Por meio dos dados de 2009 do Plano Nacional de Energia 2030 e de matrizes consolidadas pela EPE com dados de 2005, foi possível montar a tabela a seguir, que mostra a energia em GWh relativa à força motriz na indústria por setor: Eficiência energética na indústria 2009 2005 CONSUMO (GWH/ ANO) PARTICIPAÇÃO NO TOTAL PARTICIPAÇÃO FORÇA MOTRIZ FORÇA MOTRIZ (GWH/ ANO) BOMBAS E VENTILA- DORES (GWH/ ANO) SETOR ANO BASE LEGENDA Cimento Ferro-Gusa e Aço Ferro-Ligas Mineração e Pelotização Não Ferrosos e Outros Química Alimentos e Bebidas Têxtil Papel e Celulose Cerâmica Outros Total (1) 4.730 14.868 6.730 8.208 36.113 23.155 23.488 7.713 18.271 3.494 39.509 186.280 (2) 3% 8% 4% 4% 19% 12% 13% 4% 10% 2% 21% 100% (3) 99% 84% 3% 92% 30% 76% 81% 98% 95% 90% 69% 69% (4) 4.664 12.422 207 7.584 10.951 17.641 18.942 7.521 17.420 3.145 27.458 127.957 (5) 4% 10% 0% 6% 9% 14% 15% 6% 14% 2% 21% 100% (6) 35% 24% 24% 24% 24% 40% 28% 21% 54% 35% 32% 33% (7) 1.628 2.981 50 1.820 2.628 7.056 5.247 1.579 9.320 1.101 8.732 42.143

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  • 54 Apoio

    Na edio anterior foram abordadas as perspectivas

    de economia de energia com a eficincia energtica

    no Brasil. Neste artigo trataremos das perspectivas em

    motorizao, como possvel obter ganhos energticos

    e as dificuldades encontradas na prtica.

    A fora motriz tem uma participao expressiva

    no consumo de energia eltrica. No setor industrial,

    ela representa cerca de 70% (128 TWh) e no setor

    comercial e pblico representa 48% (35 TWh). Isso

    significa 38% do consumo total brasileiro (dados do

    Anurio Estatstico da Empresa de Pesquisa Energtica

    (EPE) 14/09/2012).

    De acordo com diagnstico realizado pela

    Confederao Nacional da Indstria em 2009, foi

    Por Antonio Sergio Alves de Lima*

    Captulo II

    Oportunidades de eficincia energtica em motores e em acionadores de velocidade ajustvel (AVAs)

    estimado um potencial de economia na indstria, s

    em fora motriz, de 12% (23 TWh). J o Ministrio de

    Minas e Energia (MME) estimou no Plano Nacional

    de Energia 2030, que o setor comercial e pblico

    pode obter, em fora motriz, uma economia de

    40% no cenrio de viabilidade tcnica; ou 30% (10

    TWh) no cenrio de viabilidade econmica; ou de

    20% (7 TWh) em aes introduzidas naturalmente

    pelos usurios.

    Por meio dos dados de 2009 do Plano Nacional

    de Energia 2030 e de matrizes consolidadas pela EPE

    com dados de 2005, foi possvel montar a tabela a

    seguir, que mostra a energia em GWh relativa fora

    motriz na indstria por setor:

    Eficincia energtica na indstria

    2009 2005

    Consumo (GWh/ano)

    PartiCiPao no total

    PartiCiPao fora motriz

    fora motriz (GWh/ano)

    BomBas e Ventila-dores (GWh/ano)

    setor

    ano BaseleGenda

    Cimento

    Ferro-Gusa e Ao

    Ferro-Ligas

    Minerao e Pelotizao

    No Ferrosos e Outros

    Qumica

    Alimentos e Bebidas

    Txtil

    Papel e Celulose

    Cermica

    Outros

    Total

    (1)

    4.730

    14.868

    6.730

    8.208

    36.113

    23.155

    23.488

    7.713

    18.271

    3.494

    39.509

    186.280

    (2)

    3%

    8%

    4%

    4%

    19%

    12%

    13%

    4%

    10%

    2%

    21%

    100%

    (3)

    99%

    84%

    3%

    92%

    30%

    76%

    81%

    98%

    95%

    90%

    69%

    69%

    (4)

    4.664

    12.422

    207

    7.584

    10.951

    17.641

    18.942

    7.521

    17.420

    3.145

    27.458

    127.957

    (5)

    4%

    10%

    0%

    6%

    9%

    14%

    15%

    6%

    14%

    2%

    21%

    100%

    (6)

    35%

    24%

    24%

    24%

    24%

    40%

    28%

    21%

    54%

    35%

    32%

    33%

    (7)

    1.628

    2.981

    50

    1.820

    2.628

    7.056

    5.247

    1.579

    9.320

    1.101

    8.732

    42.143

  • 55

    Para facilitar a compreenso desses dados, segue a explicao

    de cada coluna:

    (1) Consumo total de cada setor

    (2) Participao de cada setor no total

    (3) Percentual de consumo da fora motriz sobre o consumo total

    de cada setor (1)

    (4) Consumo devido fora motriz

    (5) Participao de cada setor no total de fora motriz (4)

    (6) Parcela da fora motriz (4) destinada a bombas e ventiladores

    (7) Consumo devido fora motriz em bombas e ventiladores

    Como obter economia de energia na motorizao Os acionadores de velocidade ajustvel, mais comumente

    conhecidos como inversores de frequncia, desempenham

    um papel importante na eficincia energtica quando se

    trata de motorizao, pelos ganhos energticos que eles

    podem proporcionar.

    Existem diversas formas de se obter um ganho na motorizao.

    A tabela a seguir mostra algumas aes possveis:

    A possibilidade de se variar a rotao do motor pelo

    inversor vem do fato que a rotao funo da frequncia de

    alimentao:

    Rotao = (120 n de plos) x frequncia (0 a 60 Hz)

    Portanto, variando-se a frequncia podemos controlar a rotao

    do motor.

    Entretanto, deve-se garantir o torque que o motor deve

    oferecer. Isso possvel mantendo-se o seu fluxo magntico:

    Fluxo magntico x n de espiras = Tenso (Frequncia x 4,44)

    Ou seja, se mantivermos constante a relao entre a tenso e

    a frequncia, mantemos o fluxo magntico e, portanto, o torque

    no eixo do motor.

    Existem dois tipos de carga:

    Torque constante: cargas que desde a partida do motor

    exigem um torque para serem movimentadas (ex.: ponte rolante,

    elevador, esteira transportadora).

    ao

    Perdas na transmisso, acoplamentos, etc.

    Troca por motor de alto rendimento

    Troca por motor de ms (IPM) com inversores

    Otimizao de processos com inversores com PID

    Bombas e ventiladores com inversores

    Uso de inversores regenerativos (ciclos de energia

    cintica/potencial)

    Ganho aProximado

    (%)

    2

    3

    10

    25

    30

    50

  • 56 Apoio

    Torque varivel: cargas cujo torque aumenta medida que a

    rotao aumenta (ventiladores e bombas).

    Mas como o inversor permite economizar energia?

    A Figura 1 mostra os dois tipos de carga.

    A potncia consumida pelo motor o produto do torque pela rotao.

    Notem que para torque constante a variao de potncia (do

    ponto A para B) funo s da rotao:

    Potncia = T1 x (N2 - N1)

    J para torque varivel (do ponto A para C) teremos uma

    variao maior:

    Potncia = (T1 x N1) - (T2 x N2)

    e a energia economizada ser a variao de potncia multiplicada

    pelo tempo:

    Energia = Potncia x tempo

    Situaes prticasVentiladores e bombas

    No caso de ventiladores e bombas, possvel fazer o

    controle da vazo com restrio mecnica por meio de dampers

    e vlvulas respectivamente. Estes equipamentos deslocam massa

    e no volume, e quando colocamos uma restrio, a diminuio

    da massa deslocada exigir menos torque do motor e, portanto,

    proporcionar uma economia de energia. Mas ao mesmo tempo

    estamos introduzindo uma perda de carga (que uma perda de

    energia) pela utilizao do damper ou vlvula.

    Se, ao invs de utilizarmos a restrio mecnica, fizermos o

    controle pelo inversor de frequncia variando a rotao, teremos

    as seguintes relaes:

    A vazo diretamente proporcional rotao:

    A presso esttica proporcional ao quadrado da rotao:

    Como a potncia funo do produto entre a vazo e a

    presso (W = Q x P), ela ser proporcional ao cubo da rotao:

    Esta relao faz uma variao na rotao proporcionar uma

    grande variao na potncia. Por exemplo, se reduzirmos a

    rotao para 50% da nominal, o resultado ser que a potncia

    consumida cair para (0,50) = 0,125, ou 12,5% e, neste caso,

    a economia ser de 87,5%.

    A Figura 2 mostra um exemplo da economia obtida com a

    restrio mecnica e com o inversor de frequncia.

    No ponto C, temos 100% da potncia para 100% da vazo.

    Se o sistema j atua com uma vlvula restringindo a vazo,

    por exemplo, para 50%, o equipamento estar trabalhando no

    ponto A e tendo uma economia, por exemplo, de 15%. Mas,

    se retirarmos a vlvula e instalarmos um inversor, passaremos

    a trabalhar no ponto B com 12,5% da potncia. O trecho AB,

    que a perda de energia provocada pela vlvula, tambm

    representa a economia obtida com o inversor, que neste

    exemplo de 72,5%.

    Operao por ciclo

    H tambm as aplicaes em ciclos, nas quais numa parte

    do ciclo poderamos alterar ou anular a rotao, porm o

    motor mantido a 100% durante todo o ciclo ou a restrio

    Figura 1 Tipos de carga.

    Figura 3 Operao por ciclos.

    Eficincia energtica na indstria

    =Q2

    Q1

    N2

    N1

    =P2

    P1

    N2

    N1

    3

    =W2

    W1

    N2

    N1

    Figura 2 Economia de energia com inversor.

    Economia de energia com a vlvula

    Economia de energia com inversor

    Curva da vlvula

    Curva do inversor

    VAZO

    12,5%

    85,0%

    100,0%

    POT

    NC

    IA

    A

    B

    C

    Q2

    50%

    Q1100%

    700

    Tempo (min)

    Pot

    ncia

    (kW

    )

    0 30 6010 40 7020 50

    526kW

    313kW

    186kW

    80

    500

    600

    400

    300

    200

    100

    0

    Torque

    Torque varivel

    Torque constante

    Rotao

    B A

    C

    T1

    T2

    N2 N1

  • 58 Apoio

    Operao com controle por P.I.D.

    Em processos que necessitam controlar vazo, presso,

    temperatura, etc., atravs de set-point, podemos utilizar o

    controle pelo inversor de frequncia, conforme ilustrado na

    Figura 4. Nos momentos em que o consumo cai, a varivel

    controlada sobe (por exemplo, a presso). O inversor reduz

    a rotao para estabiliz-la e, neste momento, economiza

    energia.

    Dificuldades encontradas em projetos de eficincia energticaBarreiras

    O CNI, por meio de entrevistas com profissionais de vrios

    setores industriais, apresentou as seguintes barreiras (que ns

    tambm vivenciamos) que impedem efetivar potenciais de

    eficincia energtica:

    Legislao desfavorvel a investimentos industriais em

    energia;

    Ausncia ou no adequao das linhas de financiamento

    para aes de

    eficincia energtica;

    Racionalizao do uso de energia compete com outras

    prioridades de investimento;

    Necessidade de capacitao de pessoal para identificar

    Operao sob demanda

    Neste caso varia-se a rotao de acordo com o trfego

    (pessoas ou materiais). uma aplicao apropriada para

    escadas ou esteiras rolantes e para esteiras transportadoras.

    Por exemplo, se no h trfego de pessoas, a escada rolante

    pode ser movimentada em rotao baixa (indicando que

    est funcionando) e economizando energia. Se uma ou mais

    pessoas a utiliza, a rotao aumentada. Se o trfego aumenta,

    eleva-se mais a rotao. Aps um tempo, se no houver mais

    trfego, ela volta rotao baixa.

    Regenerao de energia

    Em situaes em que h uma movimentao vertical

    ou inclinada da carga (ponte rolante, elevador, esteira

    transportadora), temos um ganho de energia potencial ao subir

    a carga. Durante a descida esta energia pode ser recuperada

    com um inversor regenerativo e ser devolvida rede para ser

    consumida por outro equipamento.

    Outra possibilidade so os equipamentos com alta inrcia,

    Figura 3 Operao por ciclos.

    tais como centrfugas, nibus e trem eltrico, que tambm

    podem devolver energia para a rede.

    Equipamentos passveis de ganho energtico com

    inversores

    Basicamente qualquer equipamento que se enquadre nas

    situaes descritas anteriormente passvel de economizar

    energia, porm depender do investimento necessrio, valor

    do ganho e do tempo de pay-back para que se pague.

    Resultados positivos em sistemas j instaladosResumo

    Levantamento realizado em 14 sistemas;

    Economia obtida em 11 sistemas (de 36 a 58%);

    Ganho energtico de 36 GWh/ano;

    Economia de R$ 6,1 milhes/ano;

    Pay-back de 15 a 39 meses.

    Ganho por sistema

    setor

    Oficina de cilindros

    Aciaria

    Laminao a frio

    Convertedor

    Convertedor

    Convertedor

    Convertedor

    Convertedor

    Sinterizao

    Laminao a quente

    Gasmetro

    Ganho enerGtiCo

    53%

    42%

    36%

    58%

    58%

    58%

    50%

    50%

    53%

    40%

    57%

    sistema

    Ponte rolante

    Ponte rolante

    Bomba de emulso

    Exaustor de gases 1

    Exaustor de gases 2

    Exaustor de gases 3

    Exaustor de gases 4

    Exaustor de gases 5

    Ventilador do resfriador

    Bomba para filtragem de gua

    Bomba booster de BFG

    Eficincia energtica na indstria

    =(526 x 30) + (186 x 50)

    80313kW

    Suco Descarga

    Transdutor

    Feedback

    Bomba

    mecnica (damper ou vlvula). Na Figura 3, dado um

    exemplo desta aplicao. Supondo que o motor consome uma

    potncia de 526 kW durante 80 minutos, com o inversor ele

    pode trabalhar nesta potncia durante 30 minutos e nos 50

    minutos restante cair para 186 kW.

    A potncia ativa mdia no ciclo nada mais que a mdia

    ponderada dos valores, ou seja:

  • 59Apoio

    oportunidades de eficincia energtica e para fazer a gesto

    dos projetos que se mostrarem viveis;

    Averso a riscos tcnicos decorrentes de novas tecnologias

    que consumam menos energia.

    Contrato de performance

    Na edio anterior, foi mencionado o contrato de

    performance, por meio do qual a Esco, responsvel pelo

    projeto de eficincia energtica, recebe de acordo com a

    economia de energia obtida.

    As dificuldades, dependendo do cliente no setor

    industrial, so:

    Medies de energia, antes de se adotar a soluo tcnica,

    que podem demorar at se obter uma medio confivel, ou

    com informaes importantes que no so passadas pelos

    responsveis do equipamento em estudo;

    Documentao legal exigida pelo cliente, podendo retardar

    o incio do projeto;

    Execuo do servio durante uma parada de produo, que

    pode demorar meses para acontecer, pode ser adiada, ou pode

    ser em um tempo exguo para se executar todo o servio;

    Medies de performance com informaes novas que no

    foram passadas na primeira fase do projeto;

    Continua na prxima edioConfira todos os artigos deste fascculo em www.osetoreletrico.com.br

    Dvidas, sugestes e comentrios podem ser encaminhados para o e-mail [email protected]

    *Antonio Sergio ALveS de LimA engenheiro eletricista, formado em 1978. Atua na Yaskawa eltrico do Brasil como engenheiro de aplicaes. Coordenou a primeira fase do projeto de eficincia energtica

    em motorizao implantado na Usiminas em sete equipamentos de mdia tenso entre 200 kW e 1.800 kW.

    Burocracia para realizar o pagamento aps a finalizao das

    medies de performance.

    Estas dificuldades atrasam e prolongam a finalizao do

    projeto, ficando a Esco como financiadora do projeto por um

    tempo muito longo.

    Concluso Os nmeros apresentados mostram que possvel

    obter ganhos energticos considerveis nas aplicaes em

    motorizao com inversores de frequncia, porm ser

    necessrio vencer as barreiras existentes nas empresas.

    Projetos com um tempo longo de execuo s se tornaro

    viveis se as condies financeiras obtidas no mercado forem

    mais favorveis.