vari adores
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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
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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
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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
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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.