RTC PIRnaUSP 203

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RTC PIRnaUSP 203

Projeto de Pesquisa
Dentro do Programa de Pesquisa em Políticas Públicas da FAPESP
“NOVOS INSTRUMENTOS DE PLANEJAMENTO ENERGÉTICO REGIONAL VISANDO O DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL” Processo 03/06441-7
RTC/PIRnaUSP- Nº203
Relatório Técnico Científico
Caracterização do potencial teórico da Demanda
Coordenador: Miguel Edgar Morales Udaeta
São Paulo, janeiro de 2008
Equipe:
Alexandre Orrico Reinig
Décio Cicone Junior
Fatuma Catherine Atieno Odongo
Felipe Coelho Costa
Flávio Marques Azevedo
Geraldo Francisco Burani
Giselle Teles
Isabel Akemi Bueno Sado
Janaína Roldão de Souza
Jonathas Luiz de Oliveira Bernal
José Aquiles Baesso Grimoni
Júlia Marques Bellacosa
Lidiany
Luiz Cláudio Ribeiro Galvão
Mário Fernandes Biague
Marina Martins
Martim Debs Galvão
Maurício Sabbag
Miguel Edgar Morales Udaeta
Paulo Roberto Carneiro
Paulo Hélio Kanayama
Renata Valério de Freitas
Ricardo Lacerda Baitelo
Rafael Augusto Possari
Rafael Bragança de Lima
Rafael Makiyama
Raquel Gomes Brito Rodrigues
Thiago Hiroshi de Oliveira
Victor Takazi Katayama
Índice
1
Introdução _________________________________________________________________ 1
2
Justificativa ________________________________________________________________ 1
3
Objetivos __________________________________________________________________ 2
4
Metodologia ________________________________________________________________ 2
5
Tecnologias de Iluminação____________________________________________________ 4
5.1
Introdução ___________________________________________________________________ 4
5.2
Principais Características Construtivas das Tecnologias de Iluminação_________________ 4
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
6
15
18
21
22
Introdução __________________________________________________________________ 24
6.2
Principais Características Construtivas __________________________________________ 24
6.3
Caracterização das Dimensões das Tecnologias de Refrigeração______________________ 29
Aspectos Técnico-Econômicos das Tecnologias de Refrigeração _____________________________
Aspectos Sociais das Tecnologias de Refrigeração ________________________________________
Aspectos Ambientais das Tecnologias de Refrigeração _____________________________________
Aspectos Políticos das Tecnologias de Refrigeração _______________________________________
29
38
39
39
Tecnologias de Condicionamento Ambiental ____________________________________ 40
7.1
Introdução __________________________________________________________________ 40
7.2
7.3
Caracterização das Dimensões das Tecnologias de Condicionamento Ambiental ________ 46
Aspectos Técnico-Econômicos das Tecnologias de Condicionamento Ambiental. ________________
Aspectos Sociais das Tecnologias do Condicionamento Ambiental____________________________
Aspectos Ambientais das Tecnologias de Condicionamento Ambiental ________________________
Aspectos Políticos das Tecnologias de Condicionamento Ambiental __________________________
46
60
61
61
Tecnologias de Aquecimento de Água __________________________________________ 61
8.1
Introdução __________________________________________________________________ 61
8.2
8.3
Caracterização das Dimensões das Tecnologias de Aquecimento de Água ______________ 66
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.3.4
9
Aspectos Técnico-Econômicos das Tecnologias de Iluminação_______________________________
Aspectos Sociais das Tecnologias de Iluminação __________________________________________
Aspectos Ambientais das Tecnologias de Iluminação ______________________________________
Aspectos Políticos das Tecnologias de Iluminação_________________________________________
6.1
7.3.1
7.3.2
7.3.3
7.3.4
8
Caracterização das Dimensões das Tecnologias de Iluminação _______________________ 15
Tecnologias de Refrigeração _________________________________________________ 24
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.4
7
Lâmpadas Incandescentes _____________________________________________________________ 4
Lâmpadas de Descarga _______________________________________________________________ 7
Lâmpada de Enxofre ________________________________________________________________ 12
Lâmpada de Indução ________________________________________________________________ 13
LED_____________________________________________________________________________ 14
Aspectos Técnico-Econômicos das Tecnologias de Aquecimento de Água ______________________
Aspectos Sociais das Tecnologias de Aquecimento de Água _________________________________
Aspectos Ambientais das Tecnologias de Aquecimento de Água _____________________________
Aspectos Políticos das Tecnologias de Aquecimento de Água________________________________
66
77
78
78
Tecnologias de Força Motriz Estacionária ______________________________________ 78
9.1
Introdução __________________________________________________________________ 79
9.2
Principais Características Construtivas das Tecnologias de Força Motriz ______________ 79
9.3
Caracterização das Dimensões das Tecnologias da Força Motriz _____________________ 86
9.3.1
Aspectos Técnicos Econômicos das Tecnologias da Força Motriz_____________________________ 87
9.3.2
9.3.3
9.3.4
10
Aspectos Sociais das Tecnologias da Força Motriz ________________________________________ 94
Aspectos Ambientais das Tecnologias da Força Motriz _____________________________________ 95
Aspectos Políticos das Tecnologias da Força Motriz _______________________________________ 95
Tecnologias de Fornos, Caldeiras e Fogões ___________________________________ 95
10.1
Introdução __________________________________________________________________ 95
10.2
Principais Características Construtivas das Tecnologias de Fornos, Caldeiras e Fogões __ 96
10.2.1
10.2.2
10.2.3
10.3
Caracterização das Dimensões das Tecnologias de Fornos, Caldeiras e Fogões __________ 99
10.3.1
10.3.2
10.3.3
10.3.4
11
Fornos ________________________________________________________________________ 96
Caldeiras ______________________________________________________________________ 97
Fogões ________________________________________________________________________ 99
Aspectos Técnico-Econômicos das Tecnologias de Fornos, Caldeiras e Fogões_______________
Aspectos Sociais das Tecnologias de Fornos, Caldeiras e Fogões__________________________
Aspectos Ambientais das Tecnologias de Fornos, Caldeiras e Fogões ______________________
Aspectos Políticos das Tecnologias de Fornos, Caldeiras e Fogões ________________________
100
111
112
113
Tecnologias de Força Motriz Veicular_______________________________________ 114
11.1
Introdução _________________________________________________________________ 114
11.2
Principais Características Construtivas das Tecnologias da Força Motriz Veicular _____ 114
11.3
Caracterização das Dimensões das Tecnologias da Força Veicular ___________________ 122
11.3.1
11.3.2
11.3.3
11.3.4
Aspectos Técnico-Econômicos das Tecnologias da Força Veicular ________________________
Aspectos Sociais das Tecnologias da Força Veicular ___________________________________
Aspectos Ambientais das Tecnologias da Força Veicular ________________________________
Aspectos Políticos das Tecnologias da Força Veicular __________________________________
123
124
125
125
12
Caracterização dos Recursos do Lado da Demanda da Região Administrativa de
Araçatuba (RAA)______________________________________________________________ 125
12.1
Introdução _________________________________________________________________ 126
12.2
Caracterização dos Recursos do Lado da Demanda da RAA ________________________ 127
12.2.1
Recursos Energéticos do Lado da Demanda da RAA. ___________________________________ 128
13
Estimativa dos Potenciais Teóricos dos Recursos do Lado da Demanda da Região
Administrativa de Araçatuba (RAA). ______________________________________________ 138
14
Análise dos Resultados das Estimativas dos Potenciais Teóricos do Lado da Demanda. 140
15
Considerações Finais ____________________________________________________ 140
16
Referências Bibliográficas ________________________________________________ 141
1
Resumo
Dentro do atual contexto do Planejamento Integrado dos Recursos Energéticos e do ciclo
dos programas de eficiência energética propostos pelas concessionárias de distribuição que operam
no país, percebe-se que os projetos voltados para redução do desperdício no consumo de energia
elétrica têm recebido certa prioridade, portanto, devem ser avaliados na composição das carteiras
dos recursos do Lado de Demanda. Para tanto, neste Projeto da FAPESP “Novos Instrumentos do
Planejamento Integrado dos Recursos Voltado ao Desenvolvimento Sustentável” com intuito de avaliar este potencial e incluí-lo na carteira dos recursos energéticos da Região Administrativa de
Araçatuba, fez-se a caracterização de todas as tecnologias dos usos finais de possível utilização, a
caracterização dos recursos do lado da demanda para que possam ser avaliados os potenciais teórico, realizável e do mercado na região. Para essa caracterização utilizou-se a metodologia da modelagem dos recursos do Lado da Demanda. Após a caracterização das tecnologias e dos recursos são
feitos os cálculos dos potenciais teóricos.
As tecnologias e os recursos considerados nesta caracterização são submetidos às fases de
Inventário de Recursos Energéticos do Lado da Demanda, Caracterização das quatro Dimensões do
PIR e Atributos de Avaliação de Recursos e Formulação dos Potenciais Energéticos.
Neste trabalho são levantadas e caracterizadas as tecnologias e os recursos energéticos do
Lado da Demanda, descrevendo todos os aspectos técnicos de cada tecnologia, dos seus atributos
sejam conforme as dimensões técnico-econômica, ambiental, social e política. Ainda neste relatório
é também caracterizada a delimitação e a formulação da metodologia utilizada para essa caracterização e cálculos dos potenciais teóricos para a Região Administrativa de Araçatuba, bem como a
introdução dos critérios para a elaboração de questionários de pesquisa e entrevista.
1
INTRODUÇÃO
O principal objetivo do uso da energia é assistir na satisfação das necessidades e desejos do
ser humano. O que se deseja, porém, não é a energia em si, mas os serviços energéticos
proporcionados pelas tecnologias de uso final. Estes são responsáveis pelo suprimento das
principais necessidades sociais, como o condicionamento ambiental, o aquecimento de água, a
iluminação, a cocção, o transporte e a força motriz, concretizados através de tecnologias de uso
final, como lâmpadas, fogões, refrigeradores, veículos, entre outros, alimentados por energias
secundárias como a elétrica ou de óleos combustíveis. Por esta razão é suma importância conhecer
as características das tecnologias utilizadas para esta finalidade, isso poder orientar a sociedade a
fazer a melhor escolha nos seus usos finais.
A seguir são descritos as razões que motivaram a elaboração deste trabalho, cuja atenção voltada
aos recursos dos usos finais, bem como as respectivas tecnologias a eles associadas.
2
JUSTIFICATIVA
A energia é uma condição determinante para o estabelecimento do bem estar e da qualidade
de vida da população mundial, para o atendimento de níveis mínimos de saúde, educação e conforto. É igualmente imprescindível à infra-estrutura da atividade econômica, na realização de atividades de transformação e de produção, desde o período industrial até a atual era da informação. O
aumento destas atividades e o crescimento demográfico têm feito a demanda humana por energia
crescer a níveis que restringem a disponibilidade de recursos energéticos, [1,2].
A obtenção de energia a partir destes recursos implica em diversos tipos de impactos negativos inevitáveis, ainda que estes ocorram em maior ou menor escala, de acordo com a fonte energética explorada. Estes impactos, muitas vezes considerados marginais sob uma perspectiva técnicoeconômica de análise, não são integralmente abordados dentro do paradigma tradicional de planejamento energético.
O tratamento destes impactos no processo de planejamento energético, através da minimiza-
2
ção de custos e maximização de benefícios de ordem geral (política, social, ambiental e sócioeconômica) deve ocorrer não apenas por meio da avaliação de recursos energéticos de oferta em
termos de custos e impactos, mas também por metodologias que apontem a inclusão de alternativas
do lado da demanda energética, representadas por medidas de gerenciamento de carga, eficiência
energética e uso consciente e racional da energia nos diversos setores de consumo, [1,2].
Dentro deste perfil de planejamento energético voltado aos fundamentos do Desenvolvimento Sustentável, o PIR – Planejamento Integrado de Recursos segue uma série de diretrizes, das quais
as principais são: a inclusão de todas as opções de recursos energéticos no processo de planejamento; a caracterização de recursos dentro de diferentes dimensões de análise (perspectivas ambiental,
social, política e técnico-econômica), buscando a minimização de impactos gerais negativos à sua
implementação e utilização; a consideração, em grau equivalente de importância, de opções energéticas dos lados da demanda e oferta no planejamento energético e, por fim, a participação de todos
os agentes do setor energético no processo de análise de recursos.
Desta forma, propõe-se, a partir das premissas do PIR, uma metodologia para a análise completa e a caracterização de tecnologias e de recursos energéticos do lado da demanda, com o objetivo geral de explicitar os critérios do levantamento, análise e mensuração de potencial energético
destes recursos. Esta metodologia é geograficamente e temporalmente adaptável e, portanto passível
de aplicação em âmbito regional ou nacional, para diferentes setores de consumo energético, em
horizontes variáveis de tempo.
Sendo assim, no item a seguir serão descritos os principais objetivos para a caracterização de
tecnologias e de recursos energéticos do Lado de Demanda da Região Administrativa de Araçatuba.
3
OBJETIVOS
O objetivo deste estudo é a definição dos procedimentos para a Caracterização das tecnologias e dos Recursos Energéticos de Demanda, que explicite uma metodologia de levantamento, caracterização e análise de todas as alternativas energéticas do lado da demanda, representadas pelos
usos finais. Estes recursos considerados na composição do modelo são submetidos às seguintes fases:
• Caracterização de Tecnologias de Usos Finais: através do levantamento das tecnologias junto
aos fabricantes, às importadoras, fornecedores, às indústrias locais, ao comércio local, agroindústria, pesca, aos serviços públicos da região, etc.
• Caracterização de Recursos Energéticos do Lado da Demanda: através do levantamento e
descrição de todas as alternativas energéticas e sua segmentação em diferentes grupos de medidas e ações, usos finais e tecnologias associadas de GLD e setores de consumo energético;
• Caracterização das Quatro Dimensões de Avaliação de Recursos: delimitação das esferas
técnico-econômica, ambiental, social e política de análise de recursos e a caracterização de seus
atributos e sub-atributos, (representando impactos inerentes à utilização e implantação de recursos) visando uma avaliação completa dos recursos do lado da demanda quanto a custos e benefícios provenientes de seu emprego;
• Estimativa dos Potenciais Energéticos Teórico, Realizável e de Mercado: Caracterização
dos potenciais energéticos teórico, realizável e de mercado quanto à sua amplitude e suas restrições de aplicação delimitadas nas quatro dimensões de análise e particularizadas para cada recurso analisado.
Para atingir os objetivos acima descritos foi elaborada a metodologia que orientasse de uma forma
clara sobre os procedimentos a dotar na caracterização de tecnologias e de recursos do Lado de
Demanda, que no item em seguida será abordada de maneira mais detalhada.
4
METODOLOGIA
A metodologia adotada para caracterização de tecnologias dos recursos do Lado de Demanda conta com as seguintes fases:
3
•
Delimitação do Local de Estudo: entende-se pela definição do local de estudo, a delimitação
da fronteira geográfica onde deve ocorrer o levantamento e caracterização de tecnologias e
de recursos dos usos finais.
• Identificação das Principais Atividades Econômicas do consumo de Energia do Local do Estudo: na identificação das principais atividades econômicas devem-se levantar as características destas atividades por setor: industrial, comercial, residencial, público, agropecuário.
• Estratificação dos usos finais dos setores e sub-setores;
• Levantamento das tecnologias dos usos finais locais e do mercado (nacional e internacional)
e suas características técnico-econômicas, ambientais, sociais, políticas.
• Caracterização das dimensões (técnico-econômica, ambiental, social e política) e a descrição
dos atributos das tecnologias levantadas;
• Caracterização dos Recursos do lado de demanda;
• Caracterização das dimensões (técnico-econômica, ambiental, social e política) e dos atributos dos recursos levantados;
• Caracterização das medidas e Ações de Conservação de Energia.
• Caracterização das dimensões (técnico-econômica, ambiental, social e política) e dos atributos dos recursos levantados através destas medidas e ações;
• Estimativa dos potenciais teórico, realizável e do mercado dos recursos levantados;
No fluxograma abaixo estão resumidas as etapas acima descritas para caracterização de tecnologias, dos recursos do lado de demanda e estimativas dos potenciais existentes.
Portanto, segundo a metodologia adotada o local escolhido para este estudo é a região Administrativa de Araçatuba, cujas atividades econômicas principais são: agroindústria, comércio, uso
residencial de energia e outros. No item seguinte faz-se a caracterização das tecnologias dos usos
finais utilizadas para estas atividades econômicas.
4
5
TECNOLOGIAS DE ILUMINAÇÃO
A necessidade de levantamento e da caracterização das tecnologias de iluminação está associada à grande parcela de energia consumida neste tipo de serviço. A iluminação é responsável por,
aproximadamente, 23 % do consumo de energia elétrica no setor residencial, 44% no setor comercial e serviços públicos e 1% no setor industrial, [3]. Mediante esta situação torna-se importante conhecer bem as características das tecnologias utilizadas para esta finalidade e poder fazer melhor
escolha na fase do desenvolvimento dos projetos de instalações elétricas, ou mesmo, propor a substituição das menos eficientes com as mais eficientes levantadas no mercado. Portanto, no item a seguir procede-se com essa caracterização para melhor identificar as tecnologias existentes e mais eficientes para a Região Administrativa de Araçatuba.
5.1
INTRODUÇÃO
A iluminação é um dos mais expressivos usos finais, respondendo por cerca de 40% do consumo de eletricidade no setor comercial e acima de 20% do consumo total de energia elétrica no
setor residencial. Nos setores públicos, dois terços da eletricidade consumida são destinados à iluminação de ruas, [4].
Na avaliação de fontes luminosas temos como parâmetros importantes o fluxo luminoso, a
eficiência luminosa e a iluminância. O fluxo luminoso caracteriza a quantidade de luz produzida por
uma lâmpada, emitida pela radiação, medida em lumens (lm). A eficiência luminosa é o quociente
entre o fluxo luminoso total emitido e a potência consumida, medida em lumens por Watt. Já a iluminância é o fluxo luminoso incidente em função da área iluminada. De acordo com a aplicação da
iluminação, níveis diferentes de iluminância são requeridos, de forma a atender a requisitos de desempenho e conforto visual. Tarefas visuais simples demandam uma baixa iluminância; tarefas visuais prolongadas ou exatas como cirurgias ou montagens de componentes de microeletrônica demandam um alto nível de iluminância.
Pode-se ver, portanto, que o emprego de uma dada fonte de iluminação está condicionado
tanto à sua eficiência energética, quanto à eficiência prática e adequação à atividade específica requerida. Como parte de equipamentos e tecnologias de iluminação temos: lâmpadas, luminárias,
reatores, circuitos de iluminação e dispositivos de controle. As lâmpadas se dividem em dois grandes grupos: as incandescentes e as de descarga.
5.2
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS TECNOLOGIAS DE ILUMINAÇÃO
Para melhor escolha da tecnologia a ser utilizada, é importante conhecer as suas características construtivas e seus parâmetros técnicos. Isso permite definir como usar e onde aplicar uma determinada tecnologia. Portanto, neste trabalho, pretende-se descrever todas as tecnologias de usos
finais e as suas características técnicas, para facilitar a sociedade na escolha dos equipamentos dos
usos finais e também para futura avaliação das quatro dimensões do PIR.
5.2.1 LÂMPADAS INCANDESCENTES
Na Figura 1, [24], é apresentada a lâmpada do tipo incandescente cuja descrição das suas características técnicas segue.
5
Figura 1: Esquema de uma lâmpada incandescente
Se uma corrente elétrica suficientemente intensa passa por um filamento condutor, as moléculas do filamento vibram, ele se aquece e, num dado instante, chega a brilhar. Esse é o princípio da
lâmpada incandescente comum.
A lâmpada elétrica incandescente foi inventada por volta de 1870 e envolveu o trabalho de
muitos pesquisadores e inventores, [22]. Entre estes se destaca Thomas Edison. Ele e seus assistentes experimentaram mais de 1.600 tipos de materiais, buscando um filamento eficiente e econômico.
A sua melhor lâmpada utilizava filamentos de bambu carbonizados.
As lâmpadas incandescentes atuais utilizam um fio de tungstênio encerrado num bulbo de
vidro. Esse fio tem diâmetro inferior a 0,1 mm e é enrolado segundo uma hélice cilíndrica [Figura
2]. Passando corrente elétrica no filamento, ele se aquece a uma temperatura da ordem de 3.000 ºC,
[26]. O filamento torna-se, então, incandescente e começa a emitir luz. No interior da lâmpada não
pode haver ar, pois do contrário o filamento se oxida e incendeia-se. Antigamente fazia-se vácuo no
interior do bulbo, porém isso facilitava a sublimação do filamento (passagem do estado sólido para
o estado de vapor). Passaram, então, a injetar um gás inerte, em geral o argônio ou criptônio.
Figura 2: Filamento de uma lâmpada incandescente
6
É importante observar que a luz emitida por uma lâmpada incandescente não é efeito direto
da corrente elétrica e sim conseqüência do aquecimento no filamento produzido pela passagem da
corrente.
A lâmpada incandescente é uma lâmpada de baixo rendimento, gera muito mais calor do que
luz. Apenas 5% da energia, aproximadamente, são transformadas em luz [Figura 3].
Para obter diferentes luminosidades, o fabricante altera, geralmente, a espessura do filamento: quanto maior a espessura maior a corrente elétrica e, portanto, maior a luminosidade.
Figura 3: Lâmpada incandescente
Lâmpada incandescente halógena: trata-se de uma lâmpada incandescente cujo filamento é encerrado em um tubo de quartzo contendo substâncias halógenas como o bromo, o iodo, e outras substâncias [Figura 4]. Quando a lâmpada é acionada, essas substâncias evaporam, e se combinam com
partículas de tungstênio que são ejetadas do filamento. Quando a lâmpada é desligada, as partículas
aderidas às moléculas dessas substâncias halogenóides, precipitam-se sobre o filamento, propiciando um efeito de regeneração. Tal efeito faz com que esse tipo de lâmpada tenha uma durabilidade
até duas vezes maior do que as tradicionais lâmpadas incandescentes, além de permitir uma ótima
manutenção do fluxo luminoso, uma vez que o efeito de enegrecimento por sublimação é minimizado [43].
Figura 4: Lâmpadas incandescentes halógenas
Outro tipo de lâmpada a vapor de mercúrio muito importante que pode ser citado é a chamada lâmpada de luz mista [Figura 5], que é uma lâmpada de vapor de mercúrio que possui no mesmo bul-
7
bo um tubo de descarga contendo mercúrio, e ligado em série ao mesmo, um filamento de lâmpada
incandescente, que melhora o espectro luminoso da lâmpada e ao mesmo tempo, desempenha o papel de reator, ou seja, a lâmpada de luz mista pode ser ligada diretamente à rede elétrica, tal como a
lâmpada incandescente, [42].
Figura 5: Lâmpada de luz mista
5.2.2 LÂMPADAS DE DESCARGA
As lâmpadas de descarga são lâmpadas que funcionam segundo um princípio totalmente diferente ao da lâmpada incandescente. São lâmpadas que existem desde o início do século XIX, sendo utilizada em muitas regiões da antiga Inglaterra como opção às luminárias a gás, [44].
Lâmpadas Fluorescentes
Dentre as lâmpadas de descarga, a lâmpada fluorescente é a de maior destaque. Inventada
nas primeiras décadas do século XX, a lâmpada fluorescente é a mais popular lâmpada de descarga
do mundo, sendo utilizada em aplicações residenciais, comerciais, industriais, dentre tantas outras,
[32].
Existem diversos tipos de lâmpadas fluorescentes, porém, todas obedecem ao mesmo princípio de funcionamento, ou seja, a excitação e desexcitação de átomos de uma mistura gasosa, e das
paredes fosforescentes do tubo ao qual damos o nome de tubo de descarga.
Figura 6: Lâmpada fluorescente
8
As lâmpadas fluorescentes funcionam segundo o princípio da descarga de um gás sob baixa
pressão, com uma pequena quantidade de mercúrio. Uma vez que ligamos o interruptor, a corrente
elétrica circunda uma bobina de fio de cobre, a qual chamamos de reator, passando pelos eletrodos
da lâmpada, chegando a um dispositivo denominado starter. Esse dispositivo aquece fazendo com
que uma pequena folha metálica feche o circuito formado pelos eletrodos da lâmpada (que são pequenos filamentos), com o reator. Nesse exato momento, a corrente elétrica faz o fluxo magnético
na armadura do reator atinja um valor máximo, de forma que quando o starter libera o circuito, seja
liberado um pulso de alta tensão (lei de Faraday), que quebra a rigidez dielétrica do gás, fazendo
com que este se converta num plasma, iniciando assim o funcionamento da lâmpada.
O espectro luminoso oriundo da descarga é extremamente pobre, sendo constituído em
grande parte de radiação ultravioleta, que é invisível e nociva ao ser humano. Para contornar esse
problema, é aplicada a superfície interna do tubo uma camada de uma substância fosforescente, que
é capaz de converter essa radiação ultravioleta em luz visível.
Figura 7: Esquema de funcionamento de uma lâmpada fluorescente, [32]
Existem diversos tipos de lâmpadas fluorescentes, como as compactas, que utilizam a mesma infra-estrutura de uma lâmpada incandescente comum, facilitando a substituição das mesmas, as
de catodo quente, que foram descritas anteriormente, e as chamadas lâmpadas fluorescentes de catodo frio, que não possui filamentos nos eletrodos. Esse tipo de lâmpada necessita para seu funcionamento um autotransformador, que produz pulsos de alta tensão constantemente. A vantagem dessa tecnologia é seu acendimento instantâneo, e sua desvantagem é o seu grande comprimento, [45].
Figura 8: Lâmpada fluorescente compacta
9
Figura 9: Lâmpada fluorescente de catodo frio
Lâmpada de Vapor de Mercúrio sob Alta Pressão
A lâmpada de mercúrio sob alta pressão, [Figura 10], como o próprio nome diz, é uma lâmpada que tem como princípio de funcionamento a descarga entre dois eletrodos imersos numa atmosfera de argônio, com uma pequena quantidade de mercúrio. Esse tipo de lâmpada foi desenvolvido por volta de 1930, e teve seu sucesso associado à grande expansão da indústria automotiva
norte americana, [41].
A lâmpada a vapor de mercúrio sob alta pressão opera com uma pressão da ordem de 10 atm
para lâmpadas de potência mais elevadas, ou seja, 250w, 400w, 700w, e 1000w, e pressões acima
de 10 atm para lâmpadas de menor potência, como 50w, 80w, e 125w. Seu funcionamento difere do
funcionamento da lâmpada fluorescente pelo fato de não necessitar de nenhum pico de ignição para
a partida, isto se deve a presença de um eletrodo auxiliar no seu tubo de descarga, que ioniza o gás
argônio nas suas vizinhanças, dando início à descarga.
A lâmpada de vapor de mercúrio é constituída de um bulbo protetor contendo gás nitrogênio
sob baixa pressão, um tubo de descarga com três eletrodos, sendo dois eletrodos principais, e um
auxiliar, também conhecido como eletrodo de partida. Ligado ao eletrodo de partida existe um pequeno resistor, cuja finalidade é limitar a corrente elétrica no eletrodo auxiliar, de maneira que o
mesmo só funcione durante a partida da lâmpada.
Para que a lâmpada a vapor de mercúrio possa funcionar com segurança, a mesma deve operar com um reator, semelhante ao da lâmpada fluorescente, para que a corrente e a tensão sejam limitadas a valores aceitáveis para o seu funcionamento.
A maior dificuldade para a construção das primeiras lâmpadas a vapor de mercúrio sob alta
pressão foi à confecção do tubo de descarga, mais especificamente, a selagem do mesmo, isto porque, a temperatura do mercúrio sob a forma de plasma de alta pressão, é extremamente elevada,
sendo necessária a utilização de quartzo para a produção de seu tubo de descarga, e como o quartzo
tem um coeficiente de dilatação térmica muito baixo quando comparado ao coeficiente de dilatação
térmica dos metais, os eletrodos de tungstênio encerrados dentro do tubo de descarga, terão uma
dilatação maior que a dilatação do quartzo, podendo fazer com que o tubo de descarga rache nos
pontos de selagem, ou seja, nas suas extremidades.
Figura 10: Lâmpada a vapor de mercúrio
10
A solução desse problema foi obtida com a utilização de finíssimas placas condutoras, que
são ligadas aos eletrodos, e aos terminais do tubo de descarga. Essas placas são constituídas de nióbio, e quando o tubo se aquece, as mesmas terão ainda uma dilatação um pouco maior que a do tubo, porém, por serem extremamente delgadas, elas não vão forçar o tubo, eliminando a possibilidade de rachaduras, [40].
Existem lâmpadas a vapor de mercúrio construídas com os mais variados tipos de bulbo, e
podem ter bulbos revestidos com camada fosforescente para converter a radiação ultravioleta em
luz visível, melhorando o seu espectro, ou bulbos claros, onde o espectro emitido deve-se apenas a
descarga no mercúrio. A lâmpada a vapor de mercúrio possui um espectro um pouco mais rico que
o da lâmpada fluorescente. Este tipo de lâmpada era considerado na década de 80, um dos mais importantes em aplicações como a iluminação pública, porém, com o advento da lâmpada a vapor de
sódio sob alta pressão, sua utilização vem se tornando cada vez menos comum, dada a sua baixa
eficiência energética, eficiência essa de aproximadamente 50 lumens/watt.
Lâmpada de Vapor Metálico
Após a popularização da lâmpada a vapor de mercúrio sob alta pressão, foi uma questão de
tempo para que aperfeiçoamentos da tecnologia começassem a surgir, e um bom exemplo desse fato
é a lâmpada de vapor de mercúrio com iodetos metálicos, ou simplesmente, lâmpada de vapor metálico, [39].
A lâmpada de vapor metálico é extremamente semelhante à lâmpada de vapor de mercúrio,
exceto pela presença de iodetos metálicos, pelo seu desempenho muito maior, e pela possibilidade
de se variar a coloração da lâmpada pela seleção dos iodetos metálicos colocados no interior do tubo de descarga. Esse tipo de lâmpada também conta com um revestimento de alumina nas extremidades do tubo de descarga, cujo objetivo é refletir o calor produzido pela descarga para os eletrodos,
impedindo a condensação dos iodetos no interior do tubo de descarga da lâmpada.
A lâmpada de vapor metálico opera em conjunto com um reator adequado, que produz picos
de alta tensão de até 5.000 volts para a ignição, existindo, porém, versões que dispõem de eletrodo
auxiliar, tal como ocorre com a lâmpada a vapor de mercúrio, tornando desnecessária a geração de
pulsos de alta tensão, ou ainda, modelo provido de um ignitor interno tipo starter, tal como ocorre
com as lâmpadas fluorescentes.
As lâmpadas de vapor metálico estão disponíveis nos mais variados formatos, existindo ainda lâmpadas de altíssima potência que são desprovidas de bulbo, utilizando, portanto, um refletor
fechado hermeticamente.
Atualmente, a lâmpada de vapor metálico, é a que apresenta o maior número de aplicações, a
se destacar a iluminação de lojas de departamentos, estádios de futebol, monumentos, indústrias,
iluminação residencial, e até mesmo, iluminação automotiva, com as chamadas lâmpadas de xenônio, que são lâmpadas de vapor metálico com atmosfera de xenônio, capazes de acender instantaneamente. A lâmpada de vapor metálico está disponível numa enorme gama de potências, indo de
10w até 18000w, e seu rendimento gira em torno de 100 lumens/watt, ou seja, o dobro da tradicional lâmpada de vapor de mercúrio.
11
Figura 11: Lâmpada de vapor metálico
A Figura 11 mostra três lâmpadas de descarga, uma revestida, uma provida de eletrodo auxiliar, e outra provida de tubo de descarga cerâmico, que é uma das ultimas tecnologias aplicadas a
este tipo de lâmpada.
Lâmpada a Vapor de Sódio sob Baixa Pressão
Foi desenvolvida por volta de 1930, [45], objetivando o melhor rendimento possível além da
maior segurança possível na iluminação das grandes vias expressas. Este tipo de lâmpada tem como
princípio de funcionamento a descarga num tubo de vidro especial em forma de U, contendo uma
atmosfera composta de 99% de neônio e 1% de argônio, além do sódio. Esta lâmpada possui algumas peculiaridades que a tornam semelhante à lâmpada fluorescente, no que diz respeito às características funcionais, como por exemplo, os catodos aquecidos, e o circuito de ligação, constituído de
um reator, e um starter, similares aos da lâmpada fluorescente [Figura 12].
Figura 12: Lâmpada a Vapor de Sódio sob Baixa Pressão
Lâmpada a Vapor de Sódio sob Alta Pressão
A lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão [Figura 13] é sem dúvida a última palavra em
matéria de eficiência, durabilidade e confiabilidade. É uma lâmpada que funciona segundo o mesmo
princípio da lâmpada de vapor metálico sob alta pressão, diferindo pelo fato de que a lâmpada de
sódio utiliza uma mistura de sódio com mercúrio, além de gases nobres que iniciam a ignição da
lâmpada.
A lâmpada de sódio sob alta pressão foi idealizada por pesquisadores dos principais fabricantes de lâmpadas do mundo, dentre estes, temos a GE, que apresentou um dos primeiros protótipos desse tipo de lâmpada. O maior obstáculo para a elaboração desse audacioso projeto foi a confecção de um tubo de descarga que suportasse a agressividade do sódio sob altas temperaturas e
12
pressões, obstáculo este transposto com o desenvolvimento de um tipo especial de cerâmica translúcida, denominada alumina.
A lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão difere da lâmpada a vapor de sódio sob baixa
pressão pelo fato de seu espectro ser muito mais rico, sendo até mais rico que o espectro da lâmpada
a vapor de mercúrio sob alta pressão. Isto ocorre devido o fato de que sob altas temperaturas e pressões, as linhas monocromáticas do espectro do sódio começam a se superpor, produzindo através de
interferências construtivas e destrutivas outras linhas espectrais, que normalmente seriam imperceptíveis. O rendimento típico de uma lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão é um pouco menor
que o da lâmpada a vapor de sódio sob baixa pressão, sendo, no entanto o segundo maior rendimento dentre as fontes de luz artificial.
As lâmpadas de vapor de sódio sob alta pressão estão disponíveis, assim como as lâmpadas
de vapor metálico numa enorme gama de formatos, indo da forma elipsoidal as formas refletoras
parabólica, sendo extremamente útil a diversas aplicações, dentre elas, a iluminação pública.
Figura 13: Lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão
5.2.3 LÂMPADA DE ENXOFRE
A lâmpada de enxofre pertence a uma categoria de lâmpadas totalmente nova, é um tipo de
lâmpada que não funciona com nenhum princípio mencionado até agora, nem a descarga, e nem a
incandescência, mas sim a indução eletromagnética, produzida por um magnetron, que é o mesmo
dispositivo que permite o funcionamento dos fornos de microondas.
O funcionamento desse tipo de lâmpada é bastante simples, uma pequena esfera de vidro especial, é montada na antena do magnetron. Uma vez acionado esse dispositivo provoca a excitação
no enxofre dentro da esfera [Figura 14 e Figura 15], tal como ocorre nas lâmpadas de descarga,
emitindo uma luz muito intensa e com um tom levemente azulado, além é claro de possuir um espectro bastante rico.
A principal razão para se utilizar a radiofreqüência na produção de luz a partir do enxofre, se
deve a sua enorme “agressividade” para com os metais, inviabilizando a utilização do princípio da
descarga.
Figura 14: Esquema da lâmpada de enxofre
13
Figura 15: Esquema da lâmpada de enxofre
5.2.4 LÂMPADA DE INDUÇÃO
Além da lâmpada de enxofre, [39], outra inovação da indústria da iluminação foi a chamada
lâmpada fluorescente de indução, cujo princípio de funcionamento baseia-se na excitação do mercúrio e dos gases nobres em seu interior através da aplicação de um campo magnético oscilante de altíssima freqüência [Figura 16 e Figura 17].
A lâmpada fluorescente de indução é desprovida de eletrodos internos, sendo constituída ou
de uma ampola com mercúrio, com uma bobina interna, que excita o mercúrio, ou é simplesmente
um tubo fechado com duas bobinas enroladas em suas extremidades. Excetuando-se estas características, esse tipo de lâmpada não é nada mais do que uma simples lâmpada fluorescente, a não ser
pela sua vida útil, 100.000 horas, ou seja, acima de 10 anos, [29].
Figura 16: Esquema da lâmpada de indução
14
Figura 17: Esquema da Lâmpada de Indução
5.2.5 LED
O led (light emitter diode - diodo emissor de luz), [Figura 18], como o próprio nome já diz, é
um diodo (junção P-N) que quando energizado emite luz visível. A luz é monocromática e é
produzida pelas interações energéticas do elétron. O processo de emissão de luz pela aplicação de
uma fonte elétrica de energia é chamado eletroluminescência. Em qualquer junção P-N polarizada
diretamente, dentro da estrutura, próximo à junção, ocorre recombinações de lacunas e elétrons.
Essa recombinação exige que a energia possuída por esse elétron, que até então era livre, seja
liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz, [27].
Figura 18: LED´s
A luz emitida é monocromática, sendo a cor, portanto, dependente do cristal e da impureza
de dopagem com que o componente é fabricado. O led que utiliza o arsenieto de gálio emite
radiações infra-vermelhas. Dopando-se com fósforo, a emissão pode ser vermelha ou amarela, de
acordo com a concentração. Utilizando-se fosfeto de gálio com dopagem de nitrogênio, a luz
emitida pode ser verde ou amarela. Atualmente, pesquisa-se o LED branco, ou seja, um componente
capaz de emitir luz em vários comprimentos de onda ao mesmo tempo, [38].
Os diodos emissores de luz são empregados também na construção dos displays alfanuméricos. Há também leds bicolores, que são constituidos por duas junções de materiais diferentes
15
em um mesmo invólucro, de modo que uma inversão na polarização muda a cor da luz emitida de
verde para vermelho, e vice-versa. Existem ainda leds bicolores com três terminais, sendo um para
acionar a junção dopada com material para produzir luz verde, outro para acionar a junção dopada
com material para gerar a luz vermelha, e o terceiro comum às duas junções. O terminal comum
pode corresponder à interligação dos anodos das junções (leds bicolores em anodo comum) ou dos
seus catodos (leds bicolores em catodo comum).
Embora normalmente seja tratado por led bicolor (vermelho+verde), [Figura 19], esse tipo
de led é na realidade um "tricolor", já que além das duas cores independentes, cada qual gerada em
uma junção, essas duas junções podem ser simultaneamente polarizadas, resultando na emissão de
luz alaranjada.
Geralmente, os leds são utilizados em substituição às lâmpadas de sinalização ou lâmpadas
pilotos nos painéis dos instrumentos e aparelhos diversos. Para fixação nesses painéis, é comum o
uso de suportes plásticos com rosca.
Figura 19: Esquema de um Led bicolor
5.3
CARACTERIZAÇÃO DAS DIMENSÕES DAS TECNOLOGIAS DE ILUMINAÇÃO
As tecnologias de iluminação são tecnologias mais utilizadas no dia de hoje por todos os setores das atividades econômicas da sociedade moderna. Portanto, é suma importância conhecer bem
essas tecnologias em todas as suas dimensões, que é o propósito neste item, de caracterizar todas as
dimensões, descrever os seus atributos para posteriormente, selecionar as mais relevantes para avaliação dos custos completos, consequentemente, para seleção dos recursos na composição de carteira dos recursos do lado da demanda da Região Administrativa de Araçatuba.
5.3.1 ASPECTOS TÉCNICO-ECONÔMICOS DAS TECNOLOGIAS DE ILUMINAÇÃO
Utilização de qualquer que seja tecnologia exige o conhecimento das suas características
técnicas (concepção física, eficiência, vida útil e outras) e dos custos envolvidos, por isso, neste trabalho serão caracterizados os aspectos técnico-econômicos e levantados os atributos relacionados às
tecnologias de iluminação para cada uma delas.
- Lâmpadas Incandescentes: as lâmpadas incandescentes comuns são geralmente utilizadas
em ambientes internos onde é necessária uma boa reprodução de cor, como: vitrines, indústrias têxtil e de tintas, indústrias gráficas. Esse tipo de lâmpadas são fontes de luz de baixa eficiência que,
por sua versatilidade, baixo custo e boa reprodução de cores, ainda é amplamente utilizada. Neste
tipo de lâmpada apenas 10% da energia consumida é transformada em luz.
- Lâmpadas Incandescentes Halógenas: são utilizadas em faróis de automóveis, projetores
fotográficos, luzes de orientação das pistas de aeroportos, realce de objetos em vitrines, galerias,
etc. Fonte de luz de tamanho reduzido, são fabricadas com diversas formas em função de sua aplicação e potência. Seu sistema de funcionamento propicia a auto-limpeza da ampola, mantendo o
16
mesmo fluxo durante toda vida útil.
- Lâmpadas de Luz Mista: são mais utilizadas em postos de gasolina, jardins, vias públicas, indústrias. Estas lâmpadas são equipadas com bases compatíveis às lâmpadas incandescentes e
não necessitam de reator, possibilitando a substituição imediata, permitindo certo aumento da eficiência luminosa e o aproveitamento das instalações existentes. Entretanto, é preciso ter presente que
as lâmpadas de luz mista são muito menos eficientes que outros tipos de lâmpadas que podem substituir as lâmpadas incandescentes. Por exemplo, possuem metade da eficiência luminosa das lâmpadas de vapor de mercúrio e apenas 25% das de vapor de sódio de alta pressão.
- Lâmpadas de Descarga: são devidas em varias categorias que em seguida está sendo descrita os aspectos técnico-econômicos de uma forma detalhada.
- Lâmpadas Fluorescentes: as lâmpadas fluorescentes tubulares são amplamente utilizadas em instalações comerciais, escritórios, oficinas, hospitais, escolas, etc. Acendimentos muito freqüentes encurtam a vida útil da lâmpada. A eficiência energética do conjunto depende da utilização dos equipamentos auxiliares adequados e com poucas perdas. Existe atualmente no mercado
uma nova geração de lâmpadas de maior eficiência que possuem tubos de diâmetros menores revestidos com pós especiais, que garantem uma melhor reprodução de cores e redução no consumo de
energia em torno de 20%.
- Lâmpadas Fluorescentes Compactas: são mais utilizadas em residências, hotéis, restaurantes, teatros, luminárias de mesa, balizamentos e principalmente para substituição de lâmpadas
incandescentes. Podem reduzir até 80% do consumo de energia comparando-se à incandescente,
mantendo o mesmo nível de iluminação, além de apresentar uma vida útil muito maior. Alguns modelos possuem reator eletrônico já incorporado e/ou adaptador tipo rosca que possibilita a substituição imediata das lâmpadas incandescentes aproveitando a instalação existente. A eficiência destas
lâmpadas é similar às lâmpadas fluorescentes tubulares, porém têm a vantagem de apresentar dimensões reduzidas.
- Lâmpada de Vapor de Mercúrio sob Alta Pressão: as lâmpadas de vapor de mercúrio
sob alta pressão têm seu uso geral em grandes áreas, interna ou externa. Possui vida útil longa, sendo que os acionamentos constantes podem reduzir sua vida útil. Emite uma luz de cor branca azulada e apresenta pequena depreciação do fluxo luminoso durante sua vida útil. Este grupo de lâmpadas ainda tem a subdivisão em seguintes tipos de lâmpadas:
- Lâmpada de Vapor Metálico: as lâmpadas de vapor metálico são geralmente empregadas
para a iluminação de galpões industriais, piscinas cobertas, supermercados, áreas desportivas ou
para iluminação externa como fachadas, monumentos, canteiros de obra. São fontes de luz de alta
eficiência. Alguns modelos aparecem em pequenos bulbos tubulares que possibilitam sua utilização
em luminárias menores. São produzidas com contatos unilaterais ou bilaterais e bulbos de diversos
formatos. Algumas versões destas lâmpadas emitem uma grande quantidade de radiação ultravioleta, por isso devem ser instaladas em luminárias fechadas, com vidros que absorvam esta radiação.
Devido a sua boa reprodução de cores são utilizadas em locais onde ocorrem filmagens ou televisionamento.
- Lâmpada a Vapor de Sódio sob Baixa Pressão: A lâmpada a vapor de sódio sob baixa
pressão é a fonte de luz artificial de maior rendimento, porém tem como ponto negativo o seu espectro praticamente monocromático na região do amarelo. Essa lâmpada foi extremamente popular
na década de 50, começando a cair em desuso com o advento das modernas lâmpadas a vapor de
sódio sob alta pressão.
O IRC das lâmpadas LPS é extremamente baixo, próximo de zero: sua luz é praticamente
monocromática, quase que exclusivamente na faixa amarela do espectro, tendendo a reforçar os
tons desta cor e fazendo com que todas as demais cores adquiram tonalidades escuras nos tons cinza, marrom e preto.
- Lâmpada a Vapor de Sódio sob Alta Pressão: as lâmpadas a vapor de sódio sob alta
pressão são amplamente utilizadas em vias públicas, viadutos, estacionamentos, depósitos, fachadas, quadras poli esportivas. É o tipo de lâmpada de maior eficiência luminosa entre as fontes de luz
poli cromáticas para uso generalizado. O inconveniente é a curva de distribuição espectral, pois a
17
emissão de luz ocorre apenas em comprimentos de ondas próximos do amarelo, distorcendo parcialmente a percepção das outras cores. Por esta razão sua aplicação é aconselhável apenas onde a
distinção das cores tem menor importância e o reconhecimento dos objetos por contraste é predominante. Alguns modelos não podem ser instalados em circuitos capacitivos.
- Lâmpada de Enxofre: as lâmpadas de enxofre ainda não são muito utilizadas, por se tratar
de uma tecnologia muito recente. Sua utilização se refere mais a iluminação de grandes espaços que
requerem alta qualidade luminosa, como shoppings, salas de aula, ginásios, museus (pois não há
emissão de ultravioleta), câmaras frigoríficas (parte quente do lado de fora), linhas de montagem
diversas. Elas são duas vezes mais eficientes que as outras fontes de luz branca de alta qualidade e
praticamente não emitem luz ultravioleta nem infravermelho. É chamada de luz solar devido ao seu
amplo espectro de luz. Sua qualidade luminosa não decai até o fim da vida útil, e também alcançam
altas potências com pouca emissão de calor. Outro atributo interessante é que elas são dimerizáveis.
- Lâmpada de Indução: a lâmpada de indução também é uma tecnologia muito recente, e
tem sua principal aplicação em locais onde a substituição de lâmpadas é de difícil acesso e custo
elevado, como em Iluminação externa/interna com pé-direito elevado, túneis, indústrias, postos de
gasolina, etc., pois sua durabilidade pode ser maior do que 10 anos, devido a sua ausência de filamento. Ela possui baixa perda de fluxo luminoso, alta reprodução de cores e partida instantânea,
além de poder ser operada em corrente contínua.
- LED: os LED’s são usados principalmente em luminosos, semáforos e placas de sinalização. Eles requerem uma menor manutenção do que as lâmpadas convencionais empregadas atualmente para estas funções, pois não possui filamento, o que lhe garante uma longa vida útil. Podemos destacar também que a queima de eventuais LED’s no conjunto não compromete a segurança
em operações críticas, o que não ocorre com os outros tipos de lâmpadas. Eles possuem uma tecnologia consolidada, disponível e de custos decrescentes. Nos semáforos, podemos substituir uma
lâmpada de 150 W por um disco de LED’s de 9W, sendo o tempo de retorno do investimento de 2
anos.
Para a eficiência de uma fonte de iluminação e seu respectivo consumo racional de eletricidade, não apenas a lâmpada, como a utilização de luminárias, reatores e dispositivos de controle
deve ser considerada.
Os reatores: são equipamentos capazes de limitar a corrente na lâmpada e aumentar a tensão de operação para seu funcionamento. Podem ser do tipo eletromagnético ou eletrônico. Os reatores eletromagnéticos consomem uma potência final maior e ainda utilizam uma parcela desta potência para manterem os filamentos das lâmpadas aquecidos, mesmo quando desligadas. Já os reatores eletrônicos são uma evolução do primeiro tipo, permitindo a operação de lâmpadas fluorescentes
em potência nominal inferior para uma mesma quantidade de luz emitida, o aumento da vida útil
das lâmpadas (dada a operação em altas freqüências) e a redução de distúrbios como o efeito estroboscópico e flicker em monitores de vídeo, a produção de ruídos e o aquecimento do ambiente (por
apresentarem perdas consideravelmente menores), [37].
As luminárias: são elementos fundamentais no cálculo de iluminação de um determinado
espaço e no direcionamento do fluxo luminoso, tendo como função assegurar o conforto visual com
o máximo de eficiência. Podem ser de diferentes tipos, desde embutidas, abertas, fechadas, até projetores e spots, [Figura 20]. Cada um desses tipos implica em diferentes utilizações, rendimentos e
praticidade de manutenção. A manutenção periódica, visando a limpeza das luminárias, é de extrema importância, posto que o acúmulo de poeira reduz a intensidade do fluxo luminoso, ocasionando
perdas de luz no ambiente de até 20%, [36].
Sistemas de iluminação controlados eletronicamente oferecem vantagens como menor consumo de energia e maior eficiência luminosa; em contrapartida, implicam em problemas de qualidade elétrica como redução de fator de potência e produção de harmônicos, por se tratarem de cargas não-lineares.
18
Figura 20: Luminárias e reatores
Tabela 1: Tabela Resumo dos Atributos de Iluminação
Tipo de tecnologia
Incandescente
comum
Incandescente
halógena
Luz mista
Fluorescente
tubular
Fluorescente
compacta
Vapor de mercúrio sob alta
pressão
Vapor metálico
Vapor de sódio
sob baixa pressão
Vapor de sódio
sob alta pressão
Enxofre
Indução
LED
Fluxo luminoso
200 a
9.359 lm
5.100 a
24.000lm
3.150 a
13.500 lm
650 a
8.300 lm
400 a
2.900lm
1.800 a
22.000m
Eficiência
Potência
Vida útil
1.000h
Reprodução
de cor
Muito boa
Equipamentos
nenhum
8 a 18
lm/W
17 a 22
lm/W
19 a 27
lm/W
56 a 75
lm/W
44 a 65
lm/W
40 a 55
lm/W
25 a
500W
300 a
2.000W
160 a
500W
15 a
110W
7 a 26W
2.000h
Muito boa
nenhum
5.000h
Regular
nenhum
7.500h
Regular / boa
Reator /starter
10.000h
Muito boa
Reator / starter
50 a
400W
15.000h
Regular
Reator
5.500 a
330.000lm
3.600 a
26.000lm
68 a 100
lm/W
138 a 198
lm/W
70 a
3.500W
26 a
131W
2.000 a
10.000h
2.000 a
10.000h
Muito boa
Reator /ignitor
Ruim
Reator /ignitor
5.600 a
125.000lm
Até
450.000lm
Até
350.000lm
Até 130 lm
80 a 125
lm/W
Próx. a 95
lm/W
Próx. a 80
lm/W
16 a 22,5
lm/W
70 a
1000W
Até
5.900W
100W a
4.500W
10 mW a
5,775 W
15.000h
Razoável
Reator/ignitor
60.000h
Muito boa
Reator
R$ 19,00 a
R$ 149,00
-
60.000h
Muito boa
Reator
-
100.000h
Muito boa
nenhum
R$ 0,09 a
R$ 40,00
Preço
R$ 0,89 a
R$ 12,90
R$ 4,30 a
R$ 15,90
R$ 6,08 a
R$ 17,73
R$ 4,49 a
R$ 127,78
R$ 6,90 a
R$ 16,50
R$ 6,85 a
R$ 26,55
R$ 85,86 a
R$ 343,44
-
5.3.2 ASPECTOS SOCIAIS DAS TECNOLOGIAS DE ILUMINAÇÃO
Apesar dos benéficos com que as tecnologias de iluminação se destacam têm alguns aspectos que devem ser bem analisados nos seus usos e na definição dos projetos de instalações.
Lâmpadas Incandescentes: a adoção em massa de lâmpadas incandescentes pela população
não acarretaria nenhuma dificuldade para a conscientização social e mudanças de hábitos, visto que
a grande maioria da população já utiliza esse tipo de tecnologia e já possui toda a infra-estrutura
19
necessária para a implantação desta. O mesmo pode-se dizer para as lâmpadas de luz mista, visto
que, em seu segmento de utilização, que são as indústrias e grandes estabelecimentos comerciais,
elas também são as mais utilizadas por não necessitarem da utilização de um reator.
No aspecto estético e funcional, o impacto seria positivo, pois o espectro luminoso emitido
por este tipo de lâmpada se aproxima muito ao da luz solar, o que resulta numa excelente reprodução de cores dos objetos iluminados por estas lâmpadas. Já no caso das lâmpadas de luz mista, o
impacto seria negativo, pois elas possuem uma reprodução de cores regular. Mas também há um
impacto negativo, pois tanto as lâmpadas incandescentes quanto as de luz mista esquentam muito
devido a sua baixa eficiência na conversão de energia elétrica em luminosidade, o que pode ser prejudicial em determinados casos.
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção desta tecnologia não influenciaria muito a região, visto que já há uma grande produção deste tipo de lâmpadas no mercado, não
sendo necessária a instalação de novas fábricas na região para atender a nova demanda, e também
não causaria nenhum grande aquecimento no comércio local.
Lâmpadas Fluorescentes: a adoção em massa de lâmpadas fluorescentes tubulares pela população acarretaria alguma dificuldade para a conscientização social e mudanças de hábitos, visto
que a grande maioria da população não utiliza esse tipo de tecnologia e não possui toda a infraestrutura necessária para a implantação desta. Já no caso das lâmpadas fluorescentes compactas, a
dificuldade para a conscientização social seria menor, pois esse tipo de tecnologia utiliza a mesma
infra-estrutura das lâmpadas incandescentes, que são utilizadas pela grande maioria da população
local.
No aspecto estético e funcional, o impacto seria negativo, pois o espectro luminoso emitido
por este tipo de lâmpada tende para as cores frias, o que resulta numa reprodução de cores razoável
dos objetos iluminados por esta. As lâmpadas fluorescentes compactas possuem índices de reprodução de cores melhores do que as fluorescentes tubulares, mas também são piores do que as incandescentes nesse quesito. Mas também há um impacto positivo, pois essas lâmpadas não esquentam
muito, devido a sua boa eficiência na conversão de energia elétrica em luminosidade, influenciando
pouco na temperatura do ambiente em que ela for instalada.
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção desta tecnologia poderia influenciar positivamente a região, visto que mesmo havendo uma produção relativamente grande deste
tipo de lâmpadas no mercado, a grande demanda causada pela adoção em massa desse tipo de tecnologia faria com que talvez fosse necessária a instalação de novas fábricas na região para atender
essa nova demanda. Poderia também causar um aquecimento no comércio local, pois muitas pessoas necessitariam adquirir esse novo tipo de lâmpada.
Lâmpada de Vapor de Mercúrio sob Alta Pressão: a adoção em massa de lâmpadas de
vapor de mercúrio sob alta pressão acarretaria alguma dificuldade para a conscientização social e
mudanças de hábitos, visto que os setores que necessitam da utilização deste tipo de lâmpada são os
setores industrial, comercial e público, ainda não possuem a infra-estrutura necessária para a implantação desta tecnologia, pois, estas necessitam o uso de um reator.
por este tipo de lâmpada tende para as cores frias, o que resulta numa reprodução de cores razoável
dos objetos iluminados por esta. Mas também há um impacto positivo, pois essas lâmpadas não esquentam muito, devido a sua boa eficiência na conversão de energia elétrica em luminosidade, influenciando pouco na temperatura do ambiente em que ela for instalada.
tipo de lâmpadas e reatores no mercado, a grande demanda causada pela adoção em massa desse
tipo de tecnologia faria com que talvez fosse necessária a instalação de novas fábricas na região para atender essa nova demanda. Poderia também causar um aquecimento no comércio local, pois
muitas pessoas necessitariam adquirir esse novo tipo de lâmpada e seus reatores.
Lâmpada de Vapor Metálico: a adoção em massa de lâmpadas de vapor metálico acarretaria alguma dificuldade para a conscientização social e mudanças de hábitos, visto que os setores que
20
necessitam da utilização deste tipo de lâmpada são os setores industrial, comercial e público, ainda
não possuem a infra-estrutura necessária para a implantação desta tecnologia, pois estas necessitam
o uso de um reator e ignitor.
No aspecto estético e funcional, o impacto seria positivo, pois a reprodução de cores dos objetos iluminados por estas lâmpadas é muito boa. E também há outro impacto positivo, pois essas
lâmpadas não esquentam muito, devido a sua ótima eficiência na conversão de energia elétrica em
luminosidade, influenciando pouco na temperatura do ambiente em que ela for instalada.
tipo de lâmpadas, reatores e ignitores no mercado, a grande demanda causada pela adoção em massa desse tipo de tecnologia faria com que talvez fosse necessária a instalação de novas fábricas na
região para atender essa nova demanda. Poderia também causar um aquecimento no comércio local,
pois muitas pessoas necessitariam adquirir esse novo tipo de lâmpada, seus reatores e ignitores.
Lâmpada a Vapor de Sódio sob Baixa Pressão: a adoção em massa de lâmpadas de vapor
de sódio sob baixa pressão acarretaria alguma dificuldade para a conscientização social e mudanças
de hábitos, visto que os setores que necessitam da utilização deste tipo de lâmpada são os industrial,
comercial e público, ainda não possuem a infra-estrutura necessária para a implantação desta tecnologia, pois estas necessitam o uso de um reator.
por este tipo de lâmpada é quase monocromático, o que resulta numa reprodução de cores péssima
dos objetos iluminados por estas. Mas também há um impacto positivo, pois essas lâmpadas não
esquentam muito, devido a sua excelente eficiência na conversão de energia elétrica em luminosidade, influenciando pouco na temperatura do ambiente em que ela for instalada.
pois muitas pessoas necessitariam adquirir esse novo tipo de lâmpada, reatores e ignitores.
Lâmpada a Vapor de Sódio sob Alta Pressão: a adoção em massa de lâmpadas de vapor
de sódio sob alta pressão acarretaria alguma dificuldade para a conscientização social e mudanças
de hábitos, visto que os setores que necessitam da utilização deste tipo de lâmpada são os industrial,
comercial e público, ainda não possuem a infra-estrutura necessária para a implantação desta tecnologia, pois estas necessitam o uso de um reator e ignitor.
No aspecto estético e funcional, o impacto seria negativo, pois a reprodução de cores dos objetos iluminados por estas lâmpadas é razoável. Mas há um impacto positivo, pois essas lâmpadas
não esquentam muito, devido a sua ótima eficiência na conversão de energia elétrica em luminosidade, influenciando pouco na temperatura do ambiente em que ela for instalada.
pois muitas pessoas necessitariam adquirir esse novo tipo de lâmpada, seus reatores e ignitores.
Lâmpada de Enxofre: a adoção em massa de lâmpadas de enxofre acarretaria alguma dificuldade para a conscientização social e mudanças de hábitos, visto que a população ainda não possui a infra-estrutura necessária para a implantação desta tecnologia, pois estas necessitam o uso de
um reator específico.
por este tipo de lâmpada é muito amplo, o que resulta numa reprodução de cores excelente dos objetos iluminados por esta. Há também outro impacto positivo, pois essas lâmpadas não esquentam
muito, devido a sua ótima eficiência na conversão de energia elétrica em luminosidade, influenci-
21
ando pouco na temperatura do ambiente em que ela for instalada.
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção desta tecnologia influenciaria
positivamente a região, visto que não há uma produção grande deste tipo de lâmpadas e reatores no
mercado, então a grande demanda causada pela adoção em massa desse tipo de tecnologia faria com
que fosse necessária a instalação de novas fábricas na região para atender essa nova demanda. Causaria também um aquecimento no comércio local, pois muitas pessoas necessitariam adquirir esse
novo tipo de lâmpada e seus reatores.
Lâmpada de Indução: a adoção em massa de lâmpadas de indução acarretaria alguma dificuldade para a conscientização social e mudanças de hábitos, visto que a população ainda não possui a infra-estrutura necessária para a implantação desta tecnologia, pois estas necessitam o uso de
um reator específico.
por este tipo de lâmpada é muito amplo, o que resulta numa reprodução de cores excelente dos objetos iluminados por esta. Há também outro impacto positivo, pois essas lâmpadas não esquentam
muito, devido a sua ótima eficiência na conversão de energia elétrica em luminosidade, influenciando pouco na temperatura do ambiente em que ela for instalada.
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção desta tecnologia influenciaria
positivamente a região, visto que não há uma produção grande deste tipo de lâmpadas e reatores no
mercado, então a grande demanda causada pela adoção em massa desse tipo de tecnologia faria com
que fosse necessária a instalação de novas fábricas na região para atender essa nova demanda. Causaria também um aquecimento no comércio local, pois muitas pessoas necessitariam adquirir esse
novo tipo de lâmpada e seus reatores.
LED: a adoção em massa de LED’s para a iluminação de sinalizações acarretaria alguma dificuldade para a conscientização social e mudanças de hábitos, visto que os setores que necessitam
da utilização deste tipo de lâmpada são os industrial, comercial e público, ainda não possuem a infra-estrutura necessária para a implantação desta tecnologia, pois ela ainda é pouco utilizada.
No aspecto funcional haveria um impacto positivo, pois os LED‘s não esquentam muito, devido a sua excelente eficiência na conversão de energia elétrica em luminosidade, influenciando
pouco na temperatura do ambiente em que ela for instalada. Não haveria impactos estéticos, pois a
reprodução de cores não é um fator necessário na sinalização, que é o principal uso dos LED’s.
tipo de tecnologia no mercado, a grande demanda causada pela adoção em massa desse tipo de tecnologia faria com que talvez fosse necessária a instalação de novas fábricas na região para atender
essa nova demanda. Poderia também causar um aquecimento no comércio local, pois muitas pessoas necessitariam adquirir esse novo tipo de tecnologia.
5.3.3 ASPECTOS AMBIENTAIS DAS TECNOLOGIAS DE ILUMINAÇÃO
Apesar de apresentaram grandes benefícios do no seu uso as tecnologias de iluminação têm
os impactos ambientais que devem ser levantados e avaliados. Portanto, neste item serão relatados
esses impactos e descritos os seus atributos mais relevantes para futura avaliação dos problemas
ambientais que essas podem causar.
Lâmpadas Incandescentes: as lâmpadas incandescentes comuns não possuem um impacto
ambiental negativo muito significativo, uma vez que elas não possuem substâncias tóxicas em sua
composição, mas só que sua vida útil é muito curta, o que acarreta uma grande quantidade de lâmpadas descartadas no meio ambiente.
Já as lâmpadas incandescentes halógenas e de luz mista possuem em sua composição substâncias tóxicas (como o bromo e o mercúrio, respectivamente) e seu descarte no meio ambiente causa um grande impacto ambiental negativo, podendo contaminar o solo e as águas, portanto deve-se
dar uma destinação correta para estas lâmpadas a fim de não causar danos ao ambiente.
Lâmpadas Fluorescentes: as lâmpadas fluorescentes tubulares e compactas possuem em
sua composição substâncias tóxicas, como o fósforo e o mercúrio, e seu descarte no meio ambiente
22
causa um grande impacto ambiental negativo, podendo contaminar o solo e as águas, portanto devese dar uma destinação correta para estas lâmpadas a fim de não causar danos ao ambiente. Sua vida
útil é longa, o que acarreta uma baixa quantidade de lâmpadas descartadas.
Lâmpada de Vapor de Mercúrio sob Alta Pressão: as lâmpadas de vapor de mercúrio sob
alta pressão possuem em sua composição substâncias tóxicas, como o fósforo e o mercúrio, e seu
descarte no meio ambiente causa um grande impacto ambiental negativo, podendo contaminar o
solo e as águas, portanto deve-se dar uma destinação correta para estas lâmpadas a fim de não causar danos ao ambiente. Sua vida útil é longa, o que acarreta uma baixa quantidade de lâmpadas descartadas.
Lâmpada de Vapor Metálico: as lâmpadas de vapor metálico possuem em sua composição
substâncias tóxicas, como o fósforo, mercúrio e iodetos metálicos, e seu descarte no meio ambiente
causa um grande impacto ambiental negativo, podendo contaminar o solo e as águas, portanto devese dar uma destinação correta para estas lâmpadas a fim de não causar danos ao ambiente. Sua vida
útil é longa, o que acarreta uma baixa quantidade de lâmpadas descartadas.
Lâmpada a Vapor de Sódio sob Baixa Pressão: as lâmpadas de vapor de sódio sob baixa
pressão possuem em sua composição substâncias tóxicas, como o fósforo, e seu descarte no meio
ambiente causa um grande impacto ambiental negativo, podendo contaminar o solo e as águas, portanto deve-se dar uma destinação correta para estas lâmpadas a fim de não causar danos ao ambiente. Sua vida útil é longa, o que acarreta uma baixa quantidade de lâmpadas descartadas, [45].
Lâmpada a Vapor de Sódio sob Alta Pressão: as lâmpadas de vapor de sódio sob alta
pressão possuem em sua composição substâncias tóxicas, como o fósforo e o mercúrio, e seu descarte no meio ambiente causa um grande impacto ambiental negativo, podendo contaminar o solo e
as águas, portanto deve-se dar uma destinação correta para estas lâmpadas a fim de não causar danos ao ambiente. Sua vida útil é longa, o que acarreta uma baixa quantidade de lâmpadas descartadas.
Lâmpada de Enxofre: as lâmpadas de enxofre são compostas de enxofre e argônio, não apresentando impactos negativos ao meio ambiente. Sua vida útil é muito longa, o que acarreta uma
baixíssima quantidade de lâmpadas descartadas.
Lâmpada de Indução: as lâmpadas de indução possuem em sua composição substâncias
tóxicas, como o fósforo e o mercúrio, e seu descarte no meio ambiente causa um grande impacto
ambiental negativo, podendo contaminar o solo e as águas, portanto deve-se dar uma destinação
correta para estas lâmpadas a fim de não causar danos ao ambiente. Sua vida útil é muito longa, o
que acarreta uma baixíssima quantidade de lâmpadas descartadas.
LED: os LED’s não possuem em sua composição substâncias tóxicas, portanto não apresentam impactos negativos ao meio ambiente. Sua vida útil é longa, o que acarreta uma baixa quantidade de LED’s descartados.
5.3.4 ASPECTOS POLÍTICOS DAS TECNOLOGIAS DE ILUMINAÇÃO
Na implementação de certas medidas de conservação de energia confronta-se com algumas
situações conflitantes, que devem ser analisadas politicamente para encontrar a melhor saída e permitir a adoção de programas da eficientização energética. Essas situações podem ou não inviabilizar
as medidas e ações de conservação de energia. São esses aspectos que serão destacados e discutidos
neste item do trabalho.
Lâmpadas Incandescentes: As lâmpadas incandescentes possuem uma ótima aceitação perante a população, pois são de baixíssimo custo e de simples manuseio. Porém, devida a sua baixa
eficiência, o setor governamental e as ONG’s possuem certa oposição a esse tipo de lâmpada, que
desperdiça muita energia. Utilizam tecnologia nacional.
As lâmpadas de luz mista possuem uma ótima aceitação perante os consumidores, pois são
de baixíssimo custo e de simples manuseio. Porém, devida a sua baixa eficiência, o setor governamental e as ONG’s possuem certa oposição a esse tipo de lâmpada, que desperdiça muita energia.
Utilizam tecnologia nacional.
Lâmpadas Fluorescentes: as lâmpadas fluorescentes tubulares possuem uma moderada a-
23
ceitação perante a população, pois, seu custo de instalação é alto e são de difícil manuseio. Já as
lâmpadas fluorescentes compactas possuem uma aceitação parcial, pois não demandam mudança de
infra-estrutura para sua instalação, possuem facilidade para manuseio, mas possuem um custo inicial muito maior do que as incandescentes. Ambas utilizam tecnologia nacional.
O setor governamental e as ONG’s possuem uma boa aceitação a esses tipos de lâmpadas,
sendo até que na época da crise energética nacional há poucos anos atrás elas foram amplamente
recomendadas para substituição das incandescentes, que são bem menos eficientes.
Lâmpada de Vapor de Mercúrio sob Alta Pressão: as lâmpadas de vapor de mercúrio sob
alta pressão possuem uma moderada aceitação perante os consumidores, seu custo de instalação é
um pouco alto devido à necessidade de utilização de um reator. Utilizam tecnologia nacional.
O setor governamental e as ONG’s possuem uma baixa aceitação a esses tipos de lâmpadas,
pois elas não são muito eficientes e possuem materiais tóxicos em sua composição, podendo causar
contaminação.
Lâmpada de Vapor Metálico: as lâmpadas de vapor metálico possuem uma baixa aceitação perante os consumidores, seu custo de instalação é alto devido, além do elevado custo da lâmpada, à necessidade de utilização de reator e ignitor. Utilizam tecnologia nacional.
O setor governamental e as ONG’s possuem uma aceitação parcial a esses tipos de lâmpadas, elas são eficientes, porém possuem materiais tóxicos em sua composição, podendo causar contaminação.
Lâmpada a Vapor de Sódio sob Baixa Pressão: as lâmpadas de vapor de sódio de baixa
pressão possuem uma baixa aceitação perante os consumidores, seu custo de instalação é alto devido à necessidade de utilização de reator e ignitor, e seu espectro de luz é quase monocromático. Utilizam tecnologia nacional.
O setor governamental e as ONG’s possuem uma aceitação alta a esses tipos de lâmpadas,
pois elas são muito eficientes, porém possuem materiais tóxicos em sua composição, podendo causar contaminação.
Lâmpada a Vapor de Sódio sob Alta Pressão: as lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão possuem uma moderada aceitação perante os consumidores, seu custo de instalação é alto devido à necessidade de utilização de reator e ignitor. Utilizam tecnologia nacional.
O setor governamental e as ONG’s possuem uma aceitação alta a esses tipos de lâmpadas,
pois elas são eficientes, porém possuem materiais tóxicos em sua composição, podendo causar contaminação.
Lâmpada de Enxofre: as lâmpadas de enxofre possuem uma baixa aceitação perante os
consumidores, pois seu custo de instalação é muito alto devido, além do alto custo da lâmpada, à
necessidade de utilização de reator. Utilizam tecnologia importada, o que torna o preço desse produto sujeito a variações cambiais.
O setor governamental e as ONG’s possuem uma aceitação moderada a esses tipos de lâmpadas, pois elas são muito eficientes e não causam impactos negativos ao meio-ambiente, porém,
não são fabricadas nacionalmente.
Lâmpada de Indução: as lâmpadas de indução possuem uma baixa aceitação perante os
consumidores, pois, seu custo de instalação é muito alto devido, além do alto custo da lâmpada, à
necessidade de utilização de reator. Utilizam tecnologia importada, o que torna o preço desse produto sujeito a variações cambiais.
O setor governamental e as ONG’s possuem uma aceitação moderada a esses tipos de lâmpadas, pois elas são muito eficientes, porém possuem materiais tóxicos em sua composição e não
possuem fabricação nacional.
LED: os LED’s possuem uma baixa aceitação perante os consumidores, pois seu custo é relativamente alto.
O setor governamental e as ONG’s possuem uma boa aceitação aos LED’s, pois eles são
muito eficientes.
24
6
TECNOLOGIAS DE REFRIGERAÇÃO
No mundo moderno a utilização dos sistemas de refrigeração é indispensável e, como conseqüência, o uso da energia elétrica para acionamento dos motores e outros equipamentos associados a estes sistemas. O frio é muito utilizado na indústria, para conservação dos alimentos, nas instalações comerciais, nos escritórios e nos vários outros serviços. O conhecimento sobre as tecnologias de geração do frio, da distribuição e do seu uso possibilita a redução do consumo de energia e,
consequentemente, do seu custo. Por esta razão, neste trabalho fez-se a caracterização completa destas tecnologias, considerando as quatro dimensões nas quais se apóia o processo do PIR.
6.1
INTRODUÇÃO
A refrigeração é um uso final de extrema importância para todos os setores de consumo, em
processos de conservação de alimentos e manutenção de substâncias e materiais em temperaturas
adequadas ou seguras. Representa cerca de 20% do consumo energético nacional, participando em
cerca de um terço do consumo residencial e 17% do consumo do setor comercial, [4].
Até algumas décadas atrás, o frio artificial era empregado quase unicamente na conservação
de produtos alimentícios. A principal causa para tanto eram dificuldades de ordem técnica, relacionadas com a geração do frio. Os poucos refrigeradores encontrados nas residências e nas lojas - meros "armários" dotados de isolação térmica - eram alimentados por grandes blocos de gelo, que uma
central frigorífica - uma indústria de gelo - preparava e distribuía diariamente. Vem daí, aliás, o
nome geladeira. Com a paulatina expansão da rede elétrica, entrou em cena o refrigerador movido à
eletricidade.
O refrigerador é uma máquina de transferência de calor que capta o calor interno do refrigerador e o põe para fora. Isto se consegue por meio da constante evaporação e condensação do refrigerante. Para que se processe a evaporação, a troca do estado líquido para o gasoso, é preciso calor,
que é absorvido dos produtos existentes no refrigerador. A troca oposta, a condensação, expulsa o
calor, que é liberado do refrigerante para o exterior do refrigerador.
Figura 21: Esquema de máquinas térmicas
A segunda lei da termodinâmica postula que, entre dois corpos submetidos a diferentes temperaturas, o calor sempre se transfere do mais quente para o mais frio [Figura 21]. O caminho inverso não pode ser percorrido espontaneamente. E é isto, de fato, o que se verifica nos fenômenos naturais que envolvem trocas de calor, [23].
Para promover a operação inversa, isto é, retirar calor de um corpo frio e entregá-lo a um mais
quente, é preciso realizar trabalho sobre o sistema.
6.2
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS
Para melhor escolha da tecnologia a ser utilizada, é importante conhecer as suas característi-
25
cas construtivas e seus parâmetros técnicos. Isso permite definir como usar e onde aplicar uma determinada tecnologia. Portanto, neste trabalho, pretende-se descrever todas as tecnologias de usos
Figura 22: Ciclo de refrigeração por compressão de vapor
•
•
•
•
Fases do ciclo de refrigeração por compressão de vapor [Figura 22]:
Compressão: o motor fornece ao compressor a energia necessária para elevar a pressão do
gás refrigerante, do nível de evaporação ao nível de condensação (o gás sofre aquecimento
devido à compressão).
Condensação: o gás cede calor ao ambiente, passando gradualmente da fase gasosa à fase líquida.
Expansão: o gás, na fase líquida, sofre uma brusca queda de pressão na válvula de expansão.
Evaporação: o gás se expande a pressão e temperatura constantes até o estado de gás saturado, retirando o calor do ambiente (“gerando frio”).
Figura 23: Esquema de um refrigerador a compressão de vapor
26
• Ciclo de refrigeração por absorção
Conjunto termo-compressor
A
Ab
D
-
Gerador (queimador, boiler)
-
Bomba
-
Válvula
-
Tanque de Absorção
G
C
B
E
A = Conjunto termo-compressor
B = Condensador (trocador de calor)
Máquina térmica
C = Válvula de expansão
D = Evaporador (trocador de calor)
E = Gabinete frigorífico
Figura 24: Esquema do Ciclo de Refrigeração por Absorção
Fases do ciclo de refrigeração a absorção, [30]:
• Termo-compressão: o fluido refrigerante (por exemplo, amônia) mistura-se ao absorsor (por
exemplo, água) no tanque, formando uma solução na fase líquida (solução rica), com liberação de calor. Com o aquecimento da solução no boiler, o fluido refrigerante tem a pressão
elevada, passando à fase gasosa. A solução rica é bombeada para o separador, onde o vapor
aquecido é recuperado por destilação e passa ao ciclo de refrigeração. A solução restante,
pobre em refrigerante, volta ao tanque de absorção [Figura 23 a Figura 26].
• Condensação: o gás cede calor ao ambiente, passando gradualmente da fase gasosa à fase líquida.
• Expansão: o gás, na fase líquida, sofre uma brusca queda de pressão na válvula de expansão.
• Evaporação: o gás se expande a pressão e temperatura constantes até o estado de gás saturado, retirando o calor do ambiente (“gerando frio”).
27
Figura 25: Esquema de um refrigerador a absorção
Figura 26: Esquema de um refrigerador a absorção
Os refrigeradores atuais armazenam os alimentos a uma temperatura que vai desde 3ºC até
5ºC. A estas temperaturas, a atividade dos microorganismos responsáveis pela deteriorização dos
alimentos torna-se mais lenta, porém não diminui. Os congeladores mantêm uma temperatura por
volta de -18ºC. Nestas condições, os microorganismos deixam de se reproduzir e praticamente anula-se qualquer outra atividade, diminuindo de maneira eficaz a deteriorização dos alimentos, [28].
Os elementos que afetam de forma mais acentuada a eficiência da refrigeração são os componentes do equipamento: o compressor frigorífico, o condensador, o evaporador e o isolamento
28
térmico como mostram as figuras Figura 27,
Figura 27: Compressor frigorífico
Figura 28: Condensador
29
Figura 29: Evaporador
Figura 30: Isolamento térmico
6.3
CARACTERIZAÇÃO DAS DIMENSÕES DAS TECNOLOGIAS DE REFRIGERAÇÃO
Apesar da extrema utilidade desta tecnologia na sociedade moderna ela não deixa de apresentar os seus aspectos vantajosos e desvantajosos. São esses aspectos que precisam ser analisados
levantando todos os atributos associados a eles, principalmente, na hora da sua escolha e da utilização. Essa analise envolve os aspectos técnico-econômicos, ambientais, sociais e políticos, que em
seguida serão discutidos.
6.3.1 ASPECTOS TÉCNICO-ECONÔMICOS DAS TECNOLOGIAS DE REFRIGERAÇÃO
O compressor frigorífico pode apresentar perdas na conversão da energia, na eficiência termodinâmica do gás utilizado e na eficiência da compressão do gás. A eficiência do condensador
depende de parâmetros como a temperatura média do ambiente, a área de troca (área de dispersão
dos condensadores), o material empregado nos condensadores (alta transferência) e a ventilação. O
30
evaporador tem seu desempenho condicionado à temperatura de projeto do refrigerador (TF), o material empregado no evaporador, a área de troca e barreiras físicas como a capa de gelo. Já o desempenho do isolamento térmico depende da espessura e das propriedades do material isolante.
Como variantes externos ao desempenho geral dos refrigeradores são apontadas, obviamente, as condições climáticas, como o aumento de consumo em épocas ou regiões quentes, e o uso do
equipamento, como as condições de instalação, conservação e hábitos de uso. Assim, como principais deficiências em relação ao consumo de energia de refrigeradores e sua vida útil, tem-se: níveis
inadequados de temperatura de câmaras frigoríficas, inexistência de termostatos (acarretando em
funcionamento contínuo e desperdício dos equipamentos), condições e forma de armazenagem de
produtos, ausência do ventilador do evaporador (provocando a formação de gelo e o conseqüente
aumento de consumo energético), a falta de limpeza do condensador e do compressor, entre outros,
[5]. Resumidamente os parâmetros que podem influenciar a eficiência energética de um refrigerador
são:
• Coeficiente de Performance do Ciclo (COP);
• Influencia da temperatiura de evaporação no COP do ciclo teórico;
• Influencia da temperatura de condensação no COP do ciclo teórico;
• Influencia do sub-refriamento do liquido no COP do ciclo teórico;
• Influencia do superaquecimento util no COP do ciclo teórico;
31
Tabela 2: Tabela Resumo dos Atributos de Refrigeração
32
33
34
35
36
37
38
6.3.2 ASPECTOS SOCIAIS DAS TECNOLOGIAS DE REFRIGERAÇÃO
Pode-se obter um ganho expressivo em termos de redução de demanda a partir da adoção de
equipamentos mais eficientes. Programas de substituição de refrigeradores podem ser conduzidos
39
em parcerias entre concessionária, fabricante de refrigeradores, lojas e programas de eficiência energética.
A adoção em massa da substituição de refrigeradores antigos por modelo mais eficientes pela população não acarretaria nenhuma dificuldade para a conscientização social e mudanças de hábitos desta, visto que a grande maioria da população já utiliza refrigeradores e já possui toda a infraestrutura necessária para a implantação dos novos equipamentos, que não serão em nada diferentes
quanto à funcionalidade. O mesmo pode-se dizer para os setores comercial e industrial, em que poderão ser realizadas medidas como a troca de equipamentos da casa de máquinas, expositores frigoríficos e linhas atuais visando a eficientização do sistema de refrigeração.
Essas medidas gerarão também um impacto positivo considerando a funcionalidade e estética do recurso, pois os novos refrigeradores, além de serem mais eficientes, também terão novas
funcionalidades úteis à população, além de serem esteticamente mais agradáveis do que os modelos
mais antigos. Poderá também ocorrer uma campanha para educar a população à utilização correta
dos refrigeradores, causando um impacto social positivo para a população no que diz respeito à educação.
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção desta tecnologia poderia influenciar positivamente a região, visto que mesmo havendo uma produção relativamente grande de
refrigeradores no mercado, a grande demanda causada pela adoção em massa de novos refrigeradores faria com que talvez fosse necessária a instalação de novas fábricas e lojas na região para atender essa nova demanda, podendo causar também um aquecimento no comércio local, pois muitas
pessoas necessitariam adquirir esse novo tipo de equipamento.
6.3.3 ASPECTOS AMBIENTAIS DAS TECNOLOGIAS DE REFRIGERAÇÃO
Para realizar a expansão das espumas utilizadas para isolamento térmico no gabinete dos refrigeradores, geralmente são utilizados os gases R141b ou Ciclo/Isopentano como agentes de expansão. O ciclo/isopentano causa um impacto ambiental negativo menor do que o R141b, conseqüentemente os refrigeradores que possuem as espumas expandidas por ciclo/isopentano causam
um impacto ambiental negativo menor do que os que utilizam o R141b, [33].
Os refrigeradores também utilizam fluidos refrigerantes que causam um impacto ambiental
negativo quando liberados ao meio-ambiente, pois colaboram com a destruição da camada de ozônio estratosférico. Antigamente, o fluido refrigerante utilizado era a amônia, altamente tóxica aos
seres humanos, e depois vieram os CFC’s (Clorofluorcarbonetos), que não são tóxicos aos seres
humanos mas contribuem com a destruição da camada de ozônio estratosférico. Hoje em dia, uma
das alternativas tem sido os Hidroclorofluorcarbonetos (HCFC), pois seu impacto ambiental negativo tem sido avaliado como sendo de apenas 10% do dos CFC. Outra alternativa está nos
Hidrofluorcarbonetos (HFC), que não contém cloro e são ainda menos prejudiciais ao meio ambiente,
mas essas alternativas contribuem bastante com o agravamento do efeito estufa na Terra, [6].
6.3.4 ASPECTOS POLÍTICOS DAS TECNOLOGIAS DE REFRIGERAÇÃO
A substituição de refrigeradores de tecnologias obsoletas e ineficientes por refrigeradores
novos de alto desempenho possui uma aceitação baixa pela população, pois esses equipamentos são
caros e essa troca demandaria um alto investimento, que só retornará para o consumidor após muito
tempo de uso.
Perante o governo e as ONG’s essa substituição possui uma boa aceitação, pois reduziria
bastante a demanda energética. Para essa substituição ser mais aceitável pela população, o governo
precisaria investir em mecanismos de incentivo para que a população não demore tanto para ter o
retorno de seu investimento. Esses produtos não correm riscos de exposição cambial, pois são fabricados no próprio país.
40
7
TECNOLOGIAS DE CONDICIONAMENTO AMBIENTAL
O Brasil como um país tropical o uso da tecnologia de condicionamento ambiental torna-se
primordial no aspecto de proporcionar conforto às pessoas. Dependendo da região o uso dessa tecnologia é intensivo, consequentemente, aumentando o consumo de energia. Portanto, é necessário
conhecer as condições técnicas na utilização destas tecnologias. Por isso, neste trabalho faz-se a caracterização detalhada destas tecnologias, descrevendo os seus atributos técnico-econômicos, ambientais, sociais e políticos.
7.1
INTRODUÇÃO
O condicionamento ambiental é um uso final de grande utilização em diversos estabelecimentos do setor comercial (com uma média nacional de 20% de consumo) e também de grande emprego no setor residencial nas regiões brasileiras de temperatura mais elevada, contribuindo com
uma participação de 5 a 20% no consumo elétrico residencial, [7].
Na maioria das vezes, o objetivo que leva à instalação de ar condicionado é dar ao homem
um ambiente mais propício a seu bem-estar. Por outro lado, trata-se de um meio válido de defesa
contra infecções e contra a poluição do ar dos grandes aglomerados humanos em recintos fechados.
Serve de ajuda no tratamento terapêutico de muitas doenças; nas indústrias, é um fator para aumento da produção, através de maior rendimento dos trabalhadores, colocados num meio mais confortável.
É indispensável ainda em processos de manufatura que exijam o controle de umidade, temperatura e pureza do ar, no caso das indústrias farmacêutica e alimentícia, segurança em relação a
produtos tóxicos ou inflamáveis, aumento de conforto e produtividade de operários, entre outras
aplicações.
7.2
usos finais e também para futura avaliação das quatro dimensões do PIR. Essa caracterização pode
ajudar na escolha e na diferenciação das tecnologias eficientes e ineficientes. A diferença dos condicionadores de alta eficiência para os de baixa eficiência reside na tecnologia dos compressores
utilizados nos ciclos de refrigeração. Enquanto uma tecnologia tradicional (um aparelho de ar condicionado com compressor alternativo, por exemplo) requer uma potência elétrica de 1.200 W para
que o ciclo de refrigeração atenda uma carga térmica de 7.500 btu’s, um aparelho de ar condicionado com tecnologia de compressor rotativo, requer apenas 720 W para atender esta mesma carga
térmica, [7], [31].
O compressor é uma das peças mais importantes do ciclo básico de refrigeração. Sua função
é promover a circulação do gás refrigerante, fazendo com que o mesmo, ao passar pelo evaporador,
“retire” calor do ambiente condicionado e transfira para o meio exterior através do evaporador.
A refrigeração para climatização de ambientes segue o mesmo princípio de “máquina térmica”, respeitando as mesmas fases do ciclo frigorífico (na Figura 31, por absorção): compressão,
condensação, expansão e evaporação.
41
Figura 31: Esquema de funcionamento de um condicionador de ar
As diferenças fundamentais de modelos de condicionadores são quanto aos diferentes tipos
de instalação e à tecnologia de compressores utilizados nos ciclos de refrigeração. O compressor é
uma das peças mais importantes do ciclo básico de refrigeração, promovendo a circulação do gás
refrigerante, cuja função é retirar calor do ambiente condicionado, transferindo-o para o meio exterior através do evaporador.
O funcionamento do compressor alternativo consiste em um pistão movendo-se alternadamente no interior de um cilindro, com as válvulas de aspiração e descarga dispostas convenientemente para permitir a sucção e a compressão do fluido refrigerante. A carcaça do compressor alternativo retém o gás de sucção a baixa pressão; este é trazido para dentro do cilindro do corpo pela
ação do pistão e o gás é comprimido e bombeado. Nestes compressores, o conjunto bomba/compressor é isolado da carcaça do compressor, num sistema de suspensão que garante que o
compressor esteja assentado no óleo de lubrificação mantendo frio o gás de sucção durante a passagem do corpo até o cilindro. O lado de descarga da bomba e a saída de descarga do compressor são
conectados pela serpentina.
Existem vários modelos de condicionadores de ar [figuras Figura 32 a Figura 39]. São eles:
• Condicionador de ar de janela
simples e compacto, possui condensador e evaporador sob o mesmo invólucro. O ar externo é sugado através da unidade, onde é condicionado e imediatamente entregue ao ambiente [34].
42
Figura 32: Condicionador de ar de janela
• Mini Centrais
– possuem evaporador e condensador separados. O condensador deve ser instalado em
lugar bem ventilado e sem exposição solar. O evaporador, instalado no interior do
ambiente que ser quer condicionar.
Figura 33: Mini-central de condicionamento de ar
• Mini Centrais tipo Multisplit
– o objetivo é atender vários compartimentos, como áreas com subdivisões internas.
Uma tubulação de ar refrigerado percorre os ambientes. Podem-se combinar várias
unidades.
43
Figura 34: Mini-central de condicionamento de ar tipo multisplit
• Self-contained
• desenvolvido para redes de dutos. Há no mercado 3 modelos:
- condensador incorporado: análogo a um grande aparelho de janela;
- Com condensador de ar remoto: semelhante às mini centrais;
- Com condensação de água: requer linha alimentadora de água
Figura 35: Condicionador de ar self-contained
•
Chiller
– São equipamentos resfriadores de líquidos. Produzem água gelada. E são próprios
para uso em sistemas centrais de grande porte: hospitais, shopping-centers, hotéis,
supermercados, indústrias e seus processos industriais.
–
44
Figura 36: Condicionador de ar do tipo chiller
• Chiller - ciclo de compressão de vapor
Figura 37: Ciclo de compressão de vapor – chiller
•
Chiller - ciclo de absorção
45
Figura 38: Ciclo de absorção – chiller
•
Resfriadores de ar evaporativos
O resfriador evaporativo de ar [Figura 39] possui um ventilador que aspira ar externo através
de um painel evaporativo especial, sobre o qual água é circulada continuamente por uma pequena
bomba. A água que evapora é reposta por uma bóia que mantém nível constante no reservatório. O
equipamento é de grande eficiência, compacto, simples, durável e de baixa manutenção, que produz
ar limpo de excelente qualidade, não saturado e resfriado em até 12°C abaixo da temperatura do ar
externo, [8].
Figura 39: Funcionamento do resfriador evaporativo, [35]
46
A evaporação da água é um processo bastante endotérmico, isto é, retira muito calor do que
quer que esteja em contato com ela. Um litro de água consome cerca de 580 kcal para evaporar à
temperatura ambiente. No RESFRIAMENTO EVAPORATIVO de ar é o próprio ar que cede calor
sensível para a água evaporar, tendo assim a sua temperatura reduzida.
A redução de temperatura (diferença entre a temperatura de entrada e saída do ar no resfriador evaporativo), obtida com o processo de resfriamento evaporativo, depende fundamentalmente
da umidade relativa do ar. Quanto mais baixa a umidade relativa maior a redução de temperatura
obtida. Em grau menor, a redução de temperatura depende também da temperatura de entrada e da
pressão barométrica, que por sua vez depende da altitude local, conforme mostra a tabela a seguir.
Tabela 3: Temperatura de saída para várias situações ambientais
Através desta figura pode-se constatar que a redução de temperatura obtida no resfriador evaporativo depende muito mais da umidade relativa do que da temperatura de entrada.
A temperatura resultante no ambiente depende da carga térmica, da vazão e temperatura do
ar insuflado. Normalmente o resfriador evaporativo é dimensionado para que a temperatura no ambiente fique de 2 a 5 °C acima da temperatura de saída do resfriador, [47].
7.3
CARACTERIZAÇÃO DAS DIMENSÕES DAS TECNOLOGIAS DE CONDICIONAMENTO AMBIENTAL
Como qualquer outra tecnologia o seu uso sempre vai acarretar alguns impactos, sejam eles
do caráter técnico-econômico, ambientais, sociais ou políticos. Por isso, é necessária uma avaliação
sucinta destes impactos através do levantamento dos atributos associados a cada uma das dimensões
do PIR para melhor decisão na escolha e na utilização destas tecnologias visando à eficiência energética e ao conforto da população.
7.3.1 ASPECTOS TÉCNICO-ECONÔMICOS
TAL.
DAS
TECNOLOGIAS
DE
CONDICIONAMENTO AMBIEN-
Um aparelho de ar condicionado tradicional com tecnologia de compressor alternativo requer uma potência elétrica de 1.200 W para que o ciclo de refrigeração atenda uma carga térmica de
7.500 BTUs, [8].
Já os compressores rotativos são compostos por um sistema no qual a sucção e a compressão
do fluido refrigerante ocorrem ao mesmo tempo e de forma contínua, proporcionando melhor desempenho e menor nível de ruído e vibração. Os compressores rotativos possuem menos peças e
menor tamanho e peso do que os alternativos, além de um baixo consumo de energia. A redução do
consumo energético é resultado de dois fatores principais: a continuidade e a simultaneidade da
sucção e da compressão do fluido refrigerante no sistema de bombeamento (tornando a carga apli-
47
cada ao eixo da bomba mais uniforme) e a realização do processo de sucção diretamente na câmara
de compressão, (evitando que o gás troque calor com os demais componentes internos, o que acarretaria em perdas de rendimento). Um ar condicionado com tecnologia de compressor rotativo requer apenas 720 W para atender a uma carga térmica de 7.500 BTUs, o que, comparado a um ar
condicionado utilizando sistema alternativo, equivaleria a 40% a menos de potência, para uma
mesma carga térmica, [9].
Quanto às instalações, há diferentes classificações, de acordo com o fluido empregado, dentre elas instalações tudo ar, ar-água, tudo água, ou de expansão direta.
As instalações tudo ar possuem baixo custo inicial, manutenção centralizada e econômica. A
regulagem da temperatura ambiente pode ocorrer de diversas formas, sendo que o termostato pode
atuar sobre a serpentina de resfriamento, sobre um by-pass da serpentina, ou sobre a serpentina de
aquecimento. As instalações podem possuir vazão e temperatura variáveis ou constantes, ou ainda
de duplo duto.
As instalações ar-água podem ser em dois, três ou quatro tubos. A primeira delas apresenta a
vantagem de separar o controle da temperatura ambiental, com a variação de água quente ou fria, do
controle de umidade relativa do local. A instalação a quatro tubos, por sua vez, evita a mistura da
água quente e fria das serpentinas no tubo de retorno, evitando assim a perda de energia térmica que
ocorre nas instalações a três tubos, dada a mistura de água quente com fria. Há ainda instalações de
fan-coils, nas quais as condições ambientais locais são reguladas por um ventilador de velocidade
variável e uma serpentina, alimentada com água quente ou fria.
Por fim, as instalações tudo água podem utilizar fan-coils a dois, três, quatro tubos ou de expansão direta. A primeira delas caracteriza-se pela falta de controle da umidade relativa ambiente,
da vazão de ar exterior e da temperatura ambiente nas estações intermediárias. Na instalação a três
tubos, já é possível aquecer ou esfriar locais independentemente, pois cada fan-coil pode funcionar
segundo as necessidades do termostato ambiente. Na instalação a quatro tubos, o circuito permite
evitar perdas por mistura de água quente e fria no retorno comum, que ocorrem nas instalações a
três tubos, além de apresentarem um menor custo de operação, apesar de um custo inicial mais alto.
Assim, como fatores condicionantes da eficiência energética, além do desempenho do compressor e do tipo de instalação empregada, temos a influência dos fatores climáticos, com a possibilidade de perdas advindas de insolação, temperatura e umidade externa, assim como a carga térmica, ou a quantidade de calor extraído do ar ambiente a fim de mantê-lo em condições desejáveis de
temperatura e umidade.
Como alternativa à utilização de energia elétrica, tem-se o ar condicionado a gás natural, que
além de aliviar em 99% a rede elétrica, proporciona diversas vantagens econômicas (como a redução de gastos na operação em valores até 30%, dada a menor quantidade de equipamentos necessários), ambientais (utilização de água como refrigerante ao invés de refrigerantes sintéticos e do gás
CFC) e técnicas (flexibilidade operacional, possibilidade de controle remoto, manutenção simplificada, alto desempenho mesmo em cargas parciais), [10].
Outra alternativa aos condicionadores de ar tradicionais são os resfriadores de ar evaporativos. Os custos de instalação e operação são uma fração dos custos de sistemas de ar condicionado
convencionais. A necessidade de manutenção é mínima, e não exige mão de obra especializada.
Não há compressores, condensadores, circuitos de alta pressão ou tubos isolados. O consumo de
energia elétrica é apenas o de um ventilador axial (com motor de somente 1 CV no maior modelo),
mais uma pequena bomba de água de 1/3 CV. Um equipamento de ar condicionado convencional,
dimensionado para o mesmo ambiente, consome cerca de 10 a 15 vezes mais energia elétrica. Comparado a um ar condicionado equivalente, a economia de energia é de 90 a 95%. O custo da adequação do ambiente ao sistema de climatização por resfriamento evaporativo também é muito baixo
porque, ao contrário do que ocorre com sistemas de ar condicionado, o espaço a ser climatizado não
deve ser fechado nem precisa ser tão bem isolado, [11]. Os atributos técnico-econômicos estão apresentados na Tabela 4.
48
Tabela 4: Tabela Resumo dos Atributos de Aquecimento de Água
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
Tabela 5: Resfriadores de ar evaporativos – Linha pequenos ambientes
Modelo
EB-10 Portátil EB-15 Portátil EB-20 Janela EB-35 Janela
3
Vazão de ar (m /h)
700
1.200
1.200
2.250
Tensão elétrica (V)
110 ou 220
110 ou 220
110 ou 220
220
Consumo elétrico (watts)
67
95
95
200
Dimensões (cm)
68 x 36 x 46 99 x 45 x 53 50 x 64 x 48 66 x 63 x 60
Frente (cm)
50 x 64 x 10 66 x 63 x 16
Abertura na parede (cm)
43 x 65
51x 64
Peso (kg)
9
13
12
18
2
Área máxima climatizada (m )
até 10
6 a 15
10 a 25
18 a 35
Consumo de água médio (l/h)
1,5
3
3
5
Tabela 6: Resfriadores de ar evaporativos – Linha grandes ambientes
Modelo
Vazão de ar (m3/h)
Consumo elétrico
(watts)
Dimensões (cm)
EB-50
3.000
EB-100
6.000
EB-150
9.500
EB-250
16.000
EB-300
18.000
EB-500
33.000
230
370
410
800
950
1.450
88 x 68 x 117 x 95
187 x 156 166 x 180 x
117x126x80 165x126x90
71
x 76
x 96
135
Abertura na parede
58x 58 68 x 68
(cm)
Peso (kg)
30
60
Área máxima clima25 a 50 50 a 100
tizada (m2)
Consumo de água
8
17
médio (l/h)
87 x 87
98 x 98
75
120
75 a 150
120 a 250
25
41
107 x 107 142 x 142
120
150
150 a 300 200 a 500
50
90
7.3.2 ASPECTOS SOCIAIS DAS TECNOLOGIAS DO CONDICIONAMENTO AMBIENTAL
equipamentos mais eficientes e de novas tecnologias. Programas de substituição de condicionadores
de ar podem ser conduzidos em parcerias entre concessionária, fabricante de condicionadores de ar,
lojas e programas de eficiência energética.
A adoção em massa da substituição de condicionadores de ar antigos por modelos mais eficientes ou de tecnologia alternativa pela população e pelos setores comerciais e industriais não acarretaria impactos negativos quanto à funcionalidade e estética, já que não serão em nada diferentes
quanto à funcionalidade dos equipamentos utilizados anteriormente (exceto os de resfriamento evaporativo, que, dependendo das condições ambientais, podem ter um desempenho menor) e também
não provocariam grandes mudanças estéticas no ambiente, possuindo até uma estética mais agradável em muitos casos.
A respeito dos impactos na saúde pública, a adoção dos condicionadores de ar por resfriamento evaporativo poderia causar um impacto positivo, pois, diferentemente dos condicionadores
de ar convencionais, o ar fica com uma umidade ideal, não resseca as mucosas, epiderme, vias respiratórias, olhos e peles mais sensíveis, podendo ocasionar menos casos de doenças respiratórias na
população, [12].
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção de novos equipamentos de condicionamento ambiental poderia influenciar positivamente a região, visto que mesmo havendo uma
produção relativamente grande de condicionadores de ar no mercado, a grande demanda causada
pela adoção em massa de novos condicionadores ambientais faria com que talvez fosse necessária a
61
instalação de novas fábricas e lojas na região para atender essa nova demanda, podendo causar também um aquecimento no comércio local, pois muitas pessoas necessitariam adquirir esses novos
tipos de equipamentos.
7.3.3 ASPECTOS AMBIENTAIS DAS TECNOLOGIAS DE CONDICIONAMENTO AMBIENTAL
Os condicionadores de ar convencionais utilizam fluidos refrigerante que, quando liberados
na atmosfera, causam um impacto ambiental negativo. Os fluidos refrigerantes mais utilizados antigamente eram os CFC’s (Clorofluorcarbonetos), que não são tóxicos aos seres humanos mas contribuem com a destruição da camada de ozônio estratosférico. Hoje em dia, uma das alternativas tem
sido os Hidroclorofluorcarbonetos (HCFC), pois seu impacto ambiental negativo tem sido avaliado
como sendo de apenas 10% do dos CFC. Outra alternativa são os Hidrofluorcarbonetos (HFC), que
não contém cloro e são ainda menos prejudiciais ao meio ambiente, mas essas alternativas contribuem bastante com o agravamento do efeito estufa na Terra, [6].
Há também os condicionadores ambientais que não utilizam esses fluidos refrigerantes, [36],
utilizando a água como fluido refrigerante, como por exemplo o Chiller, condicionadores à gás natural e os resfriadores de ar evaporativos, que causam um impacto ambiental negativo bem menor
do que os condicionadores de ar convencionais.
7.3.4 ASPECTOS POLÍTICOS DAS TECNOLOGIAS DE CONDICIONAMENTO AMBIENTAL
A substituição de condicionadores ambientais de tecnologias obsoletas e ineficientes por
condicionadores novos de alto desempenho possui uma aceitação baixa pela população, pois esses
equipamentos são caros e essa troca demandaria um alto investimento, que só retornaria para o consumidor após muito tempo de uso.
bastante a demanda energética. Para essa substituição ser mais aceitável pela população, o governo
precisaria investir em mecanismos de incentivo para que a população não demore tanto para ter o
retorno de seu investimento. Esses produtos não correm riscos de exposição cambial, pois são fabricados no próprio país.
8
TECNOLOGIAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
O aquecimento de água é um processo que consome bastante energia, dependendo da tecnologia e o energético a ser utilizado. Portanto, neste trabalho também será feita uma caracterização
completa das dimensões do PIR para o melhor conhecimento dos atributos que podem causar impactos sejam eles positivos ou negativos com intuito de orientar a população no sentido de poderem
economizar energia, escolhendo a tecnologia deste gênero mais adequada.
8.1
INTRODUÇÃO
O aquecimento de água é um dos principais usos finais do setor residencial e sua participação na matriz de consumo residencial conta com uma média nacional de 17%, podendo chegar a
30% em regiões mais frias do país, [4].
Serviços energéticos:
• Banho
• Esterilização
• Pigmentação
• E outras operações unitárias industriais
8.2
Para melhor escolha da tecnologia a ser utilizada, é importante conhecer as suas características construtivas e seus parâmetros técnicos. Isso permite definir como usar e onde aplicar uma de-
62
terminada tecnologia. Portanto, neste trabalho, pretende-se descrever todas as tecnologias de usos
Chuveiro elétrico automático (invenção brasileira, da década de 1950 - Lorenzetti), [48]:
• O principal componente do chuveiro é a resistência elétrica.
• A maioria dos chuveiros funciona sob tensão elétrica de 220V e com duas possibilidades
de aquecimento: inverno e verão. Cada uma delas está associada a uma potência.
• Na posição verão, o aquecimento da água é menor, e corresponde à menor potência do
chuveiro. Na posição inverno, o aquecimento é maior, e corresponde à maior potência.
• As ligações inverno-verão correspondem para uma mesma tensão, a diferentes potências.
A espessura do fio enrolado - o resistor - comumente chamado de "resistência“ é a mesma.
• O circuito elétrico do chuveiro é fechado somente quando o registro de água é aberto. A
pressão da água liga os contatos elétricos através de um diafragma. Assim, a corrente elétrica produz o aquecimento no resistor. Ele é feito de uma liga de níquel e cromo (em geral com 60% de níquel e 40% de cromo).
• Observe que o resistor tem três pontos de contato, sendo que um deles permanece sempre
ligado ao circuito.
• As ligações inverno-verão são obtidas usando-se comprimentos diferentes do resistor.
• Na ligação verão usa-se um pedaço maior deste mesmo fio, enquanto a ligação inverno é
feita usando-se um pequeno trecho do fio, na posição verão é utilizado um trecho maior
[figuras Figura 40 e Figura 41].
Figura 40: Esquema de funcionamento de um chuveiro elétrico
63
Frio
Quente
Morno
Figura 41: Esquema de seleção de temperatura de um chuveiro elétrico
• Solar
Em residências com grande demanda de água quente e suficiente insolação, o aquecimento
solar torna-se interessante, [50]. O funcionamento é simples: bombeamento da água fria até o aquecedor, de onde é enviada para um acumulador. Um aquecedor convencional é acionado se a temperatura programada não é atingida.
O sistema 1 é chamado “ativo” por utilizar bombeamento elétrico da água fria para o aquecedor. O sistema 2, de batelada, reúne aquecedor e acumulador numa única peça, tornando-se simples. O sistema 3 é conhecido como “termo-sifão” ou passivo, por aproveitar o fenômeno de expansão e contração da água com a variação térmica, para o seu transporte entre o aquecedor e o acumulador, sem necessidade de energia elétrica [Figura 42].
Os coletores solares, parte importante do sistema, são normalmente locados nos telhados, estando expostos ao resfriamento excessivo e ao congelamento, em alguns casos. Para evitá-los, sugere-se utilização de anti-congelante em lugar de água, como fluido de transferência de calor.
1
2
3
Figura 42: Esquema de um aquecedor solar de água
Elétrico
Aquecedores elétricos funcionam pelo contato da água com resistências. Podem ser de passagem (abaixo esq.) ou possuir reservatórios de acumulação (abaixo centro), [49]. Estes últimos, a
despeito das perdes de calor, que podem ser controladas, são mais disseminados por disponibilizarem a água a qualquer tempo em que a demanda ocorra. Independentemente do combustível empregado é preciso prover o sistema de isolamento e proteção contra a corrosão e o super aquecimento.
As bombas de calor para aquecimento de água (abaixo dir.) são 2 a 3 vezes mais eficientes
que os outros tipos. Entretanto, os custos de investimento e manutenção são maiores. O princípio de
64
funcionamento é o mesmo do condicionamento ambiental [figuras Figura 43 a Figura 46].
Figura 43: Aquecedor elétrico de água
Figura 44: Funcionamento de um aquecedor elétrico de água
65
Figura 45: Esquema de um aquecedor a gás de água
Figura 46: Esquema de um aquecedor a gás de água
A gás – bomba de calor
Uma bomba de calor trabalha como um condicionador, exceto que ela puxa ou “bombeia” o
calor do ar interior no tanque ao invés de liberá-lo ao ar livre.
Há dois tipos de bombas de calor: integradas e add-on. As integradas ou completas têm as
bobinas da troca de calor imersas em um tanque de armazenamento com a bomba de calor unida ao
alto do tanque. Estas unidades vêm com dois pequenos aquecedores, para ajudar em períodos de
uso elevado de água quente, [51].
As add-on consistem em uma bomba de calor que se conecta a um tanque de água quente
existente. O processo da troca de calor ocorre fora do tanque em uma unidade pequena que abriga a
bomba de calor. Uma vez que não podem aquecer a água rapidamente, em geral é mantida uma das
bobinas elétricas originais do tanque de armazenamento da água quente na unidade adaptada para
permitir a recuperação rápida do calor, [52].
66
8.3
CARACTERIZAÇÃO DAS DIMENSÕES DAS TECNOLOGIAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
Como foi dito acima as tecnologias de aquecimento de água são umas das tecnologias dos
usos finais que consumo bastante a energia. A sua caracterização torna-se muito importante na medida em que o conhecimento claro destas tecnologias pode proporcionar uma boa economia de energia. Portanto, no trabalho procurou-se caracterizar-las de uma forma mais detalhada, tendo em
conta que o seu uso é muito amplo no país. A própria condição climática exige a utilização intensiva destas tecnologias, principalmente, no sul e sudeste do país. Na Região Administrativa de Araçatuba, onde o número de horas de insolação durante o dia é razoável, pensando em alternativas com a
utilização da energia solar para o aquecimento de água, pode-se obter uma parcela de economia de
energia muito grande, com isso um potencial do uso final razoável.
8.3.1 ASPECTOS TÉCNICO-ECONÔMICOS DAS TECNOLOGIAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
O chuveiro elétrico, do ponto de vista energético, possui uma alta eficiência, com uma alta
taxa de conversão de energia elétrica em calor e baixo desperdício, visto que apenas a água a ser
imediatamente utilizada é aquecida. Apesar desta alta eficiência, as exigências de conforto de banho
por parte dos usuários têm provocado uma elevação nas potências dos chuveiros.
A questão da utilização dos chuveiros do ponto de vista das concessionárias de energia elétrica também é de extrema importância, uma vez que o uso do chuveiro elétrico amplia consideravelmente a potência média instalada e a demanda máxima média de habitações populares. Assim,
apesar do baixo custo para o usuário final, o uso do chuveiro elétrico representa um elevado investimento para as concessionárias. A participação dos chuveiros na demanda em horário de ponta gira
entre 20 e 25%, ou seja, o baixo fator de carga do equipamento produz uma pequena participação
no faturamento das concessionárias, apesar de um elevado investimento associado ao atendimento
da demanda máxima.
Pode-se concluir, portanto, que o potencial brasileiro de conservação de energia no aquecimento de água é bastante significativo, e a aplicação em larga escala dos aquecedores solares representa uma opção viável e competitiva para casos de alta demanda de água quente e bons níveis de
insolação. Seu funcionamento consiste no bombeamento da água fria até o aquecedor, e posteriormente a um acumulador. Um aquecedor convencional é acionado se a temperatura programada não
é atingida.
67
Tabela 7: Tabela Resumo dos Atributos
68
69
70
Todos os chuveiros apresentados possuem eficiência maior do que 95%.
71
72
73
74
75
76
77
Tabela 8: Aquecedores a Gás
Linha de Aquecedores a Gás
Fabricante
Marca
HARMAN
HARMAN
Coomec
ORBIS
Tipo de
Modelo
Gás
YS 534
YS 534
EQ 1300
FE
EQ 1300
FE
YE 1600
FE
YS 1650
YS 2050
YE 2200
FE
YS 2450
Cosmopolita
A-08
A-10
A-15
Acumulador
ORBIS
304LRBN
310BABN
312BABN
315PABN
315BMBN
315BABN
318BDBN
320BMBN
3060OBN
3060ABN
3080OBN
3080ABN
Rendimento
(%)
Capaci- Potência
Classifidade Nominal
cação
(l/min) (Kcal/h)
GLP
GN
GLP
87,0
85,1
82,7
6,0
5,9
13,0
9,907
9,200
20,694
A
A
B
GN
80,1
13,0
20,800
C
GN
77,2
16,0
26,035
D
GN
GN
GN
80,0
80,6
81,5
24,9
32,0
20,8
40,140
50,880
33,430
C
C
C
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
GN
81,3
80,0
81,3
84,0
78,0
73,8
80,5
84,4
84,3
84,5
85,2
82,7
82,2
83,7
84,8
81,8
82,4
34,0
8,0
10,0
15,0
150,0
3,4
9,5
10,0
13,0
13,0
13,0
14,0
16,0
6,0
6,0
7,5
7,5
50,160
12,466
15,513
21,675
5,229
99,000
266,000
256,600
323,000
335,000
331,000
360,000
411,000
150,000
150,000
196,000
195,800
C
C
C
B
D
F
C
B
B
B
A
B
B
B
B
C
B
8.3.2 ASPECTOS SOCIAIS DAS TECNOLOGIAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
Pode-se obter um ganho muito expressivo em termos de redução de demanda a partir da adoção de equipamentos mais eficientes para o aquecimento de água, principalmente para o banho.
Programas de substituição de aquecedores de água podem ser conduzidos em parcerias entre concessionária, fabricante de aquecedores de água, lojas e programas de eficiência energética.
A adoção em massa da substituição dos chuveiros elétricos convencionais pela população
por modelos alternativos, como o aquecedor solar ou a gás natural, podem acarretar impactos negativos quanto à estética, já que esses outros modelos de aquecedores são bem maiores do que o chuveiro elétrico convencional, mas só que geralmente eles ficam posicionados em lugares estratégicos,
onde não há uma grande circulação de pessoas, não afetando tanto a estética do local, e quanto à
funcionalidade dos novos equipamentos utilizados, seria igual a dos equipamentos utilizados anteriormente, portanto não provocariam impactos negativos nesse quesito.
78
No que diz respeito à conscientização social e mudança de hábitos dos consumidores, haveria um impacto negativo, pois esses novos métodos para aquecimento de água não serão tão práticos
quanto o existente atualmente, necessitando de operações extras para a obtenção do mesmo resultado.
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção de novos equipamentos aquecedores de água poderia influenciar positivamente a região, visto que não há uma produção relativamente grande de aquecedores solares e a gás natural de água no mercado, e a grande demanda causada pela adoção em massa desses novos aquecedores de água faria com que fosse necessária a instalação de novas fábricas e lojas na região para atender essa nova demanda, causando também um
aquecimento no comércio local, pois muitas pessoas necessitariam adquirir esses novos tipos de equipamentos.
8.3.3 ASPECTOS AMBIENTAIS DAS TECNOLOGIAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
O chuveiro elétrico e os aquecedores solar de água não causam nenhum impacto negativos
ao meio-ambiente. Já os aquecedores de água à gás natural liberam na atmosfera o dióxido de carbono (CO2), gás que contribui com o agravamento do efeito estufa no planeta.
8.3.4 ASPECTOS POLÍTICOS DAS TECNOLOGIAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
A substituição de aquecedores de água de tecnologias obsoletas ou ineficientes por condicionadores novos de alto desempenho possui uma aceitação baixa pela população, pois esses equipamentos são caros e essa troca demandaria um alto investimento, que só retornaria para o consumidor após muito tempo de uso.
bastante a demanda energética, principalmente no horário de pico de consumo energético. Para essa
substituição ser mais aceitável pela população, o governo precisaria investir em mecanismos de incentivo para que a população não demore tanto para ter o retorno de seu investimento. Para isso,
precisam ser eliminadas algumas barreiras atualmente existentes através dos incentivos que levariam a diminuição dos altos custos de instalações, incentivos que façam com que os aquecedores solares tornem competitivos com os chuveiros elétricos, exigir que os códigos de obras municipais
sejam amigáveis às tecnologias termossolares e que obriguem a instalação ou pré-instalação de sistemas termossolares em novas construções e reformas de porte, eliminação dos problemas com financiamento através da desburocratização e divulgação maciça das linhas de financiamento específicas existentes, eliminar a falta de capacitação profissional, incentivar o setor elétrico de tal forma
que possa aumentar o seu interesse nestas tecnologias ou obrigá-lo aplicar em termossolar a parte
dos recursos provenientes da obrigação das empresas do setor de investir 1% de seu faturamento em
P&D e em programas de conservação de energia, eliminar atual ausência ou inadequação normativa
que impera atualmente no processo de incorporação destas tecnologias nos usos finais, incentivar o
uso destas tecnologias através da comercialização de Certificados de Redução de Emissões de Carbono. Isso pode proporcionar um grande benefício à sociedade, pois, esses produtos não correm riscos de exposição cambial, são fabricados nacionalmente.
9
TECNOLOGIAS DE FORÇA MOTRIZ ESTACIONÁRIA
As tecnologias da força motriz são amplamente aplicadas no setor industrial e da refrigeração, portanto, é de extrema importância a sua caracterização neste trabalho. Devido a sua ampla aplicação, conseqüentemente, o consumo de energia é expressivo. Tendo um conhecimento profundo
destas tecnologias implicaria nas possibilidades de fazer uma escolha correta das quais são mais eficientes e que devem ser recomendadas para o uso com intuito de permitir uma economia de energia
e com isso disponibilizar um potencial do uso final, que é o objetivo principal deste trabalho de detectar onde podem ser obtidos os recursos do lado de demanda, fazendo a substituição das tecnologias dos usos finais menos eficientes com as mais eficientes.
79
9.1
INTRODUÇÃO
Numa apreciação global da força motriz relativa ao consumo da energia elétrica e referenciada através dos motores elétricos, pode-se dizer que estes significam 2/3 de todo o uso de eletricidade. Embora os componentes do sistema motor elétrico sejam bons, apenas de 5 a 10% do recurso
energético primário chega a ser usado efetivamente, [21]. Isto acontece porque normalmente a energia passa através de vários equipamentos intermediários que formam parte do sistema de força
motriz.
No Brasil, a força eletromotriz relativa aos motores elétricos representa um dos mais importantes usos finais quanto ao consumo de energia elétrica. No setor industrial, por exemplo, isso significa aproximadamente 50% da energia elétrica necessária para movimentar o setor. Em relação ao
consumo total de energia elétrica no Brasil, a força eletromotriz representa quase 30% (motores elétricos para indústria apenas), [53].
Os motores movimentam as geladeiras das casas, os sistemas de aeração e aquecimento dos
escritórios, as bombas, ventiladores e compressores industriais, e mantêm o fluxo de água das metrópoles. Apesar do seu papel importante na economia, o avanço tecnológico dos motores elétricos
foi mínimo quando comparado à intensa revolução que tiveram e ainda têm as tecnologias de comunicação e informática. Contudo, a força motriz conta hoje com novos desenvolvimentos em eletrônica de potência, materiais magnéticos, e projetos de sistemas que têm mudado os conceitos de
acionamentos dos motores elétricos e melhorado o uso da energia tanto racional como eficientemente.
9.2
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS TECNOLOGIAS DE FORÇA MOTRIZ
Os motores elétricos podem ser de corrente continua CC, síncronos ou de indução CA. Os
de CC são de controle fácil e preciso, e usados sempre que seu alto custo de manutenção se justifique. Os síncronos são usados principalmente para grandes instalações onde a sua eficiência seja balanceada pelos seus altos custos de instalação. Já os de indução são utilizados onde as questões de
confiabilidade e baixo custo sejam prioritárias, principalmente para aplicações comerciais e industriais (trifásicos), e residenciais (monofásicos), [54].
80
Motores Elétricos
CC
CA
Universal
Monofásico / Trifásico
Campo Bobinado
Separado
Serie
Paralelo
Compaound
eixo
Imã
Permanente
Indução
Síncrono
compole
escova
bobina do rotor
face do polo
Não-Excitado
Imã Permanente
Relutância
Histerese
bobina do estator
brecha de ar
eixo
Gaiola
de
Esquilo
Excitado CC
Slipring
Sem Escova
núcleo de aço do estator
enrolamento
do estator
nucleo de aço do estator
enrolamento do estator
entreferro
entrferro
bobina do rotor
rotor
barra rotora
(gaiola de esquilo)
núcleo do rotor
BASE
núcleo do rotor
eixo
BASE
Rotor
Bobinado
BASE
Figura 47: Tipos de motores elétricos
A grande maioria dos motores elétricos se caracteriza pelo deslocamento de um certo ângulo
entre os campos magnéticos do estator e do rotor para gerar um momento de torção (torque). Assim
sendo, estes em geral apresentam características típicas como descrito abaixo.
• Nos motores CC, campos magnéticos constantes são gerados no estator por imãs permanentes ou por CC. Para manter o campo magnético de CC estacionário no espaço
relativo ao estator, são usadas escovas de carvão as quais chaveiam mecanicamente as
bobinas enquanto o rotor gira. Para minimizar as tensões transitórias de manobra são
às vezes utilizados pólos de compensação. As bobinas do estator e do rotor podem ser
conectadas em fornecimentos separados de energia, em série, em paralelo, ou em variadas combinações série/paralelo (compound), para assim fornecerem as características
de trabalho e desempenho desejados. Num motor de CC, bem como nos outros, é fundamental o controle do momento de torção e da velocidade. No caso CC, isso é obtido
com facilidade por meio da variação da corrente e/ou tensão do rotor (armadura) e/ou
estator (campo), [5].
81
Quando a corrente
elétrica passa através
de uma espira em um
campo magnético, a
força magnética
produz um torque que
gira o motor.
Corrente
elétrica externa
fornecida por
um comutador.
Força magnética que
age perpendicular às
espiras e ao campo
magnético.
Figura 48: Funcionamento de motores elétricos
•
•
Os motores CA basicamente se caracterizam por uma corrente trifásica alternada balanceada proporcionalmente em tempo (fase) e espaço (no enrolamento do estator) que
produz uma onda de fluxo magnético singelo rotativa em volta do estator na linha de
velocidade síncrona. Alternativamente, pode-se ter uma corrente monofásica alternada, que não produz efetivamente fluxo magnético rotativo, onde o motor tendo enrolamentos auxiliares de partida (fase dividida, partida de capacitor) ou enrolamentos
que produzam um torque assimétrico. Quando o rotor do motor de fase singela começa
a virar, é submetido a um fluxo rotativo positivo líquido na direção de sua estrutura de
referência.
Os motores síncronos geralmente utilizam CA trifásica para gerar um campo rotatório
constante no estator e assim ter um campo magnético constante fixo e rotatório com o
rotor. O campo do rotor pode ser gerado através de: (a) CC usando anéis deslizantes
para conduzir a corrente ao rotor; (b) CC usando um excitador sem escovas (corrente
induzida nas bobinas auxiliares retificada); (c) imãs permanentes. Alternativamente utiliza-se da (d) relutância do rotor – duplo circuito magnético da resistência ôhmica – e
um rotor assimétrico (pólo saliente), ou (e) da histerese – retardo da magnetização (do
rotor) atrás do campo magnetizante (do estator) que pode ser usado para proporcionar
uma orientação preferencial do rotor. O rotor de um motor síncrono gira junto ao campo do fluxo rotatório do estator, [56].
Vantagens:
•
Motor de velocidade constante
•
A fase pode ser ajustada pela corrente no rotor
•
Muito útil quando a fase precisa ser ajustada
Desvantagens:
•
O motor não apresenta torque de partida, portanto necessita de motores auxiliares para este
fim.
•
Construção e manutenção dispendiosas
82
Campo magnético
criado pelas
bobinas. Eletroímã
também é
alimentado com
corrente alternada.
Contatos
deslizantes
chamados
escovas
Corrente
alternada na
bobina.
Figura 49: Funcionamento de um motor síncrono CA
•
Os motores de indução são motores de CA em que o rotor gira numa velocidade ligeiramente inferior à do fluxo rotatório do estator. Considerando a lei de indução de Faraday, este
movimento relativo entre o campo do estator e o do rotor induz uma corrente e, desta maneira, também um campo magnético no rotor. Os motores gaiola de esquilo usam barras de cobre no rotor. A variação, ou aproveitamento do efeito pelicular da CA, e a resistividade destas barras permite a regulação das características do par velocidade/torque. Os rotores bobinados possuem um enrolamento similar ao do estator, que é conectado para fora através de
anéis deslizantes, permitindo assim a possibilidade de manipular as características do rotor
[Figura 50, Figura 51 e Figura 52].
Vantagens:
• Baixo custo de construção e operação
• Alto torque de partida
• Freqüência de operação quase constante
• Fator de fase variável e próximo de um à plena carga
83
Princípio de
funcionamento
Figura 50: Funcionamento de um motor de indução CA
Figura 51: Esquema de um motor de indução CA
84
Figura 52: Motor de indução – sistema “as built”
O motor linear é um tipo de motor de indução em que o rotor fica fixo e a armadura se move.
Ou seja, trata-se de um campo magnético que se movimenta, atuando sobre placas condutoras inseridas neste campo.
São divididos em duas categorias: de baixa aceleração e de alta aceleração. Também podem
ter seção transversal circular, como a maioria dos motores de indução, ou ser arranjados como placas longitudinais, paralelas e sobrepostas.
São utilizados, por exemplo, para mover portas deslizantes (baixa aceleração), para transportes (alta aceleração), para a propulsão de naves espaciais (verticais, alta aceleração), para aceleração
de partículas e outros [figuras Figura 52 a Figura 54].
Seção circular
1.
2.
3.
4.
5.
Imãs permanentes
6.
Bobina (sem espiras)
7.
Rolamento (duas bolas)
8.
Bastão de precisão
9.
Rotor de 50 dentes
Mola dupla
Invólucro
Enrolamento de espiras
Estator de oito dentes
Figura 53: Esquema de um motor linear
85
Figura 54: Motores lineares
♦ Enfim, os motores universais são projetados com escovas e podem ser operados em CC ou
CA indiscriminadamente, [57].
Controladores de velocidade
-Famílias tecnológicas
Figura 55: Tipos de Controladores de velocidade
Inversores de Freqüência
Na década de 80, com o desenvolvimento de semicondutores de potência com excelentes características de desempenho e confiabilidade, foi possível a implantação de sistemas de variação de
velocidade eletrônicos. Neste sistema, diferentemente dos sistemas de variação de velocidade tradicionais, onde o motor trabalha sempre na velocidade nominal e conseqüentemente na potência nominal, o motor consome somente a potência requerida pela máquina.
Estes novos dispositivos eletrônicos para variação de velocidade de motores de indução são
conhecidos como Inversores de Freqüência. Em muitos casos a eficiência das instalações equipadas
com estes dispositivos chegou a ser duplicada quando comparada com os sistemas antigos.
86
Figura 56: Inversor de freqüência
Figura 57: Esquema de Alimentação com Inversor de Freqüência
Tipos de Inversores de Freqüência
• Controle escalar
O funcionamento dos inversores de freqüência com controle escalar está baseado numa estratégia de comando chamada “V/F constante”, que mantém o torque do motor constante, igual ao
nominal, para qualquer velocidade de funcionamento.
• Controle vetorial
Em aplicações onde se faz necessária uma alta performance dinâmica, respostas rápidas e alta precisão de regulação de velocidade, o motor deve fornecer essencialmente um controle preciso
de torque para uma faixa extensa de condições de aplicações. Neste caso, o inversor de freqüência
deve ter controle vetorial.
O controle vetorial recebe este nome, pois, o torque produzido no motor é proporcional ao
“produto vetorial” das duas componentes da corrente (corrente de magnetização e corrente produtora).
• Regenerativo
O inversor regenerativo é utilizado onde se deseja além do acionamento a frenagem da carga, como por exemplo, trens e pontes rolantes. Neste tipo de controle o motor também trabalha como gerador, freando a carga.
9.3
CARACTERIZAÇÃO DAS DIMENSÕES DAS TECNOLOGIAS DA FORÇA MOTRIZ
O uso das tecnologias da força motriz é amplo, por isso, é preciso caracterizá-las bem para
87
promover uma aplicação mais adequada e permitir uma escolha correta para suas instalações. Em
todos os setores das atividades são aplicadas as tecnologias da força motriz, portanto, consequentemente, o consumo de energia e o potencial de conservação não podem ser ignorados. Neste trabalho
procurou-se levantar todas as características construtivas e técnicas destas tecnologias, assim também analisando os atributos associados à elas, que nos itens seguintes serão discutidos.
9.3.1 ASPECTOS TÉCNICOS ECONÔMICOS DAS TECNOLOGIAS DA FORÇA MOTRIZ
Os motores de indução CA trifásicos comuns têm uma eficiência de cerca de 73% para
0.75KW até 93% para 112kW, [58]. As perdas neste tipo de motor ocorrem na condução da corrente elétrica, no núcleo de aço, no atrito e aeração, e nas perdas de dispersão. As perdas de condução
acontecem devido ao aquecimento resistivo, I2R, no estator e no rotor. As perdas do núcleo magnético ocorrem devido à combinação das correntes de Eddy e das perdas por histereses induzidas pelo
campo de 60Hz no ferro do estator e do rotor. As perdas por atrito surgem nos rolamentos do motor,
assim como as de aeração acontecem por causa do ventilador e de outras partes rotatórias.
A busca de motores elétricos mais eficientes está relacionada com o custo crescente da eletricidade. As técnicas usadas para isto são: aplicação de condutores com alta condutividade e de seção maior no estator e no rotor para reduzir as perdas do aquecimento resistivo; utilização conjunta
da ampliação do núcleo e laminações mais finas de melhores materiais magnéticos para reduzir as
perdas no núcleo por correntes de Eddy e histereses; e também, diminuição do entreferro, reduzindo
assim a força magnetomotriz requisitada bem como as correntes induzidas. No caso dos motores
monofásicos, a simples otimização no dimensionamento do motor pode elevar a sua eficiência em
até 4.5% acima dos motores comuns atuais, sem custo adicional, [59].
É relevante observar que a melhora da eficiência nos motores tem efeitos colaterais que precisam de atenção. Por exemplo, a redução da resistência no circuito do rotor para diminuir as perdas
de aquecimento resistivo nos motores energicamente eficientes reduziria o momento de torção na
partida assim como incrementaria a velocidade do rotor no momento do ponto de carga. Além disso, os motores de alta eficiência poderão apresentar maiores correntes transitórias de partida com
reflexos no lado do suprimento. Certamente, com cargas muito baixas, a eficiência do motor elétrico decai aceleradamente mas a quantidade de energia desperdiçada é relativamente pequena. Por
outro lado, um motor sobre-dimensionado ocasiona um fator de potência baixo implicando numa
maior capacidade instalada do sistema elétrico.
Atualmente a moderna eletrônica de estado sólido, os materiais magnéticos, e outras tantas
tecnologias estão revolucionando os sistemas de força motriz elétrica no mundo todo, incluída aí a
operação e controle dos motores elétricos através da manipulação da velocidade por controle da freqüência feita eletronicamente.
A força eletromotriz enquanto uso final tem suas especificidades, às vezes inclusive dentro
das regiões de um mesmo país. No Brasil, os motores elétricos dos diversos fabricantes têm rendimentos muito diferentes entre si para uma dada capacidade. Segundo o PROCEL (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica), motores de indução trifásicos têm até 5.8% de variação no
rendimento na faixa de 3 a 30 CV. As perdas no ferro são elevadas (40% das perdas totais), enquanto em outros países como EUA é de 15 a 20%, [60].
Deve-se mencionar também que a maior parte dos motores de alto rendimento produzidos
no país são exportados para os EUA e a Europa. Isto ocorre devido ao alto custo desses motores no
mercado brasileiro, onde são oferecidos a um preço 40% a mais do custo de um motor normal, [61].
Dado que é o setor industrial que em maior escala utiliza a força eletromotriz, pode-se dizer que
freqüentemente os motores são dimensionados inadequadamente em relação ao trabalho que desempenham. Aproximadamente 71% dos motores operam com carga inferior à nominal, e 25% operam com apenas 50% da carga nominal, [60]. Além disso, as práticas de manutenção, operação e
instalação não são sempre as mais corretas.
Perdas em um motor elétrico
As perdas nos motores são classificadas em quatro categorias:
88
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
elétricas
magnéticas
mecânicas
térmicas
Que podem ser subdivididas em:
Perdas ôhmicas no estator
Perdas ôhmicas no rotor
Perdas no núcleo
Escorregamento (stray-load)
Atrito
Ventilação
Perdas no contato elétrico da escova (motores com enrolamento no rotor e CC)
Perdas de excitação (síncronos e CC)
Perdas por
ventilação
Perdas joule
no estator
Perdas por
atrito
Perdas por
histerese e foucalt
Perdas joule
no rotor
Perdas por
dispersão
Figura 58: Perdas em um motor elétrico
Potencial de melhoria da eficiência
• Normalmente são vislumbradas duas alternativas:
1. Motores de alta eficiência
• consomem menos energia;
• possuem alto fator de capacidade;
• possuem de 20-40% menos perdas;
89
• partem “a frio”;
• possuem menores perdas em ventilação, etc.
2. Controladores de velocidade
• ajustam a velocidade para o uso requerido de motores de velocidades fixas.
• aumentam a produtividade;
• aumentam a qualidade do produto;
• menor desgaste das partes mecânicas;
• economia de energia de 50% ou mais dependendo do caso.
STANDARD
EBERLE
POTÊNCIA
II Polos
kW
CV RENDIMENTO
0,75 1,0
1,10 1,5
1,50 2,0
2,20 3,0
3,00 4,0
3,70 5,0
4,50 6,0
5,50 7,5
7,50 10,0
9,00 12,5
11,00 15,0
15,00 20,0
18,50 25,0
22,00 30,0
30,00 40,0
37,00 50,0
45,00 60,0
55,00 75,0
75,00 100,0
90,00 125,0
110,00 150,0
130,00 175,0
150,00 200,0
185,00 250,0
77,0
78,5
81,0
81,5
82,5
84,5
85,5
86,5
87,5
88,0
89,5
89,0
89,5
90,0
91,0
91,5
92,5
92,8
93,5
93,7
94,0
94,0
94,2
94,3
IV Polos
VI Polos
VIII Polos
FATOR DE
FATOR DE
FATOR DE
RENDIMENTO
RENDIMENTO
RENDIMENTO
POTÊNCIA
POTÊNCIA
POTÊNCIA
0,85
0,86
0,88
0,86
0,87
0,88
0,89
0,87
0,87
0,89
0,89
0,89
0,92
0,94
0,89
0,90
0,92
0,90
0,89
0,89
0,89
0,89
0,90
0,89
78,0
79,0
81,5
83,0
83,5
85,0
86,0
87,0
87,5
87,5
88,5
89,5
90,5
91,0
91,7
92,4
93,0
93,0
93,5
93,8
94,1
94,1
94,5
94,5
0,84
0,85
0,80
0,81
0,86
0,81
0,81
0,81
0,85
0,89
0,88
0,88
0,89
0,88
0,88
0,88
0,89
0,88
0,87
0,88
0,89
0,88
0,88
0,89
73,0
75,0
77,0
78,5
83,0
85,0
85,5
86,0
87,0
87,5
89,0
89,5
90,2
91,0
91,7
92,0
92,5
92,8
93,0
93,5
94,1
94,1
94,2
0,68
0,71
0,70
0,74
0,72
0,81
0,76
0,80
0,79
0,75
0,74
0,77
0,82
0,79
0,78
0,75
0,84
0,86
0,83
0,83
0,86
0,86
0,86
68,0
74,5
77,0
78,0
79,0
80,0
84,0
85,0
90,0
90,0
91,0
91,0
91,5
91,0
91,5
92,0
92,5
93,5
93,8
FATOR DE
POTÊNCIA
0,58
0,66
0,65
0,71
0,62
0,73
0,59
0,63
0,70
0,69
0,74
0,72
0,72
0,75
0,78
0,76
0,77
0,75
0,76
90
ALTO RENDIMENTO
EBERLE
POTÊNCIA
II Polos
kW
CV RENDIMENTO
0,75 1,0
1,10 1,5
1,50 2,0
2,20 3,0
3,00 4,0
3,70 5,0
4,50 6,0
5,50 7,5
7,50 10,0
9,00 12,5
11,00 15,0
15,00 20,0
18,50 25,0
22,00 30,0
30,00 40,0
37,00 50,0
45,00 60,0
55,00 75,0
75,00 100,0
90,00 125,0
110,00 150,0
130,00 175,0
150,00 200,0
185,00 250,0
80,0
83,0
83,5
85,0
86,5
87,5
88,0
88,5
89,5
89,5
90,2
90,2
91,0
92,0
92,0
92,4
93,0
93,2
93,8
94,5
94,5
94,7
95,0
95,4
IV Polos
VI Polos
VIII Polos
FATOR DE
FATOR DE
FATOR DE
RENDIMENTO
RENDIMENTO
RENDIMENTO
POTÊNCIA
POTÊNCIA
POTÊNCIA
0,80
0,75
0,81
0,81
0,85
0,82
0,85
0,84
0,85
0,86
0,87
0,87
0,88
0,89
0,90
0,92
0,91
0,91
0,90
0,90
0,91
0,90
0,90
0,91
80,5
81,5
84,0
85,0
86,3
87,5
88,5
89,5
91,0
91,4
91,7
92,4
92,6
93,0
93,0
93,5
93,8
94,1
94,5
95,0
95,0
95,0
95,0
95,5
0,70
0,77
0,82
0,81
0,77
0,81
0,84
0,85
0,87
0,85
0,87
0,85
0,84
0,85
0,87
0,86
0,88
0,88
0,89
0,88
0,88
0,88
80,5
81,0
83,9
84,8
86,3
87,7
88,5
89,5
90,2
90,6
91,0
91,7
92,2
93,0
93,4
93,5
93,7
93,8
94,2
94,5
95,0
95,1
95,3
0,69
0,61
0,64
0,72
0,70
0,73
0,73
0,73
0,71
0,75
0,76
0,75
0,77
0,80
0,79
0,76
0,83
0,85
0,82
0,82
0,85
0,85
0,84
78,5
81,5
84,3
86,4
86,5
87,4
88,1
89,7
90,5
91,0
91,2
91,5
92,0
92,3
93,0
93,6
93,6
94,1
94,5
94,7
94,9
FATOR DE
POTÊNCIA
0,53
0,59
0,61
0,61
0,63
0,65
0,53
0,60
0,60
0,61
0,62
0,62
0,69
0,71
0,70
0,72
0,75
0,78
0,74
0,75
0,77
91
STANDARD
KOHLBACH-SIEMENS
POTÊNCIA
II Polos
kW
CV RENDIMENTO
0,75 1,0
1,10 1,5
1,50 2,0
2,20 3,0
3,00 4,0
3,70 5,0
4,50 6,0
5,50 7,5
7,50 10,0
9,00 12,5
11,00 15,0
15,00 20,0
18,50 25,0
22,00 30,0
30,00 40,0
37,00 50,0
45,00 60,0
55,00 75,0
75,00 100,0
90,00 125,0
110,00 150,0
130,00 175,0
150,00 200,0
185,00 250,0
77,0
78,5
81,0
81,5
82,5
85,5
85,1
86,0
87,5
87,5
87,5
88,5
89,5
89,5
90,2
91,5
91,7
92,4
93,0
93,0
93,0
93,5
94,1
94,1
IV Polos
VI Polos
VIII Polos
FATOR DE
FATOR DE
FATOR DE
RENDIMENTO
RENDIMENTO
RENDIMENTO
POTÊNCIA
POTÊNCIA
POTÊNCIA
0,84
0,87
0,82
0,87
0,87
0,86
0,9
0,89
0,9
0,93
0,91
0,91
0,9
0,87
0,92
0,92
0,87
0,89
0,88
0,9
0,9
0,9
0,9
0,91
78,0
79,0
81,5
83,0
83,0
85,1
85,5
87,0
87,5
87,5
88,5
90,2
90,5
91,0
91,7
92,4
93,0
93,0
93,2
93,2
93,5
94,1
94,5
94,5
0,69
0,72
0,81
0,82
0,81
0,78
0,81
0,81
0,83
0,87
0,86
0,87
0,87
0,86
0,87
0,89
0,90
0,91
0,91
0,91
0,91
0,87
0,87
0,88
73,0
75,0
77,0
78,5
81,0
83,5
84,0
85,0
86,0
87,5
89,0
89,5
90,2
91,0
91,7
91,7
91,7
92,1
93,0
93,0
94,1
94,1
94,1
0,68
0,69
0,70
0,69
0,71
0,79
0,75
0,79
0,79
0,76
0,79
0,79
0,84
0,86
0,82
0,81
0,86
0,87
0,87
0,86
0,85
0,85
0,85
66,0
73,5
77,0
78,0
79,0
80,0
82,0
84,0
85,0
86,0
87,5
88,5
88,5
90,2
90,2
91,0
91,0
91,5
92,0
92,5
92,5
FATOR DE
POTÊNCIA
0,60
0,60
0,63
0,64
0,61
0,72
0,61
0,67
0,68
0,74
0,77
0,74
0,76
0,73
0,75
0,77
0,79
0,79
0,81
0,82
0,82
92
ALTO RENDIMENTO
KOHLBACH-SIEMENS
POTÊNCIA
kW
CV
0,75 1,0
1,10 1,5
1,50 2,0
2,20 3,0
3,00 4,0
3,70 5,0
4,50 6,0
5,50 7,5
7,50 10,0
9,00 12,5
11,00 15,0
15,00 20,0
18,50 25,0
22,00 30,0
30,00 40,0
37,00 50,0
45,00 60,0
55,00 75,0
75,00 100,0
90,00 125,0
110,00 150,0
130,00 175,0
150,00 200,0
185,00 250,0
II Polos
RENDIMENTO
80,1
82,5
84,0
85,1
85,1
87,6
88,0
88,8
89,5
89,5
90,2
90,2
91,0
91,0
91,7
92,4
93,0
93,0
93,6
94,5
94,5
94,7
95,0
95,4
IV Polos
VI Polos
VIII Polos
FATOR DE
FATOR DE
FATOR DE
RENDIMENTO
RENDIMENTO
RENDIMENTO
POTÊNCIA
POTÊNCIA
POTÊNCIA
0,81
0,87
0,84
0,86
0,92
0,85
0,90
0,85
0,85
0,90
0,88
0,85
0,88
0,90
0,92
0,92
0,94
0,94
0,94
0,90
0,91
0,90
0,90
0,91
82,7
81,5
84,2
85,1
86,0
87,5
88,5
89,5
90,0
90,0
91,0
91,0
92,4
92,4
93,0
93,0
93,6
94,1
94,5
94,5
95,0
95,0
95,0
95,0
0,68
0,68
0,76
0,79
0,79
0,78
0,81
0,81
0,83
0,82
0,82
0,87
0,89
0,85
0,88
0,90
0,89
0,90
0,90
0,90
0,90
0,86
0,86
0,87
80,0
77,0
83,0
83,0
85,0
87,5
87,5
88,0
88,5
88,5
90,2
90,2
91,7
91,7
93,0
93,0
93,6
93,6
94,1
94,1
95,0
95,0
95,0
0,63
0,68
0,65
0,69
0,71
0,73
0,75
0,71
0,74
0,76
0,77
0,79
0,82
0,81
0,78
0,80
0,86
0,87
0,87
0,86
0,85
0,85
0,85
70,0
77,0
82,5
84,0
84,5
85,5
85,5
85,5
88,5
88,5
88,5
89,5
89,5
91,0
91,0
91,7
91,7
93,0
93,0
93,6
93,6
FATOR DE
POTÊNCIA
0,60
0,60
0,61
0,61
0,62
0,62
0,62
0,62
0,66
0,74
0,74
0,81
0,76
0,73
0,75
0,77
0,78
0,78
0,80
0,82
0,82
93
STANDARD
WEG
POTÊNCIA
kW
II Polos
IV Polos
VI Polos
VIII Polos
FATOR DE
FATOR DE
FATOR DE
FATOR DE
RENDIMENTO
RENDIMENTO
RENDIMENTO
POTÊNCIA
POTÊNCIA
POTÊNCIA
POTÊNCIA
CV RENDIMENTO
0,75 1,0
1,10 1,5
1,50 2,0
2,20 3,0
3,00 4,0
3,70 5,0
4,50 6,0
5,50 7,5
7,50 10,0
9,00 12,5
11,00 15,0
15,00 20,0
18,50 25,0
22,00 30,0
30,00 40,0
37,00 50,0
45,00 60,0
55,00 75,0
75,00 100,0
90,00 125,0
110,00 150,0
130,00 175,0
150,00 200,0
185,00 250,0
77,0
78,5
81,0
81,5
83,0
85,6
85,0
86,7
87,6
87,5
87,8
89,0
89,5
91,0
90,4
92,2
91,7
92,4
93,0
93,0
93,3
93,5
94,1
94,1
0,83
0,86
0,89
0,84
0,86
0,88
0,88
0,87
0,88
0,88
0,89
0,88
0,88
0,88
0,88
0,87
0,9
0,9
0,91
0,88
0,9
0,87
0,9
0,9
79,5
79,5
82,5
83,0
83,0
85,5
85,5
88,0
89,0
88,5
88,5
90,2
91,0
91,0
91,7
92,4
93,0
93,0
93,2
93,2
93,5
94,1
94,5
94,5
0,82
0,82
0,78
0,80
0,80
0,81
0,84
0,82
0,83
0,82
0,83
0,83
0,83
0,84
0,85
0,86
0,89
0,88
0,87
0,86
0,87
0,85
0,86
0,86
74,5
75,0
78,0
78,5
81,0
84,0
84,0
85,0
86,3
88,0
89,5
89,5
90,2
91,0
91,7
91,7
91,7
93,0
93,0
93,0
94,1
94,1
94,1
0,7
0,7
0,7
0,72
0,76
0,75
0,75
0,77
0,75
0,82
0,8
0,78
0,9
0,85
0,84
0,84
0,87
0,85
0,83
0,84
0,83
0,82
0,81
66,0
73,5
79,0
80,0
81,3
83,0
84,5
86,0
87,5
88,0
88,5
89,5
89,0
90,2
90,2
91,0
91,0
92,0
92,0
92,5
92,5
0,68
0,62
0,66
0,74
0,72
0,73
0,72
0,71
0,72
0,82
0,83
0,83
0,74
0,83
0,85
0,83
0,82
0,81
0,77
0,79
0,79
94
ALTO RENDIMENTO
WEG
POTÊNCIA
II Polos
kW
CV
0,75 1,0
1,10 1,5
1,50 2,0
2,20 3,0
3,00 4,0
3,70 5,0
4,50 6,0
5,50 7,5
7,50 10,0
9,00 12,5
11,00 15,0
15,00 20,0
18,50 25,0
22,00 30,0
30,00 40,0
37,00 50,0
45,00 60,0
55,00 75,0
75,00 100,0
90,00 125,0
110,00 150,0
130,00 175,0
150,00 200,0
185,00 250,0
RENDIMENTO
81,2
82,5
83,5
85,0
86,0
87,5
88,0
88,7
89,5
89,5
90,5
92,0
92,0
92,0
93,1
93,5
93,0
93,0
93,6
94,5
94,5
94,7
95,0
95,4
IV Polos
VI Polos
VIII Polos
FATOR DE
FATOR DE
FATOR DE
RENDIMENTO
RENDIMENTO
RENDIMENTO
POTÊNCIA
POTÊNCIA
POTÊNCIA
0,83
0,87
0,84
0,85
0,85
0,85
0,89
0,86
0,88
0,88
0,90
0,86
0,85
0,87
0,86
0,86
0,89
0,90
0,92
0,89
0,89
0,89
0,87
0,89
82,6
81,5
84,0
85,0
86,5
88,0
89,0
90,0
91,0
91,0
91,7
92,4
92,6
93,0
93,0
93,2
93,6
94,1
94,5
94,5
95,0
95,0
95,0
95,5
0,80
0,82
0,76
0,82
0,82
0,80
0,81
0,80
0,82
0,83
0,84
0,80
0,81
0,84
0,83
0,85
0,86
0,88
0,85
0,85
0,86
0,87
0,87
0,86
80,0
77,0
83,5
83,0
86,5
87,5
87,5
88,5
88,5
89,5
90,2
90,2
91,7
92,5
93,0
93,0
93,6
93,6
94,1
94,1
95,0
95,0
95,0
0,7
0,74
0,7
0,71
0,73
0,75
0,74
0,73
0,77
0,81
0,79
0,79
0,88
0,82
0,82
0,83
0,82
0,82
0,84
0,84
0,84
0,83
0,83
70,0
78,0
82,5
84,5
85,0
85,5
85,5
87,0
88,5
89,5
89,5
89,5
90,0
91,0
91,0
91,7
91,7
93,0
93,0
93,6
93,6
FATOR DE
POTÊNCIA
0,63
0,60
0,61
0,75
0,75
0,74
0,69
0,68
0,70
0,78
0,78
0,80
0,75
0,83
0,81
0,81
0,81
0,78
0,78
0,79
0,78
9.3.2 ASPECTOS SOCIAIS DAS TECNOLOGIAS DA FORÇA MOTRIZ
motores mais eficientes e também do dimensionamento correto e aplicação de controle de velocidade. Programas de substituição, redimensionamento e de controle mais eficiente de velocidade de
motores podem ser conduzidos em parcerias entre concessionária, fabricantes de motores de alto
rendimento e controladores de velocidade e programas de eficiência energética.
A adoção em massa da substituição dos motores elétricos convencionais pelas indústrias por
motores de alto rendimento não acarretam impactos negativos quanto à funcionalidade e nem quanto à estética, já que esses outros modelos de motores terão a mesma funcionalidade e estética parecida com os utilizados anteriormente. No caso de redimensionamento dos motores ou aplicação de
um controle de velocidade podemos até ter um impacto social positivo, com a redução dos ruídos
causados por essas novas tecnologias.
No que diz respeito à conscientização social e mudança de hábitos, não haveria um impacto
negativo muito significativo, pois essas novas metodologias não afetariam muito a operação dos
motores.
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção de motores de alto rendimento,
redimensionamento de motores ou então o uso de controladores de velocidade poderia influenciar
positivamente a região, visto que não há uma produção grande de motores de alto rendimento e con-
95
troladores de velocidade no mercado, e a grande demanda causada pela adoção em massa desses
novos equipamentos faria com que fosse necessária a instalação de novas fábricas e distribuidores
na região para atender essa nova demanda, causando também um aquecimento no comércio local,
pois muitas indústrias necessitariam adquirir esses novos tipos de equipamentos.
9.3.3 ASPECTOS AMBIENTAIS DAS TECNOLOGIAS DA FORÇA MOTRIZ
Os motores elétricos não acarretam quase nenhum impacto negativo ao meio-ambiente. O
único cuidado que devemos tomar é com o descarte de seus óleos lubrificantes, que podem contaminar as águas.
9.3.4 ASPECTOS POLÍTICOS DAS TECNOLOGIAS DA FORÇA MOTRIZ
A substituição, redimensionamento ou aplicação de controle de velocidade em motores elétricos ineficientes possui uma aceitação moderada pelas indústrias e comércios, pois esses equipamentos são caros e essas medidas demandariam um alto investimento inicial, porém, com a redução
do desperdício de energia, este investimento retornaria após algum tempo e as indústrias e comércios passariam a ter um menor custo de produção, o que ocasionaria uma maior lucratividade.
bastante a demanda energética. Para essa substituição ser mais aceitável pelas indústrias e comércios, o governo precisaria investir em mecanismos de incentivo para que estes não demorem tanto
para ter o retorno de seu investimento.
10
TECNOLOGIAS DE FORNOS, CALDEIRAS E FOGÕES
A penetração destas tecnologias nos processos das atividades econômicas da sociedade moderna é grande, por isso, é necessário conhecer bem as suas características técnicas e os problemas a
elas associados, sejam do caráter social, ambiental, econômico ou político. Para tanto, fez-se a caracterização completa destas tecnologias para poder propor as melhores soluções em termo de eficiência energética e apoiar na sua escolha.
10.1 INTRODUÇÃO
Os primeiros usos finais considerados, iluminação, refrigeração, condicionamento ambiental
e aquecimento de água a partir do chuveiro elétrico utilizam primordialmente a eletricidade como
energético. Já processos utilizando fornos e caldeiras são alimentados a partir de diferentes combustíveis, originados de fontes primárias (como o petróleo e o gás natural) ou secundárias (resultantes
de processos de transformação e refino).
Pode-se definir um combustível como uma substância que gera uma reação exotérmica na
qual desprende calor e luz, ao se combinar quimicamente com outra substância. Este processo termodinâmico, a combustão, é um fenômeno básico para a realização de trabalho nos sistemas termodinâmicos. É essencial para uma série de processos em escala industrial (sendo responsáveis por
53% do consumo energético deste setor) e domiciliar como a cocção e o aquecimento de água, [15].
A eficiência da combustão é medida a partir da conversão de um dado combustível em energia térmica útil. A combustão completa não ocorre devido a perdas em chaminés e câmaras de
combustão, mas os cálculos de eficiência baseiam-se em fatores como a composição do combustível
e a energia quimicamente disponível, a temperatura líquida dos gases da chaminé, a quantidade de
calor não utilizado e a percentagem de oxigênio consumido pelo combustível.
De forma geral, como medidas capazes de elevar a eficiência do processo, pode-se mencionar o desenvolvimento de projetos visando o máximo de transferência de calor à carga, o aprimoramento da relação custo-efetividade dos processos de aproveitamento de calor rejeitado, o desenvolvimento tecnológico de sistemas de aquecimento, ciclos de combustão e aparelhos que permitam
ajustes nos parâmetros operacionais de queimadores em tempo real, entre outras medidas.
96
10.2 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS
RAS E FOGÕES
DAS
TECNOLOGIAS
DE
FORNOS, CALDEI-
10.2.1 FORNOS
Fornos e caldeiras são os principais equipamentos da indústria que utilizam a energia térmica como fonte de energia. Fornos são destinados ao aquecimento de materiais, com diversos objetivos como cocção, fusão, tratamento térmico, secagem, entre outros. Um forno deve ser capaz de
transferir o calor gerado por uma fonte a um material processado, com eficiência, uniformidade e
segurança. Para tanto, devem ser considerados, para o seu funcionamento correto, pontos básicos
como a absorção do máximo de calor disponível, a transferência de calor da chama para o material,
a projeção correta da câmara de combustão a fim de atender a esses objetivos e a qualidade do refratário e do isolamento térmico do forno.
Os fornos a combustão podem ser de quatro tipos principais: fornos em que o combustível e
o material estão na mesma câmara (auto-fornos, cubilos), fornos em que o combustível e o material
estão em câmaras separadas e os gases de combustão não têm contato com o material (retortas, cadinhos), fornos em que o combustível e o material estão em câmaras separadas, mas os gases de
combustão têm contato com o material (rotativos, circulares) e, por fim, fornos em que o combustível é constituído pelas impurezas do material ou parte do material, ambos estão em câmaras separadas e os gases de combustão não têm contato com o material (incineradores, conversores) [figuras
Figura 66 e Figura 67].
Figura 59: Forno Industrial
97
Figura 60: Forno para Fundição e Manutenção de Alumínio
Os fornos podem ainda ser elétricos, a resistência, a arco voltaico ou de indução. Neste caso,
a eliminação de problemas relativos à combustão e a perdas na chaminé eleva consideravelmente a
eficiência deste tipo de forno. Fornos a arco voltaico têm emprego na indústria siderúrgica e possuem elevada demanda de energia elétrica. Fornos elétricos de indução, apesar do alto custo, são bastante eficientes, atingindo altas temperaturas em pouco tempo. São utilizados largamente em forjarias e indústrias siderúrgicas e metalúrgicas.
10.2.2 CALDEIRAS
Caldeiras ou geradores de vapor produzem e acumulam vapor sob pressão superior à atmosférica a partir de diferentes fontes de energia. Podem ser classificadas em dois grandes grupos: flamotubulares e aquotubulares [figuras Figura 68 e Figura 69].
Figura 61 : Caldeira Flamotubular
98
Figura 62: Corte da Caldeira Flamotubular
As caldeiras flamotubulares realizam a combustão dentro da própria caldeira e são caldeiras
mais simples, utilizadas inicialmente em navios. Possuem vantagens como facilidade de operação,
de limpeza, tratamento de água e manutenção, além de relativo baixo custo, [13]. Como desvantagens, possuem partida lenta devido ao grande volume de água, capacidade limitada de pressão e ocupação de muito espaço com relação à área de aquecimento.
As caldeiras aquotubulares, [14], mais modernas, possibilitaram a maior produção de vapor
a pressões elevadas e altas temperaturas. Nestas caldeiras, a água circula no interior dos tubos e os
gases da combustão circulam por fora. Apresentam vantagens e desvantagens complementares às
observadas nas caldeiras aquotubulares [figuras Figura 66 e Figura 67]. Apresentam facilidade de
adaptação de equipamentos, não possuem limite de pressão ou capacidade, além de flexibilidade de
operação. Em contrapartida, exigem mão de obra mais qualificada para sua operação, tratamento de
água adequado, têm pouca capacidade em relação à demanda dado o volume reduzido de água, e
custo mais elevado.
Figura 63: Caldeira Aquotubular
Caldeiras possuem ainda classificações quanto à energia empregada, utilizando combustíveis sólidos (carvão, lenha, bagaço), líquidos (óleos combustíveis) e gasosos (GLP), ou a eletricidade (caldeiras elétricas resistivas e a eletrodos).
99
Figura 64: Caldeira Elétrica
10.2.3 FOGÕES
O uso de fogões para a cocção [Figura 65] estende-se a todos os setores de consumo, ainda
que esteja concentrado nos setores residencial e comercial. Os principais fins da cocção são a nutrição e o atendimento a padrões de saúde a partir da eliminação de microrganismos e da esterilização
de alimentos ou objetos. Estão envolvidos no processo de cocção, todos os fatores capazes de influenciar a combustão e os processos térmicos envolvidos na mesma.
Figura 65: Fogão Industrial
Os fogões são atualmente de diferentes tecnologias, desde fogões a lenha a fogões elétricos,
a gás ou utilizando a energia do sol. A qualidade destas fontes energéticas não está limitada a características termodinâmicas, mas também a parâmetros ambientais e à possibilidade de controle do
processo, administrando assim o consumo de energia na execução de uma dada tarefa.
10.3 CARACTERIZAÇÃO
DAS
DIMENSÕES
DAS
TECNOLOGIAS
DE
FORNOS, CALDEIRAS
E
FO-
GÕES
Em consideração ao amplo uso destas tecnologias nas indústrias, nas residências, nas instalações hospitalares e outros usos faz com que se torna necessário a caracterização delas, visando
conhecer profundamente as suas características técnicas para auxiliar na escolha das mais eficientes.
Por isso, nos itens seguintes faz-se esta caracterização, descrevendo os atributos técnicos, econômi-
100
cos, ambientais e sociais destas tecnologias.
10.3.1 ASPECTOS TÉCNICO-ECONÔMICOS
DAS
TECNOLOGIAS
DE
FORNOS, CALDEIRAS
E
FO-
GÕES
Apesar de essas tecnologias serem um pouco semelhares pelas suas funções têm as características técnicas e construtivas diferentes. Por esta estão, procurou-se caracterizar cada um delas separadamente.
Fornos
O aumento de rendimento dos fornos (ou a máxima utilização do calor gerado na combustão) está condicionado à utilização correta e à otimização do desempenho de regeneradores, recuperadores e aquecedores de ar. Regeneradores são materiais capazes de absorver gases de combustão,
aproveitando parte de seu calor e aumentando, desta forma, o rendimento térmico. Recuperadores
separam a corrente de gases quentes da corrente de ar de combustão, normalmente em dois dutos
concêntricos. Aquecedores de ar são utilizados em casos nos quais é requerida uma alta temperatura
de chama, mas não se dispõe de gases quentes. São utilizados na indústria siderúrgica para o aquecimento do ar destinado a auto-fornos.
Caldeiras
A eficiência de caldeiras e fornos está associada à minimização de perdas no sistema. No caso das caldeiras, a perda total de calor é composta pela perda por transferência de calor e pela perda
associada aos fluxos que saem da caldeira. Assim, as perdas são representadas em três parcelas:
perdas pela chaminé, perdas por convecção e perdas por purgas. Já os fornos possuem perdas por
transferência de calor, por vazamentos na estrutura do forno e pelos gases de exaustão.
A minimização de perdas nestes equipamentos é possível através de diversas medidas práticas de uso racionais. No caso dos fornos, pode-se mencionar a programação da utilização contínua
evitando a perda do aquecimento inicial do equipamento, manter portas ou tampas fechadas após o
uso e eliminar perdas por frestas, estimar o consumo específico (kWh/unidade de produção) e comparar com os valores típicos para serviços semelhantes, e operar o forno próximo da sua capacidade
nominal, posto que o consumo específico aumenta com a redução da carga. Para as caldeiras, como
medidas relacionadas ao uso racional e eficiente, podem-se citar: a aferição da temperatura dos gases de escape próximos a valores usuais, a regulagem correta da chama, a possibilidade de aumentar
a temperatura da água de alimentação da caldeira e pré-aquecer o ar de combustão (reduzindo o
consumo de combustível), a eliminação de vazamentos no sistema de distribuição de vapor e o isolamento de equipamentos e tubulações.
Fogões
Os fogões a lenha não promovem a combustão completa dos vapores, provocando poluição
com a emissão de monóxido de carbono. O fogão solar apresenta a vantagem de utilizar um energético limpo, mas conta com um processo de baixo controle, uma vez que o funcionamento deste tipo
de fogão demanda a radiação solar direta. A cocção por indução magnética é uma tecnologia recente, na qual um componente ferromagnético, como a panela, é aquecido por correntes eletrônicas no
próprio material, a partir de um campo eletromagnético variável. Possui elevada eficiência (entre 75
e 85% contra 45 a 55% de métodos que utilizam radiação convencional). No entanto o alto custo
desta opção tecnológica reduz sua acessibilidade. O fogão elétrico, apesar de já constituir uma tecnologia convencional difundida em países mais desenvolvidos e de apresentar vantagens técnicas
como eficiência, controle e segurança, ainda registra entraves em âmbito nacional relacionados a
custo e acesso.
Como medidas de utilização racional e eficiente de fogões são sugeridas a utilização do máximo da capacidade do equipamento, evitando perdas de calor. Recomenda-se também a redução de
temperaturas e do preaquecimento. A manutenção adequada, através da limpeza constante e revisões, bem como a utilização de panelas que aumentem a eficiência do processo de cocção, contribuem para o aumento de eficiência energética dos fogões.
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10.3.2 ASPECTOS SOCIAIS DAS TECNOLOGIAS DE FORNOS, CALDEIRAS E FOGÕES
Neste item procurou-se dar maior ênfase às questões sócias associadas a essas tecnologias.
112
Fornos
Em relação aos fornos amplamente usados nos setores comercial e industrial, é possível aumentar sua eficiência por meio da otimização de processos, calor utilizado, controle da velocidade e
utilização de componentes mais eficientes.
A adoção em massa de medidas para essas otimizações não acarretariam impactos negativos
quanto à funcionalidade e estética, já que a funcionalidade seria igual a dos equipamentos utilizados
anteriormente e não teríamos grandes mudanças estéticas, portanto não provocariam impactos negativos nesse quesito.
No que diz respeito à conscientização social e mudança de hábitos, haveria um pequeno impacto negativo, pois esses novos métodos otimizados seriam um pouco diferentes dos existentes atualmente, talvez necessitando de operações diferentes para a obtenção do mesmo resultado.
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção desses métodos de otimização
poderia influenciar positivamente a região, visto que demandaria a aquisição de vários equipamentos mais modernos e eficientes, o que poderia fazer com fosse necessária a instalação de novas fábricas e lojas na região para atender essa nova demanda, causando também um aquecimento no comércio local, pois muitas empresas necessitariam adquirir esses novos tipos de equipamentos.
Caldeiras
Em relação às caldeiras utilizadas nos setores comercial e industrial, é possível aumentar sua
eficiência por meio da otimização de processos, calor utilizado, controle da velocidade e utilização
de componentes mais eficientes.
A adoção em massa de medidas para essas otimizações não acarretariam impactos negativos
quanto à funcionalidade e estética, já que a funcionalidade seria igual a dos equipamentos utilizados
anteriormente e não teríamos grandes mudanças estéticas, portanto não provocariam impactos negativos nesse quesito.
No que diz respeito à conscientização social e mudança de hábitos, haveria um pequeno impacto negativo, pois esses novos métodos otimizados seriam um pouco diferentes dos existentes atualmente, talvez necessitando de operações diferentes para a obtenção do mesmo resultado.
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção desses métodos de otimização
poderia influenciar positivamente a região, visto que demandaria a aquisição de vários equipamentos mais modernos e eficientes, o que poderia fazer com fosse necessária a instalação de novas fábricas e lojas na região para atender essa nova demanda, causando também um aquecimento no comércio local, pois muitas empresas necessitariam adquirir esses novos tipos de equipamentos.
Fogões
Quanto ao setor residencial, a etiquetagem de fogões a gás visa estimular o aumento de eficiência na utilização de aparelhos domésticos a gás, e conta com a participação dos fabricantes.
A adoção em massa de substituições de tecnologias obsoletas para cocção de alimentos por
novos equipamentos com tecnologias mais eficientes não acarretariam impactos negativos quanto à
funcionalidade, já que a funcionalidade seria igual a dos equipamentos utilizados anteriormente e
teríamos alterações estéticas mais agradáveis, portanto provocariam impactos positivos no quesito
estético.
No que diz respeito à conscientização social e mudança de hábitos, haveria um pequeno impacto negativo, pois esses novos equipamentos podem ter uma operação diferente dos existentes
atualmente, talvez necessitando de operações diferentes para a obtenção do mesmo resultado.
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção dessas substituições poderia influenciar positivamente a região, visto que demandaria a aquisição de novos equipamentos mais
modernos e eficientes, o que poderia fazer com fosse necessária a instalação de novas fábricas e lojas na região para atender essa nova demanda, causando também um aquecimento no comércio local, pois muitas pessoas necessitariam adquirir esses novos tipos de equipamentos.
10.3.3 ASPECTOS AMBIENTAIS DAS TECNOLOGIAS DE FORNOS, CALDEIRAS E FOGÕES
Um dos objetivos perseguido neste trabalho é de computar todos os atributos associados a
113
cada tecnologia caracterizada para melhor avaliação no contexto do PIR. Pois, neste item se dá
maior ênfase às questões ambientais relacionadas às tecnologias de fornos, caldeiras e fogões.
Fornos
Os fornos elétricos quase não apresentam impactos ambientais negativos. Já os fornos a gás
natural liberam na atmosfera o dióxido de carbono (CO2), gás que contribui para o agravamento do
efeito estufa no planeta. Os fornos que se utilizam da queima de derivados de petróleo poluem mais
a atmosfera, pois além de liberarem o CO2, também liberam o CO, fruto da queima incompleta dos
compostos carbônicos, e também outras substâncias indesejáveis, como o dióxido de enxofre (SO2),
entre outras. Os fornos a lenha são os que mais poluem a atmosfera, pois além de liberarem o CO2,
também liberam o CO, fruto da queima incompleta dos compostos carbônicos, e também outras
substâncias indesejáveis, como dióxido de enxofre (SO2), material particulado, entre outras, além
do conseqüente desmatamento devido à sua extração da natureza.
Caldeiras
As caldeiras elétricas quase não apresentam impactos ambientais negativos. Já as caldeiras a
gás natural liberam na atmosfera o dióxido de carbono (CO2), gás que contribui para o agravamento
do efeito estufa no planeta. As caldeiras que se utilizam da queima de derivados de petróleo são as
que mais poluem a atmosfera, pois além de liberarem o CO2, também liberam o CO, fruto da queima incompleta dos compostos carbônicos, e também outras substâncias indesejáveis, como o dióxido de enxofre (SO2), entre outras.
Fogões
Os fogões elétricos quase não apresentam impactos ambientais negativos. Já os fogões a gás
natural ou GLP liberam na atmosfera o dióxido de carbono (CO2), gás que contribui para o agravamento do efeito estufa no planeta. Os fogões a lenha são os que mais poluem a atmosfera, pois
além de liberarem o CO2, também liberam o CO, fruto da queima incompleta dos compostos carbônicos, e também outras substâncias indesejáveis, como dióxido de enxofre (SO2), material particulado, entre outras, além do conseqüente desmatamento devido à sua extração da natureza.
10.3.4
ASPECTOS POLÍTICOS DAS TECNOLOGIAS DE FORNOS, CALDEIRAS E
FOGÕES
Nas propostas dos programas de eficiência energética sempre se tem observado alguns conflitos dos interesses. Por isso, durante a caracterização é bom avaliar e analisar os possíveis conflitos de interesses e procurar meios de atenuar esses conflitos antes da implementação dos programas
que visam à questão da eficiência energética. Por esta razão, neste item procurou-se levantar as possíveis situações que podem levar a certos conflitos dos interesses na região.
Fornos
A otimização de processos, calor utilizado, controle da velocidade e utilização de componentes mais eficientes nos fornos ineficientes possui uma aceitação moderada pelas indústrias e comércios, pois esses equipamentos são caros e essas medidas demandariam um alto investimento inicial, porém, com a redução do desperdício de energia, este investimento retornaria após algum tempo e as indústrias e comércios passariam a ter um menor custo de produção, o que ocasionaria uma
maior lucratividade.
Perante o governo e as ONG’s esses possui uma boa aceitação, pois reduziria bastante a
demanda energética. Para essa substituição ser mais aceitável pelas indústrias e comércios, o governo precisaria investir em mecanismos de incentivo para que estes não demorem tanto para ter o retorno de seu investimento.
Caldeiras
A otimização de processos, calor utilizado, controle da velocidade e utilização de componentes mais eficientes nas caldeiras de baixa eficiência utilizadas atualmente possui uma aceitação
moderada pelas indústrias e comércios, pois esses equipamentos são caros e essas medidas demandariam um alto investimento inicial, porém, com a redução do desperdício de energia, este investi-
114
mento retornaria após algum tempo e as indústrias e comércios passariam a ter um menor custo de
produção, o que ocasionaria uma maior lucratividade.
Perante o governo e as ONG’s esses possui uma boa aceitação, pois reduziria bastante a demanda energética. Para essa substituição ser mais aceitável pelas indústrias e comércios, o governo
precisaria investir em mecanismos de incentivo para que estes não demorem tanto para ter o retorno
de seu investimento.
Fogões
A substituição de fogões a gás de tecnologias obsoletas e ineficientes por fogões novos de
alto desempenho possui uma aceitação baixa pela população, pois esses equipamentos são relativamente caros e essa troca demandaria um alto investimento, que só retornará para o consumidor após
muito tempo de uso.
bastante o consumo energético para a cocção de alimentos. Para essa substituição ser mais aceitável
pela população, o governo precisaria investir em mecanismos de incentivo para que a população
não demore tanto para ter o retorno de seu investimento. Esses produtos não correm riscos de exposição cambial, pois são fabricados no próprio país.
11
TECNOLOGIAS DE FORÇA MOTRIZ VEICULAR
As tecnologias da força veicular são umas das tecnologias mais consumidoras de energia.
Portanto, não poderiam ser ignoradas na caracterização a ser feita neste trabalho. Com objetivo de
levantar o potencial do dos recursos do lado da demanda procurou-se caracterizar detalhadamente
essas tecnologias com intuito de detectar onde podem ser aplicados os programas de conversão, introduzindo as mais eficientes em substituição das menos eficientes.
11.1 INTRODUÇÃO
De acordo com o Balanço Energético Nacional de 2005, mais de um quarto da energia consumida nacionalmente é destinada ao setor de transportes. Automóveis, navios, aviões, trens, e outros, fazem uso dos mais variados combustíveis, majoritariamente derivados de petróleo, para se
movimentarem. A capacidade de transporte é profundamente influenciada pela disponibilidade de
energia, desde a utilização de veículos baseados em rodas, embarcações fluviais e marítimas, locomotivas, veículos automotores, aeronaves, submarinos, fazendo uso de diferentes energéticos, como
carvão, petróleo, gás natural, eletricidade, energia nuclear, hidrogênio, energia solar ou eólica, entre
muitos outros.
11.2 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS TECNOLOGIAS DA FORÇA MOTRIZ VEICULAR
A força motriz móvel é constituída, em sua maioria, por motores de combustão interna, que
também possuem aplicação industrial no acionamento de máquinas da construção civil, como tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, acionamento de sistemas hidrostáticos, entre outros. Tais motores possuem perfis diferenciados quanto à configuração
(êmbolo ou rotativos), ciclo (de quatro ou dois tempos), combustível utilizado (Gasolina, diesel, gás
natural, GLP, hidrogênio, álcool), configuração da câmara de combustão, ignição (por compressão
– ciclo Diesel, ou faísca - ciclo Otto) e método de controle de carga e arrefecimento.
O processo de funcionamento está representado nas figuras Figura 66 a Figura 77.
115
•
O motor e seus componentes
Sistema de admissão
Termostato
Sistema de exaustão
Sistema de resfriamento
Sistema de ignição
Cárter
Sistema de lubrificação
Figura 66: Esquema de um motor a combustão
Figura 67: Motor a combustão - Sistema “as built”
116
Figura 68: Esquema do motor a combustão
117
Figura 69: Motor a combustão
Parâmetros de classificação
• Aplicação
– transportes, geração de energia, cogeração
• Configuração do motor
– Êmbolo (subdividem-se em “linha”, “em V”...), rotativos (tipo Wenkel)
• Ciclo
– Quatro ou dois tempos
• Combustível
– Gasolina, diesel, gás natural, GLP, hidrogênio, álcool...
• Configuração da câmara de combustão
• Ignição
– Faísca, compressão
• Método de controle da carga
– Controle da mistura ar-combustível ou apenas do combustível
• Método de arrefecimento
– A água, a ar
118
• Configurações
•
Motor a gasolina
quatro tempos
•
Motor Diesel
quatro tempos
•
Dois tipos de motor/ combustível
– Gasolina (pré-mistura)
– Diesel (difusão)
Dois tempos / quatro tempos
– Admissão
– Compressão
– Combustão
– Escape
Pontos problemáticos
– Desempenho
– emissões
Motor a gasolina
dois tempos
Figura 70: Tipos de ciclos de motores a combustão
Os ciclos Otto e Diesel
• Ciclo Otto
– Os motores desse ciclo são também conhecidos por motores de ignição por faísca
(ou motores de explosão). Utilizam gasolina ou combustíveis gasosos. Nesse tipo de
motores a energia de ativação necessária para iniciar a combustão é fornecida através
da liberação de uma faísca entre os eletrodos de uma vela.
• Ciclo Diesel
– Nos motores de ignição por compressão, usualmente denominados motores Diesel, o
combustível utilizado é o óleo diesel ou um outro mais pesado (menos refinado). O
ar introduzido na câmara de combustão (cilindro) sofre uma compressão muito superior à que ocorre nos motores Otto. Como conseqüência a sua temperatura atinge um
valor suficientemente elevado para iniciar a combustão de uma forma espontânea.
119
Tabela 11: Características dos motores a combustão
Ciclo Otto – quatro tempos
IV = válvula de admissão
EV = válvula de escape
SP = vela
P = pistão
PR = anéis do pistão
CC = câmara de
combustão
CR = biela
CS = virabrequim
Figura 71: Esquema de um motor de quatro tempos
120
• Tempo 1 - Admissão
•
O pistão começa a descer (até o ponto morto inferior), a pressão cai
(pressão negativa) e a mistura ar/combustível é sugada para a câmara de
combustão (cilindro).
Figura 72: Funcionamento de um motor de quatro tempos
• Tempo 2 - Compressão
•
O pistão começa a subir, as válvulas estão fechadas, a mistura ar +
combustível é comprimida, a temperatura aumenta.
121
• Ignição (durante o tempo 2)
•
Próximo ao final da compressão a ignição dá início à combustão, que ocorre
rapidamente (explosão).
• Tempo 3 - Expansão
•
O pistão é empurrado para baixo produzindo trabalho. O volume aumenta, a
pressão e a temperatura diminuem.
122
• Tempo 4 - Escape
•
Quando o pistão atinge o ponto morto inferior, a válvula de escape é aberta
e o pistão começa a subir e expulsa os gases (produtos da combustão).
Ciclo Diesel – quatro tempos
Figura 77: Esquema de funcionamento do ciclo diesel
11.3 CARACTERIZAÇÃO DAS DIMENSÕES DAS TECNOLOGIAS DA FORÇA VEICULAR
As exigências da moderna sociedade em locomover a longas distanciam, de transporte nos
centros urbanos e outras fins faz com que o uso dessas se torna cada vez mais intensivo e indispensável. Por outro lado, devido o consumo dos diversos energéticos por estas tecnologias, consequen-
123
temente, os problemas que causam ao meio ambiente, fazem necessário um estudo minucioso dos
atributos associados às dimensões técnico-econômicos, sociais, ambientais e políticos para melhor
escolher as que menos provocam os danos ambientais e causam conflitos sócio-políticos.
11.3.1 ASPECTOS TÉCNICO-ECONÔMICOS DAS TECNOLOGIAS DA FORÇA VEICULAR
Ainda que possam funcionar a álcool, são movidos basicamente a combustíveis derivados do
petróleo, de cujo montante o óleo Diesel representa cerca de metade. Para atender a esta demanda, o
Brasil importa cerca de 100 mil barris de Diesel por dia, o que justifica o desenvolvimento de políticas de eficientização energética e racionalização desse combustível. Tais políticas prestam-se igualmente à redução de impactos relacionados ao consumo intenso de energia não-renovável, como
a emissão de poluentes causadores de aquecimento global e a geração de material particulado e resíduos tóxicos.
A fim de eficientizar o consumo e melhorar o rendimento de motores, apontam-se uma série
de medidas de desenvolvimento tecnológico. Novos métodos de turbocompressão podem contribuir
para a redução de consumo de combustíveis, uma vez que estes são capazes de aumentar a potência
máxima de um ciclo de combustão, alterando a densidade do ar introduzido no cilindro, mantendo a
quantidade de combustível queimado por ciclo e por cilindro. Equipamentos para uma recuperação
mais eficiente de calor, sistemas de ignição mais robustos para cargas elevadas em aplicações industriais e desenvolvimento da tecnologia dos geradores permitirão uma taxa mais alta de conversão energética.
Como medidas de uso racional a fim de reduzir o consumo energético veicular, podem-se
apontar o funcionamento correto do veículo, desde a utilização correta das marchas e do acelerador,
até a pressão de ar correta dos pneus.
Os parâmetros técnicos são apresentados na Tabela 12.
124
Tabela 12: Melhorias a serem desenvolvidas nos motores a combustão
11.3.2 ASPECTOS SOCIAIS DAS TECNOLOGIAS DA FORÇA VEICULAR
Com a eficientização de sistemas de combustão em diferentes modalidades, como o uso eficiente de combustíveis no setor veicular e a seleção de combustíveis para sistemas de combustão
em motores de uso veicular, pretende-se obter um ganho de eficiência no uso de derivados de petróleo e gás natural nos próximos anos sem afetar o nível de atividade dos setores econômicos.
A adoção em massa da substituição dos motores veiculares convencionais por motores de alto rendimento não acarretariam impactos negativos quanto à funcionalidade e nem quanto à estética,
já que esses outros modelos de motores terão a mesma funcionalidade e estética parecida com os
utilizados anteriormente. O mesmo pode-se dizer no caso de substituição de combustível dos motores.
No que diz respeito à conscientização social e mudança de hábitos dos consumidores, não
haveria um impacto muito significativo, pois essas novas metodologias não afetariam muito a operação e manutenção dos motores. Mas poderemos notar um impacto positivo na saúde pública e no
gasto em limpeza das edificações, pois com a eficientização da combustão, menos resíduos sólidos
serão lançados na atmosfera, reduzindo o número de internações por problemas respiratórios e sujando menos as fachadas das edificações.
No que tange à influência no mercado de trabalho, a adoção de motores e combustíveis mais
125
eficientes poderia influenciar positivamente a região, visto que não há uma produção grande de motores de alta no mercado, e a grande demanda causada pela adoção em massa desses novos equipamentos faria com que fosse necessária a instalação de novas fábricas e distribuidores na região para
atender essa nova demanda, causando também um aquecimento no comércio local, pois muitos necessitariam adquirir esses novos tipos de equipamentos.
11.3.3 ASPECTOS AMBIENTAIS DAS TECNOLOGIAS DA FORÇA VEICULAR
Os motores a combustão que mais poluem a atmosfera são os que utilizam derivados de petróleo, como o óleo diesel e a gasolina, pois além de liberarem CO2, também liberam CO e outras
impurezas, como enxofre, entre outras.
Os motores a combustão que utilizam gás natural, biodiesel ou álcool poluem bem menos a
atmosfera, pois liberam em sua grande maioria o CO2, pois sua queima é praticamente completa,
acarretando menores impactos negativos ao meio-ambiente. Já os motores que utilizam o hidrogênio possuem praticamente zero de impacto ambiental negativo, pois de sua combustão forma-se apenas água.
11.3.4 ASPECTOS POLÍTICOS DAS TECNOLOGIAS DA FORÇA VEICULAR
A eficientização de sistemas de combustão em diferentes modalidades, como o uso eficiente
de combustíveis no setor veicular e a seleção de combustíveis para sistemas de combustão em
motores de uso veicular, possui uma aceitação baixa pela população, indústrias e comércios, pois
esses procedimentos são relativamente caros e essa troca demandaria um alto investimento, que só
retornará para o consumidor após muito tempo de uso.
Perante o governo e as ONG’s esses procedimentos possuem uma boa aceitação, pois reduziria bastante o consumo energético veicular, diminuindo também as emissões de gases poluentes e,
conseqüentemente, os impactos ambientais negativos.
Para esses procedimentos serem mais aceitáveis pela população, o governo precisaria investir em mecanismos de incentivo e de conscientização da população sobre o retorno do capital investido, e também para que a população não demore tanto para ter o retorno de seu investimento.
Após a etapa de caracterização das tecnologias dos usos finais feita nos itens anteriores, procede-se com a caracterização dos recursos da demanda e cálculos dos potenciais teóricos de cada
uso no próximo, conseqüente, serão também analisadas as possíveis aplicações das tecnologias acima caracterizadas no trabalho, buscando avaliar os potenciais realizáveis e do mercado.
12
CARACTERIZAÇÃO DOS RECURSOS
NISTRATIVA DE ARAÇATUBA (RAA)
DO
LADO
DA
DEMANDA
DA
REGIÃO ADMI-
Nos itens anteriores foram caracterizadas as tecnologias de usos finais. Neste item, antes de
tudo, serão caracterizados os recursos do lado da demanda para posteriormente serem feitas as estimavas dos seus potencias teóricos.
Pois, o planejamento Integrado dos Recursos Energéticos busca contemplar múltiplos objetivos dentro do ambiente do planejamento do setor energético. Esses objetivos são os econômicos,
sociais, ambientais e políticos. Portanto, estudo visa caracterizar de uma maneira sucinta todas as
opções do Lado da Demanda, avaliar os seus potenciais, levantar as tecnologias mais eficientes e os
seus impactos, propor as substituições e com isso determinar o potencial resultante deste Gerenciamento do Lado da Demanda. Finalmente, serão analisados os seus custos, feitos os cálculos da economia de energia. Depois de definidos os potenciais será feita a integração dos recursos da demanda
para serem posteriormente integrados com os da oferta, assim permitindo a futura construção de
carteira de recursos e completando uma das principais etapas do PIR-Planejamento Integrado dos
Recursos.
Para elaboração dos procedimentos dos cálculos neste trabalho foi adotada a metodologia,
que considera todos os usos finais de energia em todos os setores das atividades econômicas da Re-
126
gião Administrativa de Araçatuba.
12.1 INTRODUÇÃO
Uma das características essenciais do PIR, conforme dito, é a avaliação conjunta de recursos
energéticos do lado da oferta e da demanda. Desta forma, qualquer que seja a procedência de um
recurso energético, este exerce a função de disponibilizar energia, seja através de geração ou através
de medidas de eficientização dos usos finais.
A energia conservada ou economizada, obtida através do Gerenciamento do Lado da
Demanda é vista no PIR como um recurso, equivalente aos recursos de suprimento, através do qual
é possível: a postergação de investimentos no setor energético bem como seus conseqüentes
impactos ambientais; o uso racional de recursos naturais e o atendimento a parte do crescimento da
demanda. O custo desse gerenciamento, de acordo com inúmeros estudos e projetos de
eficientização energética, é bastante inferior ao da ampliação da oferta energética, posto que a
energia de uso final, disponível para consumo, deriva dos demais processos da cadeia produtiva de
eletricidade, [Jannuzzi e Swisher, 1997].
Assim, o Modelo de Análise de Recursos do Lado da Demanda a partir de sua caracterização
e avaliação, pretende considerar os diversos custos e benefícios de alternativas energéticas de
demanda nas dimensões social, política, ambiental e técnico-econômica, permitindo, no processo de
planejamento, uma avaliação de viabilidade menos restrita e mais condizente com o paradigma
atual e com tendências de desenvolvimento limpo e sustentável. A análise de recursos passa por
uma ponderação de todos os seus atributos (fatores positivos e negativos) nos quatro campos citados
e pela estimativa de seu potencial energético, tanto em termos teóricos quanto em termos factíveis
de implantação, considerando suas restrições e limitações referentes a cada uma das quatro
dimensões de análise.
Para a Caracterização e Análise de Recursos Energéticos de Demanda são levantados,
analisados e caracterizados todos os recursos e tecnologias relacionadas ao gerenciamento da
demanda energética. Os recursos são descritos e discriminados de acordo com grupos de medidas e
tecnologias, e suas respectivas aplicações nos diversos setores energéticos. Tais recursos são, desta
forma, classificados e organizados para que sejam submetidos a uma análise completa (envolvendo
quatro dimensões de avaliação, divididas em atributos e sub-atributos) que permitirá apontar
impactos positivos e negativos referentes à sua adoção.
Após esta etapa, procede-se à formulação e à delimitação dos Potenciais Energéticos
Teórico, Realizável e de Mercado de recursos do lado da demanda. Primeiramente são
determinados procedimentos para a estimativa dos potenciais teóricos dos recursos caracterizados,
ou seja, potenciais absolutos de utilização de recursos energéticos, negligenciando limitações de
ordem técnica ou geográfica. Em seguida, são definidos potenciais realizáveis ou práticos,
incorporando diversas restrições de ordem técnica, operacional, econômica, assim como obstáculos
referentes a impactos ambientais. Por último, o potencial de mercado incorpora impactos sociais,
pressões dos diversos atores energéticos envolvidos e incertezas dinâmicas de mercado. Este
potencial pretende indicar as reais possibilidades de implantação e realização de iniciativas de GLD
para o instante considerado de análise.
O modelo de análise de recursos do lado da demanda pode contar com diferentes
ferramentas práticas para a elaboração do cômputo das avaliações e a mensuração dos potenciais
energéticos. Em nosso caso utilizaremos, para o Estudo de Caso, ferramentas consolidadas no
Planejamento Integrado de Recursos, como a Avaliação dos Custos Completos e o Cálculo de
Potenciais Energéticos.
Dentro da premissa do PIR de avaliação conjunta e eqüitativa entre recursos de oferta e
demanda, é possível aliar este modelo a um modelo de análise de Recursos Energéticos de Oferta, e
assim constituir uma das etapas fundamentais do PIR, de Integração de Recursos de Oferta e
Demanda. A seguir, na Figura 1, tem-se um diagrama da Modelagem Completa e Análise dos Recursos Energéticos do Lado da Demanda, mostrando as etapas do modelo, suas inter-relações e a
ordem hierárquica de elementos de cada etapa. Também serão apresentados os modelos utilizados
127
para a caracterização completa dos recursos do lado de demanda para cada setor das atividades econômicas (residencial, comercial, industrial e agrícola) durante o desenvolvimento deste trabalho.
Figura 78: Diagrama da Modelagem Completa e Análise dos RELD
Fonte: Dissertação de Mestrado, [Baitelo R. L., 2006]
12.2 CARACTERIZAÇÃO DOS RECURSOS DO LADO DA DEMANDA DA RAA
A caracterização feita neste trabalho foi baseada no modelo apresentado na Figura 78 e
complementada com os modelos de análise dos setores específicos das atividades econômicas, que
são mostrados ao longo do desenvolvimento deste trabalho.
Neste item busca-se dar mais enfoque ao esclarecimento do modelo geral de estudo utilizado
para esta avaliação dos potenciais de demanda, [4].
Portanto, o modelo incorpora em si os elementos tais como:
- Recursos do Lado de Demanda: são recursos dos usos finais e as medidas do gerencia-
128
mento do Lado da Demanda que quando aplicadas podem proporcionar uma determinada economia
de energia nos principais setores de consumo: residencial, comercial, industrial e agrícola;
- Levantamento dos Impactos positivos e negativos: no modelo considera-se todos os possíveis impactos que podem resultar dos usos finais, das aplicações das medidas de eficiência do
GLD, sendo estes podem viabilizar ou não os recursos em análise. Para isso, são levantados os impactos em todas as dimensões do PIR: Técnico-Econômica, Ambiental, Social e Política;
- Formalização e Cálculo dos Potenciais: depois de levantados os recursos da demanda e
impactos envolvidos são efetuados os cálculos dos potenciais. Inicialmente o potencial teórico. Em
seguida são calculados os potenciais realizável e do mercado.
12.2.1 RECURSOS ENERGÉTICOS DO LADO DA DEMANDA DA RAA.
Podemos definir os Recursos Energéticos do Lado da Demanda (RELD) através da seguinte
fórmula:
RELD = Usos Finais + Medidas de GLD + Setores de Consumo.
Os principais Usos Finais são os seguintes, [19]:
• Iluminação
o Lâmpadas Incandescentes
o Lâmpadas de Descarga
o Lâmpadas de Indução
o Lâmpadas de Enxofre
o LED’s
•
Refrigeração
•
Condicionamento Ambiental
•
Aquecimento de Água
•
Força Motriz Estacionária
•
Fornos, Caldeiras e Fogões
o Autofornos, rotativos, incineradores,
elétricos
o Caldeiras flamotubulares e aquotubulares (utilizando combustíveis sólidos, líquidos
e gasosos)
o Fogões elétricos ou utilizando combustíveis sólidos, gás ou energia solar
•
Força Motriz Veicular
o Configuração (êmbolo, rotativos)
o Ciclo (2 ou 4 tempos)
o Combustível (gasolina, álcool, diesel, GNV)
As Medidas de Gerenciamento pelo Lado da Demanda são as seguintes:
• Controle da Carga: Este tipo de controle pode ser realizado de diferentes formas. O consumidor pode controlar cargas por meio de equipamentos que restrinjam o tempo de uso ou
detectem um nível específico máximo de demanda de determinadas cargas. Tais serviços
podem ser ainda solicitados às concessionárias, que o executam por meio de controle remoto
de sinal. É possível controlar individualmente, tanto de forma remota quanto no próprio local, equipamentos de pequeno ou grande consumo, além de sistemas de condicionamento
ambiental ou aquecimento de água, tanto no setor residencial quanto nos setores comercial e
industrial.
Principalmente nos dois últimos setores, é fundamental a escolha das cargas a serem controladas; na indústria devem ser priorizadas cargas de utilidades que não interfiram diretamente no
129
processo de produção. Determinados processos de produção são contínuos, impossibilitando o desligamento das máquinas envolvidas. Em alguns casos, entretanto, é possível atuar em fornos e estufas, que possuem inércia térmica definida e podem ser controlados em função de sua temperatura.
Nos ítens seguintes, descrevemos brevemente algumas alternativas de controle de carga para o consumidor final.
Interruptores Horários (Time Clock)
Este tipo de controlador desliga um equipamento por um período determinado de tempo (por
exemplo, 25% do tempo de funcionamento, ou 15 minutos por hora), ou até em regimes prédeterminados de rodízio, através de sinais enviados a receptores instalados nas residências ou por
meio de micro-motores que comandam o relógio e o disco de programação (diário ou semanal). Pode-se ainda pré-agendar horários de desligamento, ou mesmo interromper uma carga, evitando uma
sobrecarga do sistema.
São largamente utilizados em todos os setores e podem ser aplicados a aquecedores elétricos, painéis e luminosos, balcões frigoríficos, sistemas de condicionamento, entre outros. Tarifas
pelo horário de uso podem servir como sinal para este tipo de controlador. Em se pensando em longo prazo, pode ser que um consumidor opte por aparelhos de armazenamento de energia, a fim de
evitar contratempos.
Limitador de Corrente
Limitar a demanda máxima de um consumidor através do uso de limitadores de corrente é
um sistema que ajuda, de maneira direta, a melhorar o fator de carga. Pode-se sugerir a redução da
demanda a determinados níveis em períodos de pico que, ao superados, acionam o limitador de corrente até que a carga seja reduzida. É um sistema bastante usado no norte da Europa, principalmente
para os pequenos consumidores (residências e pequenas unidades de comércio). Um programa com
limitadores de corrente foi desenvolvido pela CEMIG na cidade de Alfenas em 1999, [17].
Termostatos
Este sistema prevê o uso de um termostato ligado a um controle que liga ou desliga o aparelho, quando uma dada temperatura é atingida. Define-se para isso temperaturas máxima e mínima,
que podem ser distintas ao longo de um dia ou ao longo de uma estação.
Durante um dia de verão, por exemplo, a temperatura pode ser mais alta no horário de pico,
para que se diminua o consumo de energia neste horário crítico do sistema. Durante o inverno, este
ajuste deve ser refeito.
Muita atenção se dá a necessidade de um ajuste perfeito deste tipo de sistema. São muitas
variáveis (pico e fora de pico, verão e inverno) e um ajuste mal feito pode levar a um consumo maior do que o normal.
Seletores de Circuito (interlock)
Este sistema usa um interruptor eletromecânico que abre ou fecha circuitos, para impedir
que duas ou mais cargas elétricas distintas ocorram ao mesmo tempo. Pode ser aplicado nos setores
comercial e industrial, para a redução de demanda nas horas de pico. No setor industrial deve-se,
contudo, observar o processo de produção associado a tal circuito, posto que determinadas cargas
não podem deixar de atuar. Ainda pouco difundido, por meio de tarifas é possível induzir o uso deste tipo de sistema.
Controlador de Demanda
O controlador de demanda é um aparelho cuja função básica é monitorar e limitar toda a
demanda de um consumidor. Bastante sofisticado, é utilizado principalmente para grandes consumidores industriais ou residenciais. Apesar do alto custo (que por vezes o torna desinteressante), o
aumento do preço da energia vai pouco a pouco tornando-o mais atraente.
Os controladores modernos usam microprocessadores e podem ser objeto de programação
computacional, tornando-se assim verdadeiros sistemas de gerenciamento de energia.
Há dois tipos básicos de controladores de demanda. O primeiro, denominado 'tipo cíclico', é
um sofisticado timer programado para evitar que certas demandas coincidam. Para tanto, ele minimiza a coincidência horária de operação de certos equipamentos, reduzindo com isso a demanda e
poupando energia.
130
O segundo tipo é denominado 'limitador de demanda'. O limitador trabalha com dados, obtidos por estudos específicos, sobre a potência máxima permitida a cada horário. Quando esta potência é atingida, alguma carga é reduzida ou desligada, seguindo méritos de importância e relevância
para operação global. A carga ora reduzida ou desligada vai voltando ao normal conforme a potência do sistema vai voltando ao curso global. Todo este controle é eletrônico e automático.
•
Substituição, Ajuste e Dimensionamento de Equipamentos;
Iluminação
Este uso final é responsável por cerca de 17% do consumo energético brasileiro e responde
por 44% do consumo do setor comercial e 23% do consumo residencial, [4] e [20]. Há diversas possibilidades de emprego de medidas de GLD neste uso final, como a substituição de lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes compactas, circulares ou o uso de tecnologias eficientes de
lâmpadas, luminárias e reatores. Pode-se considerar também a adoção de projetos de controle de
iluminação, visando eficientizar, principalmente nos setores público e comercial, o uso da iluminação interna e externa.
Diversos empreendimentos envolvendo a substituição de lâmpadas provaram-se eficientes
em termos de custo/benefício e capazes de alcançar resultados significativos a curto prazo. Como
pontos negativos a este tipo de substituição, temos impactos ambientais como a elevação de mercúrio no meio ambiente com o descarte das LFCs, e impactos de ordem técnica como o aumento de
distorções harmônicas no sistema.
As lâmpadas fluorescentes contêm substâncias químicas nocivas ao homem, dentre elas o
mercúrio. O descarte das mesmas em aterros, sem descontaminação e cuidados de armazenamento,
é capaz de elevar consideravelmente os níveis de mercúrio no meio ambiente. Tal impacto pode ser
elevado se considerado o número de lâmpadas descartadas anualmente no Brasil, de 40 milhões, e
sentido em locais como aterros, através da contaminação do ar, do solo e das águas subterrâneas. De
acordo com dados da FUNASA, a inexistência de procedimentos adequados de reciclagem deste
tipo de lâmpadas produz uma quantidade anual de 600 kg de mercúrio lançado ao ambiente. Uma
simulação realizada para uma quantidade média de lâmpadas descartadas entre consumidores que
tenham aderido a programas de substituição mostra que a quantidade de mercúrio em locais de deposição de lâmpadas é bastante elevada mesmo para projetos em pequena escala.
Ainda como possibilidades de medidas de GLD ligadas à iluminação, houve nos EUA, a
substituição de lâmpadas de 150 W utilizadas em semáforos por LEDs de apenas 9W, a um tempo
de retorno de 2 anos. O luminoso indicando a saída de veículos de estacionamento, que consome
40W, também pode ser substituído por LEDs de apenas 2W, gerando um potencial de conservação
de 1520 MW nos EUA, onde há 40 milhões de placas desse tipo. O departamento de energia norteamericano (DOE) trocou também seu sistema de iluminação com lâmpadas de mercúrio por um sistema a lâmpadas de enxofre, a metade do preço de troca das lâmpadas de mercúrio, economizando
70% da energia para um fluxo luminoso 4 vezes maior, [25].
Outro fator importante quanto à utilização de lâmpadas fluorescentes é a observação do aumento de distorções harmônicas de tensão e corrente, notavelmente superiores em lâmpadas fluorescentes compactas. A utilização obrigatória de reatores, que pode representar uma economia adicional de energia no caso de reatores eletrônicos, pode, por outro lado, implicar em uma menor confiabilidade e produção de ruídos eletromagnéticos devido às freqüências de trabalho na qual operam, reduzindo o fator de potência do conjunto. Tais problemas poderiam apenas serem sanados
pelo uso de reatores eletrônicos especiais, com fator de potência próximos a 1,00 e nível de interferência eletromagnética desprezível.
Motores Elétricos
No setor industrial, entre 50 e 60% da energia elétrica utilizada é consumida pelos motores
elétricos. A fim de aumentar a eficiência energética e reduzir o consumo deste tipo de equipamento,
é possível adotar diferentes medidas, tais como o redimensionamento, a substituição de equipamentos, utilizando motores de alto rendimento, a utilização de controle de velocidade, além de, obviamente, operação e manutenção corretas.
Estudos conduzidos na UFRJ, sobre uso eficiente de motores elétricos na indústria diagnos-
131
ticaram um superdimensionamento dos motores industriais naquele Estado, repercutindo em operações abaixo da faixa ideal de carregamento e quedas consideráveis de rendimento. Como oportunidades de uso mais eficiente de motores, foram sugeridas, [61]:
A substituição de motores padronizados por motores de alto rendimento, cujo interior é
constituído de material de melhor qualidade, elevando o seu rendimento em até 10%. O uso de motores de alto rendimento é aconselhável principalmente em processos contínuos, onde o motor opera
mais de 7000 horas por ano. Nos demais casos, é preferível analisar de forma mais criteriosa a viabilidade econômica desta substituição. Segundo o estudo, estimativas mais conservadoras, de um
aumento de rendimento de 2%, podem gerar uma economia de 2,4% de eletricidade, a um custo de
energia evitada de R$ 63/MWh. Se a substituição ocorrer no final da vida útil do motor, os ganhos
podem chegar a 3% e a economia de energia a 2,9% a um custo de energia evitada de R$ 41/MWh,
[61].
A eliminação de motores superdimensionados, que acionam cargas com requisição de potência muito abaixo da potência nominal do motor (inferior a 50%) representaria economias de energia de até 30%. De acordo com o estudo, a substituição de motores para adequação à carga, com
aumento do carregamento em 12% a um custo 70% adicional ao preço de motores de alto rendimento geraria um custo de R$37/MWh de energia economizada e uma diminuição do consumo de 2,1%,
[60].
O uso de inversores de freqüência para o controle de velocidade de motores é outra alternativa de alta eficiência, passível de aplicação em processos de controle de variáveis dos processos
industriais, principalmente vazão e pressão em sistemas de bombeamento. Controladores de velocidade desempenham um importante papel no aumento de eficiência dos motores, ajustando a velocidade para o uso requerido de motores de velocidades fixas, reduzindo o desgaste das partes mecânicas e contribuindo para uma economia de energia superior a 50% em alguns casos, [60].
As tecnologias de motores com velocidade variável, com motores de indução com rotores e
resistores variáveis e motores de indução e inversores de freqüência eletrônicos, são eficientes, mas
de preço elevado; um controlador inversor de freqüência para um motor de indução de 50 hp custa
aproximadamente US$20 mil, um custo muito superior ao do próprio motor.
A economia de eletricidade atingida, de acordo com estudos belgas é estimada em 18% com
um tempo de retorno de até 3 anos, ou de 31% com um tempo de retorno inferior a 10 anos, [58].
Refrigeradores
Posto que o refrigerador elétrico é responsável por aproximadamente um terço do consumo
residencial, pode-se obter um ganho expressivo em termos de redução de demanda a partir da adoção de equipamentos mais eficientes. Programas de substituição de refrigeradores podem ser conduzidos em parcerias, entre concessionária, fabricante de refrigeradores, lojas e programas de eficiência energética, como no exemplo da Light com o Procel, no qual revendedores e clientes obtiveram benefícios (o consumidor pôde reduzir seu valor de fatura de eletricidade e as lojas obtiveram
lucro econômico).
No setor residencial a substituição de refrigeradores antigos por modelos eficientes pode gerar, segundo o Procel, uma economia de eletricidade entre 30 e 40%, [47]. De acordo com um estudo de caso conduzido por Januzzi, a substituição de refrigeradores nacionais, num período entre
2005 e 2020, seria capaz de gerar uma economia de 43% no uso de eletricidade, com um tempo de
retorno de 7 anos e uma economia nacional acumulada de 80 TWh, [18].
No caso dos setores comercial e industrial, o emprego de instalações de refrigerações amplia
as possibilidades de eficientização energética para medidas como a troca de equipamentos da casa
de máquinas, expositores frigoríficos e linhas atuais. Pode-se optar pelo uso de sistemas de refrigeração mais compactos e sistemas de sub-resfriamento através de injeção de vapor.
As práticas de controle de capacidade nos compressores (para evitar picos de partida) e controladores de velocidade variável (para controle dos ventiladores dos condensadores) são algumas
das opções aplicáveis a sistemas de refrigeração. Estas podem gerar uma eficiência de 15% em média, de acordo com o tipo do sistema, condições de trabalho e manutenção dos equipamentos. A utilização de controladores de velocidade na refrigeração da indústria de alimentos pode gerar econo-
132
mias energéticas superiores a 50%.
Na refrigeração industrial, a reforma de plantas industriais, a fim de evitar a sobrecarga da
capacidade de refrigeração de produtos armazenados consiste em uma medida extremamente eficaz
de eficiência energética. A ampliação do centro de estocagem ou a transferência deste excedente
para novas áreas frigorificadas e o conseqüente aumento da potência frigorífica representam benefícios consideráveis para o usuário através da não elevação do consumo energético e o não rompimento de contratos de demanda acordados com as distribuidoras de energia. A aplicação de alguns
componentes, como o sistema de arrefecimento do compressor, pode ainda otimizar o sistema industrial, na medida em que colabora à não elevação do consumo energético, ao aumento de segurança do circuito (por evitar situações extremas de vazamento) e à manutenção do controle da temperatura de descarga do compressor.
Utilização de Ar Condicionado de Alta Eficiência
Os aparelhos de ar condicionado respondem por cerca de 20 por cento do uso de eletricidade
do setor comercial. Esta fração, contudo, aumenta para o caso de grandes edifícios comerciais, hotéis, ou shopping centers, onde pode superar metade do uso total de eletricidade. De acordo com a
Eletrobrás, calcula-se que aparelhos de ar condicionado de potência entre 1 e 2 kW gastem entre
240 e 500 kWh por mês, [32]. Posto que a maior parte dos condicionadores tem mais de dez anos de
fabricação, e portanto possuem eficiência inferior, pode-se atingir uma redução de consumo superior a 30% com a substituição dos mesmos por sistemas mais modernos de condicionamento.
No caso do setor industrial, grande parte das instalações de ventilação e ar condicionado é
superdimensionada, pois são calculadas para condições ambientais extremas. Assim, há inúmeras
oportunidades de economizar energia em sistemas de ventilação e ar condicionado, como verificar a
possibilidade de elevar os níveis de temperatura utilizados nos ambientes servidos pelo ar condicionado; procurar operar compressores e chillers a plena carga em vez de dois ou mais com carga parcial; reduzir o fluxo de ar para todas as áreas ao nível mínimo aceitável; verificar perdas e operações irregulares do compressor.
•
Seleção e Substituição de Energéticos e Eficientização de Sistemas de Combustão;
Este grupo de medidas de eficientização energética não está voltado apenas para a energia
elétrica, e sim para o uso eficiente de combustíveis, a seleção de energéticos (dentro de critérios
técnicos e ambientais) e a utilização de energéticos em alternativa à rede elétrica.
Seleção e Substituição de Energéticos (em sistemas de combustão)
A seleção de combustíveis para sistemas de combustão, tanto em motores estacionários como em motores de uso veicular, pode resultar em benefícios de ordem econômica (no caso da seleção de um combustível de custo inferior ao combustível vigente) e principalmente ambiental (ao se
optar por um combustível com um menor nível de emissões atmosféricas). A substituição de combustíveis fósseis como o diesel e a gasolina por combustíveis mais favoráveis do ponto de vista ambiental como o gás natural, o álcool e o biodiesel, apesar de não implicar necessariamente em redução energética, resulta em benefícios principalmente ambientais, possibilitando inclusive a geração
de certificados de créditos de carbono.
Utilização de Energéticos em Alternativa à Rede Elétrica (GN, energia solar, etc)
A utilização de gás natural ou outros energéticos em substituição à rede elétrica para usos finais de condicionamento ambiental também pode render bons índices de eficiência além do recorte
da carga de demanda em períodos de pico. O uso de Gás Liquefeito de Petróleo tem diversas aplicações, essencialmente nos setores residencial e comercial.
A seleção e substituição de energéticos pode ser efetuada tanto no setor de transportes, quanto em aplicações residenciais, comerciais e industriais relacionadas a cocção, aquecimento de água
ou condicionamento ambiental, rendendo potenciais benefícios de ordem técnico-econômica (reduções tarifárias alívio do sistema em horários de sobrecarga), políticas (uso preferencial de combustíveis produzidos nacionalmente, de risco cambial inferior) e sociais (desenvolvimento de localidades isoladas do sistema e criação de empregos a partir da promoção de novas fontes).
Aquecimento de Água por Coletores Solares
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A substituição da eletricidade pela energia solar, em aplicações para aquecimento de água,
permite retirar a demanda devida ao uso de chuveiro elétrico de um consumidor residencial, usualmente no período da ponta do sistema elétrico. Seu campo de aplicação vai desde o fornecimento de
água quente para o uso doméstico, aquecimento de piscinas, podendo ser utilizados inclusive em
aplicações de climatização e refrigeração de alimentos. O uso de coletores solares, dispositivos tecnologicamente simples, pode ser aplicável a localidades com pequena demanda de energia a custos
médios de investimento, com tempos de retorno entre 5 e 7 anos.
Posto que o consumo de eletricidade destinado ao uso final de aquecimento pode até ultrapassar 20% do consumo total residencial, tem-se na utilização do aquecimento solar de água para
banho uma importante medida de GLD. Projetos do PROCEL desenvolvidos em 100 unidades habitacionais de Betim, Minas Gerais em parceria com a Caixa Econômica Federal, obtiveram resultados positivos de redução da conta de luz em 40% por conta da substituição do chuveiro elétrico,
[48].
Eficientização de Sistemas de Combustão (fogões, fornos, motores de combustão)
A eficientização de sistemas de combustão, em diferentes modalidades como o uso eficiente
de combustíveis no setor veicular, de motores no setor industrial e de fogões no setor residencial é
promovida pelo CONPET (Programa Nacional de Racionalização do Uso dos Derivados do Petróleo e do Gás Natural). O CONPET pretende obter um ganho de eficiência de 25% no uso de derivados de petróleo e gás natural nos próximos 20 anos, sem afetar o nível de atividade dos setores econômicos, [15].
Em relação ao setor de transportes, há o projeto EconomizAR, que fornece apoio técnico
gratuito ao aprimoramento da gestão do uso de combustíveis e lubrificantes, quanto à qualidade,
estocagem, consumo e nível de emissões do combustível utilizado em ônibus e caminhões. Há ainda
um projeto da Petrobrás, de ônibus a Gás Natural no Rio de Janeiro, transportando mais de 90 mil
passageiros por mês.
Quanto ao setor residencial, a etiquetagem de fogões e aquecedores a gás visa estimular o
aumento de eficiência na utilização de aparelhos domésticos a gás. Tal programa conta com a participação dos fabricantes representados pela Associação Brasileira de Indústria Elétrica e Eletrônica e
pela Associação Nacional de Fabricantes de Produtos Eletroeletrônicos.
Em relação a fornos e caldeiras, amplamente usados no setor industrial, é possível aumentar
sua eficiência por meio da otimização de processos, calor utilizado, controle da velocidade e utilização de componentes mais eficientes.
Projetos de Edificações Eficientes (ganhos em iluminação, ventilação, isolamento térmico,
condicionamento e uso de materiais
Projetos eficientes de edificações visam aproveitar ao máximo recursos naturais como luz,
ventilação, materiais adequados a cada região, economizando, desta forma, energia gasta com iluminação e condicionamento ambiental, usos finais responsáveis por grande parte dos consumos residenciais e comerciais, além dos consumos públicos e industriais, [46].
Edifícios devem considerar a orientação de aberturas e janelas a fim de aproveitar melhor a
incidência da luz e a ventilação. Por meio de artefatos construtivos pode-se impedir a penetração
direta de raios solares (que aquecem o ambiente, sobrecarregando o sistema de ar condicionado),
aproveitando, porém, sua luminosidade. Podem ser criadas entradas de luz natural pela cobertura da
edificação através de elementos construtivos como clarabóias ou coberturas de vidro, reduzindo a
necessidade do uso de luz artificial e utilizando sensores que regulam a capacidade das luzes vinculadas à intensidade da luminosidade natural.
Projetos de edificações comerciais tais como hospitais, restaurantes e aeroportos podem
buscar um melhor aproveitamento da iluminação natural através de soluções eficientes de arquitetura bioclimática, evitando o consumo energético convencional referente à iluminação. Tais ambientes não raro demandam a utilização de iluminação artificial durante todo o período comercial. Em
projetos de arquitetura bioclimática, são sugeridas entradas superiores e laterais de luz natural como
forma de suprir parte considerável da iluminação interna durante o dia. A luz artificial é então utilizada de forma complementar à iluminação natural, quando necessário.
134
Há ainda projetos que contemplam um melhor aproveitamento da água e da energia utilizada
internamente, além da monitoração e o controle de equipamentos com a utilização de CLPs. Projetos conduzidos pela COPPE e pelo Centro de Análise de Sistemas Alternativos de Energia, da Universidade Estadual do Oeste do Paraná, alcançaram economias de energia de até 60%, com custos
de implantação de 5% acima da média, [58].
As residências utilizadas nos projetos contavam com desenhos inovadores com modernas
tecnologias, obtendo o melhor aproveitamento tanto da ventilação quanto da insolação disponíveis,
bom isolamento térmico, possibilidade de armazenamento da água da chuva e iluminação suplementar de luz natural através de aberturas zenitais. Projetos de maior escala podem ser empregados
nos setores comercial (hotéis e hospitais), industrial e público, voltados para uma maior eficiência
de sistemas de iluminação, bombeamento e condicionamento ambiental e isolamento térmico.
No caso da região de estudo, Araçatuba, de iluminação solar abundante, edificações residenciais e comerciais podem beneficiar-se de medidas bioclimáticas, reduzindo o consumo de usos finais como a iluminação.
Projetos de Edifícios com os Sistemas de Iluminação Natural através da Utilização de Fibras
Óticas
A integração efetiva da luz natural com o sistema de iluminação artificial ocorre apenas
quando este pode ser ligado ou desligado em função dos níveis de iluminação natural que atingem a
superfície de trabalho dos ambientes. Portanto, neste caso, a economia de energia em iluminação
pode ser alcançada através da integração efetiva de iluminação natural e artificial em edificações,
considerando o uso das novas tecnologias, como fibras óticas, que são avaliados como meio de
transportar luz natural para o fundo dos ambientes onde o suprimento de luz natural é baixo, [figura
81]. Aplicação destas tecnologias nos usos finais contribuirá para a redução do consumo de energia
em iluminação e da poluição ambiental associada ao consumo de energia em edificações, [16].
Figura 79: Sistema de Fibras Óticas e Interior do EdifícioTarifação e Regulação
A tarifação é um elemento essencial para o sucesso de programas de GLD, tanto como medida isolada de controle de demanda, quanto implementada em conjunto com outras ações, como a
substituição de equipamentos ou o armazenamento de energia. As tarifas, a partir de seu sinal econômico, são um fator essencial na motivação dos consumidores em relação à adoção de programas
de GLD, pois os incentivam a ter um maior controle sobre seu consumo e conseqüente gasto mensal
em energia elétrica. A tarifação, com o modelo antigo de empresas verticalizadas, trazia benefícios
à concessionária, como a redução do custo marginal da energia com a postergação de investimentos
de ampliação da oferta, a retenção de carga e a promoção da empresa, ao oferecer alternativas de
uso racional e eficiente da energia. No atual contexto de mercado, pode-se considerar a tarifação
como um instrumento de controle de demanda e redução de gastos energéticos por parte de grandes
consumidores.
A partir da regulação, temos alguns pontos principais relativos à problemática da composição de tarifas, que devem ser equilibrados de modo a satisfazer as necessidades e interesses dos en-
135
volvidos na questão energética, sejam eles empreendedores, empresários ou consumidores. Estes
pontos a serem alcançados são a minimização do custo da eletricidade ao consumidor, a preservação da viabilidade econômica das concessionárias e, evidentemente, a abordagem de questões de
ordem sócio-ambiental.
Dentre os principais tipos de tarifas visando o GLD pelo lado do consumidor, podemos citar
tarifas de interrupção, tarifas variáveis no tempo, tarifação em tempo real e tarifas para blocos de
consumo, descritas nos próximos sub-ítens.
Tarifas de interrupção
As tarifas de interrupção são um modo de vender energia sem vender capacidade. Utilizada
majoritariamente no setor industrial, possibilita que o consumidor opte por um decréscimo de confiabilidade em troca da cobrança reduzida de demanda. São oferecidos créditos aos consumidores caso eles permitam que o suprimento de energia elétrica seja interrompido após um período especificado de tempo avisado pela concessionária. A freqüência de interrupções, a duração e o volume de
kilowatts de carga por interrupção podem ser escolhidos, e o crédito é calculado para cada variação
de condição.
Tarifas variáveis no tempo
Conhecidas em inglês como time-of-use (TOU), são uma forma de precificação diferenciada
de energia e demanda, refletindo variações nos custos de produção da empresa concessionária, que
podem ocorrer de acordo com estações, períodos do ano, ou inclusive do dia. Medidores especiais
são instalados para detectar o consumo durante horários de pico, intermediários e fora de pico. Um
exemplo simplificado desta tarifa é a horosazonal, que varia segundo a hora do dia e a estação. Tarifas diferenciadas ao longo do tempo são essencialmente aplicadas para mudar a demanda e o consumo, através de um sinal de preço fixado para cada período, de forma a informar com antecedência
o perfil de consumo ao consumidor final.
Tarifação em tempo real
Esta tarifa é utilizada especialmente para emprego comercial e industrial, no intuito de reduzir ou transferir cargas. Sistemas avançados de comunicação permitem ao consumidor observar o
uso da energia em tempo real e preços futuros (preços horários do dia seguinte, por exemplo), possibilitando decisões acerca de ajustes de operação conforme o preço de tarifas. A tarifa pode ser fixada a uma linha de base (condicionada a histórico de uso ou alterações de operação ou clima), a
partir da qual o consumidor paga ou recebe um adicional conforme o uso. Outro tipo de tarifa pode
conectar o uso a preços variáveis a cada hora, sem estimativas de linha de base.
Valores para períodos de ponta ou fora de ponta são estimados proximamente ao consumo, e
não pré-especificados com antecedência. Tal estratégia é justificada por pressões de custos, desafios
competitivos, e incertezas do planejamento.
Neste tipo de tarifação, o controle de carga pode estar diretamente vinculado ao preço de energia em cada instante, oferecendo inclusive a possibilidade de se utilizar energia proveniente de
diferentes combustíveis, selecionados conforme o custo no instante avaliado.
Tarifas para blocos de consumo
Este tipo de tarifação, ainda que não possua diferenciação de acordo com a hora do dia e
tampouco detecte reduções de pico, proporciona uma série de incentivos relativos ao consumo doméstico. Pode ser de tipo crescente ou decrescente. Tarifas crescentes elevam o custo do consumo
marginal de energia para consumidores de grandes volumes, incentivando a redução do consumo
marginal doméstico e beneficiando consumidores de baixa renda e baixo consumo (ainda que baixo
consumo não possua necessariamente conexão direta com baixa renda). Já tarifas decrescentes provocam o efeito contrário, fomentando um maior consumo por parte de pequenos consumidores e
aumentando a carga em horário de pico. Tais conseqüências dependem, porém, da estrutura exata
da tarifa e da variação de preço da energia. Variando preços e o número de blocos, é possível criar
diversas tarifas desta modalidade, atendendo a diferentes objetivos, sejam eles de GLD ou metas
específicas de empresas concessionárias.
É importante acrescentar que os programas tarifários descritos podem ter suas chances de
adoção variadas de forma considerável a partir da inclusão de incentivos tarifários diretos ou implí-
136
citos, visando um bom índice de adoção. Tais incentivos são contemplados principalmente na dimensão econômica da avaliação e podem ser de diversos tipos, como: empréstimos ou pagamentos
diretos a consumidores, reduções na fatura de energia, devoluções, minimização de investimentos
iniciais do consumidor na aquisição de tecnologias de GLD, subsídios na instalação de equipamentos de controle de demanda, entre outros.
Tarifa Horosazonal Alternativa
Segundo Januzzi, [18], no caso de consumidores industriais, uma opção de tarifa horosazonal alternativa viável seria a combinação de um novo posto tarifário na madrugada, período considerado de carga leve para o sistema da concessionária, de baixo custo de demanda e aplicação zonal
e setorial (para segmentos da economia com melhor potencial de modulação para este período). A
eventual mudança do critério de classificação dos consumidores, de nível de tensão para nível de
potência, como ocorreu na França, e seus possíveis impactos nas tarifas horosazonais é outra possibilidade a ser explorada.
Durante o período de racionamento de energia, a CELPA realizou uma experiência em estudo de tarifa diferenciada no Pará, com o objetivo de antecipar o mercado de uso de eletrodomésticos
durante a madrugada. Foi proposta a Tarifa da Madrugada, de 00:00 as 7:00, com um desconto de
15% sobre a tarifa convencional neste horário. A opção era limitada a consumidores cujo consumo
fosse superior a 1000 kWh/mês e tinha o objetivo de antecipar o mercado de ar condicionado. Os
resultados da simulação indicaram um consumo médio de 73% durante o dia e de 27% de madrugada, representando um desconto final na fatura de 4%, [20].
Armazenamento de Energia
Uma das técnicas de gerenciamento de carga, mais especificamente de preenchimento de vale é a possibilidade de se armazenar energia sob a forma de calor ou frio, por meio de equipamentos, para utilização em períodos de pico. Este calor ou frio é produzido em períodos de baixo consumo de energia (fora do horário comercial ou de ponta), aliviando o sistema nas horas de pico e
dispensando uma contratação adicional de demanda. Esta técnica é de especial interesse em ações
de alteração da curva de carga e deslocamento de pico.
É importante ressaltar, porém, que tal medida não visa exatamente a economia de energia, e
sim um ganho econômico a partir do uso do equipamento refrigerador em horários onde a tarifa apresenta valores mais baixos.
Como modalidades de armazenamento de energia, pode-se citar o armazenamento de calor,
de água aquecida e de frio, descritos nos próximos itens.
Armazenamento de Calor
O armazenamento de calor pode ser feito através de reservatórios subterrâneos isolados,
construídos com materiais isoladores de calor como cerâmicas. Outra possibilidade, para casas térreas, fazendas e pequenos edifícios, é o uso de materiais que funcionam como meios de armazenamento de calor proveniente de energia solar. Neste caso os materiais mais indicados, a custos modestos de sistema total e manutenção, são pedras, misturas líquidas anti-congelantes, sal de Glauber
e pirofosfato de sódio.
Estes dois últimos fazem parte dos PCMs (phase change materials ou materiais que mudam
de fase) substâncias químicas que passam por uma transição de sólido-líquido a temperaturas dentro
de limites desejados, para propósitos de aquecimento. Durante o processo de transição o material
absorve energia ao passar de estado sólido para líquido e libera energia ao voltar para sólido. O que
torna este tipo de material interessante para o armazenamento de calor é sua alta capacidade de
guardar uma grande quantidade de energia a uma mesma temperatura. O sal de Glauber pode ser
usado em residências para armazenar calor produzido em horários fora de pico; o sal é liquefeito
através do calor durante a noite e se congela liberando calor durante o dia.
O volume do material de armazenamento usado depende basicamente de alguns fatores básicos, entre eles a quantidade de calor necessária para manter uma área aquecida, a quantidade de calor de reserva desejada (em se tratando de energia solar, caso a energia não possa ser coletada por
um certo número de dias) e o tipo de material usado.
Armazenamento de água aquecida
137
O aquecimento de água é realizado em horários fora de pico, com operação habitual da parte
elétrica, que tem sua operação reduzida em horários de pico. A unidade de armazenamento deve,
obviamente, estar dimensionada para satisfazer a perdas e à demanda de água quente enquanto a
mesma não estiver sendo gerada. Pode ser operada pela concessionária, com tarifas especiais, ou
pelo próprio consumidor, através de temporizadores e, logicamente, de uma mudança de hábitos no
uso de equipamentos que demandem água aquecida.
Acumulação de Frio
A termoacumulação, ou armazenamento de frio, consiste no armazenamento, em um meio
de alto calor latente, de gelo ou água resfriada produzidos por equipamentos resfriadores (como
chillers), em períodos fora de ponta. Os chillers são resfriadores de líquidos, próprios para uso em
sistemas centrais de grande porte, tanto no setor comercial, em hospitais, shopping centers, hotéis,
supermercados, entre outros, como em indústrias e processos industriais.
O frio armazenado auxilia no resfriamento do ar condicionado durante o dia, nos horários de
ponta de carga. O armazenamento de gelo difere do armazenamento de água gelada pela densidade
de energia armazenada, cerca de 7 vezes superior no primeiro caso, por conta do calor latente de
fusão. É utilizado comercialmente desde a metade do século passado, em ambientes que requerem
refrigeração em porções limitadas do dia. Nos últimos tempos, vem recebendo interesse por parte de
consumidores de eletricidade, como maneira segura e econômica de redução de custos operacionais.
Um exemplo de aplicação desta tecnologia pode ser a utilização de termoacumuladores para
a produção e armazenamento de gelo em períodos fora da ponta, utilizados em sistemas de ar condicionado. Os termoacumuladores são equipamentos com elevada capacidade de armazenamento de
energia como calor latente, a baixas temperaturas. São constituídos por subsistemas de refrigeração,
fluido de transporte e componentes de controle. A energia é armazenada no material de mudança de
fase que, para o banco de gelo, é a água. A transferência da energia do material de fase é obtida com
a circulação de um fluido de trabalho. Durante o período de carga do acumulador, é utilizado o circuito de refrigeração.
Tal aplicação é bastante eficiente principalmente no setor comercial, onde a demanda energética referente ao condicionamento ambiental é bastante elevada. Na região de Araçatuba, a termoacumulação pode proporcionar um bom deslocamento de carga do consumo elétrico dado o uso
considerável do ar condicionado frente a altas médias de temperatura.
Considerando ainda que a maioria de sistemas de condicionamento ambiental está dimensionada para condições máximas de operação em períodos comerciais, a possibilidade de se acumular
frio permite a redução da potência e demanda elétrica máxima a uma mesma taxa de consumo de
energia.
É possível escolher entre armazenagem parcial ou total. A primeira delas desloca toda a carga, transferindo-a para horários fora de ponta, e é comumente usada em ampliações de instalações
existentes, utilizando-se para tanto a capacidade de um chiller disponível. Já para instalações novas,
o armazenamento parcial é uma possibilidade mais prática e de maior eficiência de custos. Neste
método o chiller funciona continuamente, formando gelo durante a noite e refrigerando diretamente
durante o dia, com a ajuda do frio armazenado. O aumento das horas de operação pode reduzir consideravelmente a capacidade do chiller, uma vez que a carga média também é reduzida.
Programas de Informação, Educação e Capacitação
Os objetivos de programas de educação ou campanhas educativas são de aumentar a consciência da sociedade em geral, quanto ao uso racional de energia e ações de eficiência energética.
Como possibilidades de programas informativos podemos citar campanhas públicas de combate ao
desperdício de energia e divulgação de material informativo sobre a conscientização de hábitos de
consumo. Em relação a programas educativos podemos considerar parcerias com prefeituras, estados ou governo federal, para tornar obrigatória nas escolas de nível fundamental e médio a realização de palestras ou mesmo cursos regulares sobre conservação de energia, com a disponibilização
de material pedagógico apropriado. Para instituições de ensino superior, é possível incorporar disciplinas fixas de conservação e uso eficiente de energia em cursos de engenharia, como vem realizando o Procel. Nos setores comerciais e industriais, pode-se realizar seminários internos em empresas,
138
dirigidos à redução do desperdício de energia. É importante ressaltar ainda a necessidade de se capacitar profissionais e professores na área de eficiência energética, para a constituição de um corpo
docente habilitado a conduzir tais programas educativos.
Estes programas demandam uma realimentação constante em intervalos regulares de tempo
buscando a reafirmação de objetivos desejados, posto que a obtenção de tais resultados depende diretamente de fatores humanos suscetíveis (psicológicos e comportamentais) e de caráter inexato.
Assim, a mensuração de resultados obtidos, quando possível, é sujeita a consideráveis margens de
erro. De qualquer forma, programas realizados pelo PROCEL através da CEMIG, COPEL E CEE
em escolas de nível fundamental a médio, foram capazes de alcançar uma economia acumulada de
950.000 MWh entre os anos de 90 e 2003, dos quais 250.000 foram obtidos no último ano (o programa abrangeu cerca de 2 milhões de alunos nesse período, indicando uma economia anual obtida
de 84 kWh por aluno), [4].
A etiquetagem de equipamentos elétricos diversos, desde eletrodomésticos a fogões e aquecedores, bem como a atribuição de selos de eficiência energética, apesar de constituir uma ferramenta fundamental na informação e difusão de equipamentos eficientes, fica, neste modelo de análise de recursos energéticos do lado da demanda, incluída como um atributo técnico capaz de promover a substituição de equipamentos, uma das medidas apontadas de GLD. Assim, esta modalidade de informação e propaganda constitui mais um adicional e impulsionador a recursos do lado da
demanda do que um recurso propriamente dito.
E, finalmente, os Setores de Consumo são:
• Residencial
• Comercial
• Industrial
• Agropecuário
• Público
13
ESTIMATIVA DOS POTENCIAIS TEÓRICOS DOS RECURSOS
DA DA REGIÃO ADMINISTRATIVA DE ARAÇATUBA (RAA).
DO
LADO
DA
DEMAN-
Para a realização dos cálculos dos potenciais dos usos finais nos setores residencial, comercial, industrial e público, utilizou-se o valor de consumo total do setor industrial da Região Administrativa de Araçatuba presente na dissertação de Mestrado de Baitelo (2006). A partir desse valor,
tendo os valores da distribuição percentual de consumo energético de usos finais por setores, obtidos no BEN 2005 e na dissertação de Baitelo (2006), foi calculado o consumo total de energia elétrica da Região, e, a partir deste, estimou-se o consumo de energia de todos os outros segmentos.
Para o calculo a potência de demanda dos usos finais de cada setor de consumo, serão feitas
as estimativas a partir dos valores de consumo de energia encontrados para os três principais usos
finais: iluminação, refrigeração e força motriz.
Para o cálculo da potência de demanda para a iluminação, estimou-se que o consumo de energia com iluminação em todos os setores se dá em 12h por dia, já que a iluminação nos setores
industrial e comercial é, em sua maioria, utilizada no horário comercial, e a iluminação nos setores
público e residencial é utilizada, em sua maioria, fora do horário comercial. Sendo assim, sua potência será 2 vezes maior numericamente do que a energia consumida.
Já para o cálculo da potência de demanda para a refrigeração, tem-se que o tempo de funcionamento diário dos refrigerados é de aproximadamente 8h por dia, portanto, sua potência é três vezes maior numericamente do que a energia consumida.
Para calcular a potência de demanda para a força motriz, estimou-se que, como esta tem seu
uso majoritariamente no setor industrial e este tem funcionamento, em sua maioria, apenas no horário comercial, tais equipamentos ficam ligados durante 12h por dia, sendo assim sua potência 2 vezes maior numericamente do que a energia consumida.
139
Tabela 13: Percentual do Consumo de Energia Elétrica por Setor
Setor Con- % de Consumidor
sumo
Industrial
48
Comercial
14
Residencial
22
Público
8
Agropecuário
4,5
Energético
3,5
Total
100
Tabela 14: Percentual do Consumo de Energia Elétrica por Uso Final
Industrial Comercial
(%)
(%)
50
Força Motriz
30
17
Refrigeração
5
44
Iluminação
15
39
Outros
Residencial
(%)
33,33
23
43,67
Público
(%)
66,66
33,34
Tabela 15: Consumo de Energia Elétrica por Uso Final
Setor/
Uso Final
Força Motriz
Refrigeração
Iluminação
Outros
Total
Industrial Comercial
(GWh/ano) (GWh/ano)
100,82
60,49
10
10,08
25,88
30,24
22,94
201,63
58,81
Residencial
(GWh/ano)
30,81
21,26
40,35
92,42
Público
(GWh/ano)
22,4
11,2
33,61
Agropecuário
(GWh/ano)
18,9
18,9
Energético
(GWh/ano)
14,7
14,7
Total (GWh/ano)
420,07
Tabela 16: Potência Elétrica de Demanda por Uso Final
Setor/
Uso Final
Força Motriz
Refrigeração
Iluminação
Outros
Total
Industrial
(MW)
23,02
20,72
2,3
3,45
49,49
Comercial
(MW)
3,42
5,91
2,62
11,95
Residencial
(MW)
10,55
4,85
4,61
20,01
Público
(MW)
5,11
1,28
6,39
Agropecuário
(MW)
2,16
2,16
Energético
(MW)
1,68
1,68
Total
(MW)
91,68
Para calcular o potencial teórico, fez-se a projeção de um cenário em que sejam aplicados
todos os RELDs na região, sendo este o cenário com a maior redução de consumo.
Realizando uma estimativa de conservação para todos os RELDs aplicados na região, com
base nos dados mencionados no item anterior, fornecidos pela tese do Baitelo (2006), além de outras fontes, obtem-se o seguinte resultado:
140
Tabela 17: Porcentagens de Redução Teórica de Demanda por Uso Final
Setor/
Uso Final
Força Motriz
Refrigeração
Iluminação
Outros
Industrial
(MW)
40%
50%
20%
30%
Comercial
(MW)
50%
20%
30%
Residencial
(MW)
50,80%
79,50%
50,80%
Público
(MW)
40%
30%
Agropecuário
(MW)
10%
Energético
(MW)
25%
Tabela 18: Potencial Teórico de Demanda por Uso Final
Setor/
Uso Final
Força Motriz
Refrigeração
Iluminação
Outros
Total
Industrial
(MW)
13,81
10,36
1,84
2,42
28,43
Comercial
(MW)
1,71
4,73
1,83
8,27
Residencial
(MW)
5,19
0,99
2,27
8,45
Público
(MW)
3,07
0,9
3,96
Agropecuário
(MW)
1,94
1,94
Energético
(MW)
1,26
1,26
Total
(MW)
52,31
Concluiu-se que o potencial teórico de redução de consumo de energia elétrica é de aproximadamente 43% para a Região Administrativa de Araçatuba.
14
ANÁLISE DOS RESULTADOS
LADO DA DEMANDA.
DAS
ESTIMATIVAS
DOS
POTENCIAIS TEÓRICOS
DO
É importante salientar que as estimativas feitas nesta etapa precisam ser aprimoradas através
da coleta dos dados de campo reais. Os cálculos efetuados são mais para avaliar as possibilidades
reais da existência do potencial do Lado da Demanda. Pois, os resultados obtidos na tabela 18 mostram claramente, que se aplicados os programas e as medidas de conservação de energia na Região
Administrativa de Araçatuba há conseguir uma boa economia, consequentemente, obter um potencial do lado da demanda interessante.
Também se pode afirmar que as estimativas feitas consideram condições mais conservadoras
possíveis. Portanto, se aprofundados os estudos destes potenciais através de um levantamento dos
junto aos usos finais da Região pode-se alcançar um valor do potencial bem acima do estimado nestes cálculos.
15
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Na análise da dimensão técnico-econômica da maioria das tecnologias, nota-se a falta de informações quanto aos custos das tecnologias, sejam eles custos de fabricação, de mercado, de instalação, de manutenção ou de operação. Essa ausência se justifica pela falta de informações coletadas
sobre esse assunto até o momento, devido à dificuldade de adquirir estes junto aos fabricantes e distribuidores. Portanto, essa análise será feita de forma completa posteriormente.
Também nota-se a ausência de informações da dimensão técnico-econômica das tecnologias
de força motriz veicular, pois, não foram coletados dados suficientes para a confecção de uma tabela de atributos sobre as tecnologias disponíveis, o que também será realizado por completo posteriormente.
Percebe-se também que, para o cálculo do potencial teórico da região, utilizaram-se apenas
os três usos finais mais importantes, sendo que o restante ficou definido como “Outros”. Posteriormente, realizar-se-á um estudo mais detalhado para todos os usos finais.
Para obtenção dos valores reais dos potenciais para todos os usos finais serão aplicados os
141
questionários específicos para cada tipo de usos finais. Após coleta dos dados no campo, esses serão
tratados e organizados, em seguida, serão utilizados para os cálculos dos potenciais em questão.
16
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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para o Setor Elétrico (Pensando o Desenvolvimento Sustentável)”, São Paulo, 1997. Departamento
de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da USP.
[2] Udaeta, M. E. M., et al. “ Sistemas de Analise Energética para os Usos Finais no Estado de São
Paulo” – Proposta de Trabalho para CESP e CTEEP. São Paulo, 2005.
[3] ELETROBRÁS/PROCEL. Conservação de Energia- Eficiência Energética de Instalações e Equipamentos. Itajubá, EFEI, 2001.
[4] Baitelo, R. L. Dissertação de Mestrado: Modelagem Completa e Análise dos Recursos Energéticos do Lado da Demanda para o PIR. São Paulo, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo,
2006.
[5] Eletrobrás/Procel. Manual Prático- Eficiência Energética em Sistemas de Refrigeração Industrial
e Comercial. Rio de Janeiro.
[6]http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Hidroclorofluorcarboneto&action=edit
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Abril, 2007.
[8] http://www.catermo.com.br/defaultb.htm
[9] http://www.arcoweb.com.br/tecnologia/tecnologia19b.asp.
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Piauí”. Uberaba, Nov./Dez. 2006.
[13]http://www.steammaster.com.br/equipamentos.asp
[14] http://www2.dem.uc.pt/jose.gois/A3-caldeiras_ISI.pdf
[15]http://www.submarino.com.br/AllProdsBigImageNew.asp?Query=ProductPage&ProdTypeId=
27&ProdId=229165&DelSave=1&DisableTop=Y
[16] http://www.labeee.ufsc.br/arquivos/publicacoes/ENCAC2003_GHISI.pdf (fibras oticas).
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Editora Autores Associados, 1997
[19] Primeiro Relatório Técnico FDTE/CTEEP - Caracterização Completa de Análise Energética
dentro do PIR para os Usos Finais no Estado de São Paulo - Inventário Descritivo de Recursos de
Demanda Energética
[20] Segundo Relatório Técnico FDTE/CTEEP - Caracterização Completa de Análise Energética
dentro do PIR para os Usos Finais no Estado de São Paulo - Levantamento de Atributos de Análise
de Recursos de Demanda
[21] Apresentações de Aula da Disciplina ENE 5703 – Usos finais e demanda de energia, EPUSP,
2006
[22]http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/index.php?idSecao=1&idSubSecao=&idTexto=2
[23] http://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Carnot
[24] http://br.geocities.com/saladefisica7/funciona/lampada.htm
[25] http://pt.wikipedia.org/wiki/LED
[26] http://lamptech.thomasnet.com/
[27]http://www.luxeonstar.com/item.php?id=2213&link_str=330&partno=05027-PW14
[28]http://antigo.campinas.sp.gov.br/saude/vigilancia/epidemiologica/manual_rede_frio.pdf
142
[29] http://www.osram.com.br/produtos/ilumgeral/fluoresc/endura/index.html
[30] http://br.geocities.com/saladefisica7/funciona/refrigerador.htm
[31] http://pt.wikipedia.org/wiki/Ar_condicionado
[32] http://br.geocities.com/saladefisica7/funciona/condicionado.htm
[33] http://www.tierramerica.net/2003/0922/ppreguntas.shtml
[34] http://www.monar.com.br/
[35] http://www.evapcooler.com.br/
[36] http://ideiaeluz.com.br/loja/index.php
[37] http://www.osram.com.br/produtos/reatores/index.html
[38]http://ure.aream.pt/main.php/aream/ure/hoteleiro/recomendacoes/iluminacao.html.
[39] http://www.paulistabusiness.com.br/goldenplus/ficha/metalgp.pdf
[40] http://pt.wikipedia.org/wiki/Luminotecnica
[41] http://www.iee.usp.br/ensaios/lab_fotometria.htm
[42] http://www.gelampadas.com.br/about.asp
[43] //www.fazfacil.com.br/IluminacaoHalogenas.htm
[44] http://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%A2mpada_de_descarga
[45] http://www.abilumi.com.br/
[46] http://www.cleamax.com.br/nossasobras.htm
[47] DOSSAT, R.J. Princípios de Refrigeração, São Paulo, Hemus, 1980.
[48] http://www.sociedadedosol.org.br/projeto_aquecimento.htm
[49] http://preco2.buscape.com.br/aquecedor-de-agua.html
[50]http://www.solarforte.com.br/lojavirtual/default.php?cPath=15&PHPSESSID=b44c71798850b
7d2ef0c39265054ced6
[51] www.caltherm.com.br
[52] http://www.lorenzetti.com.br/dicas2.htm
[53] Marcolin, E.; Robaina, A. D. Consumo de Energia e Eficiência das Estações de Bombeamento de Lavouras de Arroz Irrigado. Ciência Rural v3.2 n.2, Santa Maria, mar./abr. 2002.
[54] Garcia, A.G. P. Dissertação de Mestrado: Impacto da Lei de Eficiência Energética para Motores Elétricos no Potencial de Conservação de Energia na Indústria. Rio de Janeiro, Dezembro de
2003.
[55] http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corrente_cont%C3%ADnua
[56] GEVISA.NotasTécnicas,NT-01,2000.
http://www.geindustrial.com.br/download/artigos/nt01.pdf
[57] http://www.unesp.br/propp/dir_proj/Industria/Industr50a.htm
[58] Sauer, I.ENE-5703. Aula 4. Usos Finais de Energia: Tecnologias, Tendências,Processos,EPUSP.http://www.pea.usp.br/ext/pea2520/ForcaMotriz.ppt#318,1,Slide1
[59] Rocha, R. Estratégia de Controle para Acionamento a Velocidade Variável para Motores Monofásicos com Operação Otimizada. Belo Horizonte, UFMG.
[60] PROGRAMA DE COMBATE AO DESPERDÍCIO DE ENERGIA ELÉTRICA – PROCEL.
Motor de alto rendimento. Guia técnico. Rio de Janeiro: 1998 a, v.1. 18p.
[61] FITZGERALD, A.E., KINGSLEY JÚNIOR., C., KUSKO, A. Máquinas Elétricas- Conversão
Eletromecânica da energia - Processos, Dispositivos e Sistemas. São Paulo: McGraw - Hill, 1977.
554p.

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