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CONSERVAÇÃO E EFICÁCIA ENERGÉTICA
157 9 CONSERVAÇÃO E EFICÁCIA ENERGÉTICA Vivemos em um mundo repleto de máquinas e equipamentos que necessitam de energia elétrica para funcionar, e cada vez mais esse recurso parece estar se esgotando. Por conta disso, precisamos estudar e desenvolver métodos para que a energia seja utilizada de forma eficiente. Para tanto, temos a necessidade de conhecer como funciona a matriz energética de determinadas regiões. O objetivo da disciplina é preparar o aluno para analisar a maneira mais eficiente de projetar sistemas de iluminação, acionamentos de motores, sistemas de condicionamento ambiental, bem como gerenciar os sistemas energéticos em geral. 9.1 Matriz Energética Realizar o mapeamento de toda e qualquer fonte energética tem por finalidade compreender os mecanismos de geração, transmissão e distribuição de energia adotados em determinadas regiões. Em outras palavras, ter conhecimento de como a energia utilizada é manuseada auxilia no gerenciamento energético de uma dada instalação. As principais fontes energéticas encontradas no Brasil são: a) b) c) d) e) f) g)
petróleo; gás natural; carvão mineral; urânio; energia hidráulica e eletricidade; biomassa; e, cana-de-açúcar.
O Brasil apresenta um comportamento muito diferente em relação aos outros países quanto à utilização dos componentes que formam a matriz energética. Por exemplo, enquanto a energia produzida por conta do carvão mineral corresponde a 4,8% da oferta energética do país, no restante do globo corresponde a 26,5%. Já a energia hidráulica e a eletricidade são responsáveis por 15,3% da matriz energética nacional, enquanto que no resto do mundo este valor é de apenas 2,2%. A seguir, apresenta-se um gráfico comparativo da matriz elétrica brasileira, ilustrado pela Figura 1 (9).
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158 Figura 1 (9)- Comparação da matriz elétrica (2012 e 2013)
Fonte: Carbono Brasil (2014)
O gráfico ilustrado pela Figura 2 (9) a seguir apresenta a matriz energética brasileira em dois momentos distintos, com intervalo de 10 anos. Figura 2 (9)- Comparativo da matriz energética brasileira (2010 e 2020)
Fonte: Carbono Brasil (2014)
As regiões Sul e Sudeste são responsáveis por 65% da energia elétrica gerada no país, porém, o potencial hidráulico já foi explorado quase que completamente. Com isso, cria-se a oportunidade para que outras regiões sejam escolhidas, como, por exemplo, a região Norte. Um dos fatores responsáveis pelo aumento da tarifa da energia elétrica é o custo elevado para conter os impactos ambientais provenientes da construção das usinas hidroelétricas. Mesmo Módulo 4
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159 com esse custo elevado, a geração de eletricidade proveniente de fontes hidroelétricas ainda apresenta um valor competitivo em relação às outras fontes energéticas. Entre os anos de 2001 e 2002 o Brasil passou por um momento de crise no setor energético, principalmente no departamento que diz respeito à eletricidade. Para enfrentar essa crise, as autoridades competentes optaram pelo sistema de racionamento, obrigando o consumidor, sob pena de multa, a economizar 20% da sua energia consumida. Vale lembrar que a causa do racionamento não foi a falta de usinas hidroelétricas e sim a escassez do combustível das hidroelétricas, a água. Observa-se a seguir o gráfico de evolução do consumo de energia elétrica no Brasil, ilustrado pela Figura 3 (9). Figura 3 (9)- Evolução do consumo de energia elétrica no Brasil
Fonte: Gallo (2014)
Em 2010, o país apresentou uma grande recuperação e voltou a elevar o consumo de energia elétrica, visto que a nação retomou o crescimento nos mais variados setores comerciais. Tal elevação no consumo fica clara quando comparada à projeção estabelecida pelo Plano Decenal de Energia. A previsão é de que o consumo até 2019 observe-se um aumento percentual anual em torno de 5%, enquanto que só em 2010, o aumento foi de 9,1%. Usinas em processo de licitação e construção procuram acelerar a conclusão de suas obras, pois o Plano Nacional de Energia vislumbra um consumo de energia elétrica, em 2030, entre 859 e 1245 TWh. Logicamente que essas previsões não são 100% confiáveis, uma vez que a geração de energia elétrica por parte das hidroelétricas depende da disponibilidade de chuvas na região. Para garantir a segurança energética no país, precisamos de uma gestão pública de qualidade, que institua políticas de geração alternativa de energia e mantenha o controle dos níveis dos reservatórios que servem de combustível para a geração energética hidráulica, bem Eletrotécnica
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160 como a utilização no momento correto das termelétricas. 9.2 Eficiência Energética Por ser um dos principais custos das empresas, a utilização de energia elétrica por parte das mesmas dever sofrer forte gerenciamento. É recomendado que a empresa em questão se submeta a um diagnóstico energético que atinja todas as fontes energéticas da mesma. A elaboração do diagnóstico energético deve seguir a sequência de operações listada abaixo: a) b) c) d) e) f)
levantamento de dados da empresa; estudo de materiais e produtos; caracterização do consumo energético; avaliação das perdas de energia; desenvolvimento de estudos técnicos e econômicos; e, elaboração das recomendações e conclusões.
Outra maneira de deixar o sistema energético eficiente é atuando pontualmente nos sistemas de iluminação e condicionamento ambiental, bem como nos sistemas de ar comprimido e acionamento de motores. 9.2.1 Sistema de Iluminação Eficiente 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 (SANTOS, 2007). Vários trabalhos desenvolvidos mostram que a iluminação ineficiente é comum no Brasil. Uma combinação de lâmpadas, reatores e refletores eficientes, associada a hábitos saudáveis na sua utilização, pode ser aplicada para reduzir o consumo de energia elétrica. Os problemas que mais ocorrem com os sistemas de iluminação são: a) b) c) d) e) f) g) h)
ausência de manutenção preventiva; comportamento dos usuários; desconhecimento de conceitos luminotécnicos; fatores relacionados com o ambiente; falta de componentes de comandos; inadequada utilização de equipamentos; utilização de equipamentos com baixa eficiência luminosa; e, aproveitamento inadequado da iluminação natural.
Para entendermos profundamente o comportamento das instalações luminosas, fazse necessário compreendermos alguns termos e grandezas que fazem parte do sistema de iluminação, conforme relacionamos a seguir: a) fluxo luminoso. b) ofuscamento. Módulo 4
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161 c) d) e) f) g) h)
intensidade luminosa. temperatura de cor. iluminância. espectro visível. eficiência luminosa. índice de reprodução de cor.
9.2.2 Componentes do Sistema de Iluminação
Lâmpadas:
É o componente mais importante do sistema de iluminação. Sua escolha correta pode acarretar economia de energia elétrica, bem como conforto visual. São desenvolvidos vários tipos de lâmpadas para os mais diversos fins de utilização. São elas: a) b) c) d) e) f) g)
Incandescentes; halógenas; fluorescentes (compactas e tubulares); vapor de mercúrio; mista; vapor de sódio; e, vapor metálico.
Luminárias:
Tem como funções principais otimizar o desempenho do sistema de iluminação, bem como controlar o fluxo luminoso e reduzir o ofuscamento. Pode apresentar diversos tipos de superfícies reflexivas, sendo as mais comumente encontradas as esmaltadas, anodizadas ou peliculares. Constituem os requisitos básicos de uma luminária perfeita: a) b) c) d) e) f) g)
refletir para o plano de trabalho todo o fluxo luminoso emitido pela lâmpada; proporcionar suporte e conexão para as lâmpadas; ser adequada ao ambiente; controlar e distribuir o fluxo luminoso gerado pelas lâmpadas; possibilitar fácil manutenção; permitir a fácil instalação de lâmpadas; e, manter a temperatura de operação das lâmpadas.
Além destes, outros componentes do sistema de iluminação são identificados: a) reatores (eletromagnéticos e eletrônicos); b) sensor de presença; c) relé fotoelétrico; d) minuterias; e) dimmers. Abaixo, apresenta-se um gráfico comparativo de eficiência luminosa envolvendo diversos tipos de lâmpadas, ilustrado pela Figura 4 (9). Eletrotécnica
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162 Figura 4 (9)- Quadro comparativo de eficiência luminosa
Fonte: Gallo (2014)
A determinação do sistema de iluminação deve ser feita por meio do projeto luminotécnico, que leva em conta os seguintes aspectos em função das atividades desenvolvidas no local: a) b) c) d) e) f) g) h)
o índice de reprodução de cores, bem como o tipo de lâmpada adequado; luminária adequada para o ambiente escolhido; dimensionamento dos circuitos de acionamento; o aproveitamento da luz natural; execução de manutenção preventiva e corretiva; conhecer as características dos reatores; as cores das superfícies internas; e, o nível de iluminamento no plano de trabalho.
A seguir ilustram-se nas Figuras 5 a 12 (9) os mais variados tipos de lâmpadas.
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163 Figura 5 (9)- Lâmpada incandescente
Fonte: Silva (2013) Figura 6 (9)- Lâmpada halógena
Fonte: Montani (2013)
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164 Figura 7 (9)- Lâmpada fluorescente compacta
Fonte: Portal Philips (2013) Figura 8 (9)- Lâmpada fluorescente tubular
Fonte: Portal Philips (2013)
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165 Figura 9 (9)- Lâmpada a vapor de mercúrio
Fonte: Portal Osram (2014) Figura 10 (9)- Lâmpada mista
Fonte: Gonçalves (2012)
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166 Figura 11 (9)- Lâmpada a vapor de sódio
Fonte: Portal Osram (2014) Figura 12 (9)- Lâmpada de vapor metálico
Fonte: Portal Osram (2014)
9.3 Sistema de Condicionamento Ambiental A refrigeração industrial, a exemplo do condicionamento de ar, tem como objetivo o controle da temperatura de algum produto, substância, ambiente ou meio. Os componentes básicos de ambos os sistemas não diferem: compressores, trocadores de calor, ventiladores, bombas, tubos, dutos e equipamentos de proteção e controle. Não há dúvidas quanto ao predomínio dos sistemas de climatização sobre a refrigeração industrial no que diz respeito ao número de unidades instaladas, volume de vendas e número de engenheiros empregados. Entretanto, apesar da inferioridade comercial observada, a refrigeração industrial envolve uma indústria atuante e tem reservado um papel Módulo 4
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167 fundamental na sociedade moderna. A refrigeração industrial apresenta características próprias que requerem tanto mão de obra mais especializada quanto maiores investimentos em projetos, em relação ao arcondicionado. Além disso, muitos problemas típicos de operação a baixas temperaturas, normais em instalações de refrigeração industrial, não se observam a temperaturas características da climatização. A refrigeração industrial poderia ser caracterizada pela faixa de temperatura de operação. No limite inferior, a temperatura pode atingir a ordem de −60°C a -70oC, enquanto no limite superior podem ser observadas temperaturas de 15 oC. Outra forma de caracterizar a refrigeração industrial é por meio das aplicações, que abrangem desde processos utilizados nas indústrias químicas, de alimentos e de processos, até aplicações relacionadas à indústria manufatureira e laboratórios. 9.3.1 Sistema de Ar-condicionado O circuito frigorífico que é base na formação da maioria dos condicionadores de ar é composto pelas seguintes partes: compressor, condensador, válvula de expansão, evaporador, tubulação e fluido refrigerante. Há vários tipos de sistemas de ar-condicionado. Dentre eles, os mais comercializados no mercado serão descritos a seguir.
Aparelhos de janela:
Geralmente utilizados em ambientes de pequenas dimensões, apresentam fácil instalação por conter em um único módulo todos os seus componentes. Sua única desvantagem é a não uniformidade da distribuição do ar dentro do recinto.
Split:
É a evolução do ar-condicionado de janela. Permite melhor distribuição de ar, porém apresenta baixa qualidade do mesmo. Isso acontece porque esses equipamentos não insuflam ar exterior para dentro do ambiente, ou seja, não existe a renovação do ar.
Self contained:
É um aparelho que apresenta as mesmas características de funcionamento dos anteriores, porém tem maiores dimensões (utilizado para condicionar ambientes de grandes dimensões). Apresenta a desvantagem de condicionar uma grande área na mesma proporção. No caso de haver várias salas que compreendem esse espaço, não será possível controlar a temperatura individualmente.
Volume de refrigerante variável:
Possui o mesmo princípio de funcionamento do Split, porém há uma única diferença: uma única unidade condensadora tem capacidade de atender várias unidades evaporadoras, enquanto que o Split apresenta um evaporador para cada condensador. Uma grande Eletrotécnica
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168 vantagem desse sistema é apresentar controle individual para cada unidade evaporadora.
Água gelada:
Sistema que apresenta a circulação de água pelo evaporador, promovendo o resfriamento do ambiente. Também conhecido como expansão indireta, esse sistema é utilizado quando se deseja alcançar baixíssimas temperaturas. Para que esse sistema funcione corretamente, é necessário fazer uso de uma central de água gelada auxiliada por bombas, tubulações e compressores. As Figuras 13 a 18 (9) a seguir ilustram os tipos de sistemas de ar-condicionado. Figura 13 (9)- Esquema de um aparelho de janela
Fonte: Fix-It Club (2010) Figura 14 (9)- Aparelho de janela
Fonte: Fix-It Club (2010)
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169 Figura 15 (9)- Esquema de Split
Fonte: Fix-It Club (2010) Figura 16 (9)- Split
Fonte: Fix-It Club (2010)
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170 Figura 17 (9)- Sistema self contained
Fonte: Fix-It Club (2010) Figura 18 (9)- Self contained
Fonte: Fix-It Club (2010)
As ações de gerenciamento que visam à melhoria e eficiência dos sistemas de arcondicionado são: a) manutenção; b) operação; e, c) substituição. 9.3.2 Motores de Indução Trifásicos Mesmo sendo os motores de indução trifásicos máquinas intrinsecamente eficientes, estes se constituem como um grande potencial de conservação de energia. Tal fenômeno pode ser explicado a partir de duas razões principais, a saber: a grande quantidade de motores instalados e a aplicação ineficiente dos mesmos. Por outro lado, é muito comum encontrar-se Módulo 4
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171 o chamado motor superdimensionado, ou seja, motores acionando cargas muito inferiores à sua capacidade nominal, acarretando em baixos fatores de potência e rendimentos, contribuindo para a sua aplicação ineficiente. A seguir, serão apresentados alguns tópicos importantes no que diz respeito à conservação de energia em motores elétricos.
Motores de corrente contínua:
Apresentam custo mais elevado e necessitam de uma fonte de corrente contínua para o seu funcionamento. Funcionam com velocidade variável apresentando grande flexibilidade e precisão. A Figura 19 (9) a seguir ilustra um motor de corrente contínua. Figura 19 (9)- Motor de corrente contínua
Fonte: Fonte: Fix-It Club (2010)
Motores de corrente alternada:
Apresentam maior aplicabilidade no mercado e podem ser síncronos (velocidade fixa) e assíncronos (velocidade variável). Os motores síncronos e assíncronos são ilustrados pelas Figuras 20 e 21 (9).
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172 Figura 20 (9)- Motor síncrono
Fonte: Fonte: Fix-It Club (2010) Figura 21 (9)- Motor assíncrono
Fonte: Fonte: Fix-It Club (2010)
Motores de alto rendimento:
Os motores de alto rendimento são compostos de: a) b) c) d) e) f) Módulo 4
Carcaça; núcleo; enrolamento; eixo; ventilador; e, rolamentos. Eletrotécnica
173 São projetados com a finalidade de fornecer a mesma potência na ponta do seu eixo, porém com baixo consumo de energia elétrica. Para que isso seja possível eles apresentam as seguintes características: a) b) c) d) e)
melhor qualidade em suas chapas metálicas; enrolamentos apresentam menor perda estática; maior volume de cobre; rotores que reduzem as perdas estáticas; efeito Joule reduzido por apresentar anéis de curto-circuito dimensionados corretamente; e, f) uso de rolamentos de menor atrito. 9.4 Exercícios Propostos 1) Quais são as principais fontes energéticas encontradas no Brasil?
2) Faça um esquema apresentando a sequência de elaboração de um diagnóstico energético.
3) Quais são os problemas comumente encontrados nos sistemas de iluminação?
4) Defina: fluxo luminoso, intensidade luminosa, iluminância, espectro visível, temperatura de cor e ofuscamento.
5) Quais os tipos de lâmpadas que encontramos no mercado consumidor? Defina-as.
6) Quais são os requisitos básicos de uma luminária?
7) Quais os tipos de sistema de condicionadores de ar. Fale sobre eles.
8) Quais os tipos de motores?
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174 9) Como podem ser classificados os motores de corrente alternada? Explique.
10) Pesquise e desenhe os variados tipos de acionamentos de motores.
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175 REFERÊNCIAS BARROS, B. F.; BORELLI, R.; GEDRA, R. L. Gerenciamento de energia: ações administrativas e técnicas de uso adequado da energia elétrica. 1ª edição. São Paulo: Érica, 2010. CARBONO BRASIL. Emissões na matriz energética brasileira cresceram 6,9% em 2013. Portal Envolveverde Jornalismo e Sustentabilidade. Matéria publicada em 12/08/2014. Disponível em: http://envolverde.com.br/noticias/emissoes-na-matriz-energetica-brasileira-cresceram69-em-2013/ Acesso em fevereiro de 2015. FIX-IT CLUB. Como solucionar problemas em uma unidade do tipo janela. Portal How Stuff Works. Matéria publicada em maio de 2010. Disponível em: http://casa.hsw.uol.com.br/como-conservar-condicionador-de-ar1.htm Acesso em fevereiro de 2015. GALLO, R. Consumo de energia caindo. É bom? Portal iG. Matéria publicada em 10/09/2014. Disponível em: http://ricardogallo.ig.com.br/index.php/2014/09/10/consumo-de-energiacaindo-e-bom/ Acesso em fevereiro de 2015. GONÇALVES, P. H. Tipos e características de lâmpadas. Portal Coletivo Urbane. Matéria publicada em 18/01/2012. Disponível em: http://coletivourbane.blogspot.com.br/2012/01/tipos-e-caracteristicas-de-lampadas.html Acesso em fevereiro de 2015. MONTANI, W. Lâmpadas. Portal Walkíria Montani – Modelos & Valores. Matéria publicada em 21/01/2013. Disponível em: http://walmontanidesigner.blogspot.com.br/2013/01/lampadas_21.html Acesso em fevereiro de 2015. PORTAL OSRAM. Lâmpadas de vapor de mercúrio: a solução de iluminação pragmática, testada e aprovada. Matéria publicada em julho de 2014. Disponível em: http://www.osram.com.br/osram_br/noticias-e-conhecimento/lampadas-de-descarga-dealta-presso/conhecimento-profissional/tecnologia-de-vapor-de-mercurio/index.jsp Acesso em fevereiro de 2015. PORTAL PHILIPS. Lâmpadas. Matéria publicada em abril de 2013. Disponível em: http://www.lighting.philips.com.br/connect/support/faq_lampadas.wpd Acesso em fevereiro de 2015. SALES, M. V. A questão energética na atualidade. Portal Educação Globo.com. Matéria publicada em março de 2014. Disponível em: http://educacao.globo.com/artigo/questaoenergetica-na-atualidade.html Acesso em fevereiro de 2015.
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