Conservação de Energia

Conservação de Energia

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Conservaçãode EnergiaConservação de Energia

Eficiência Energética de Equipamentos e Instalações

3a Edição

Eletrobrás / PROCEL EDUCAÇÃO

Universidade Federal de Itajubá FUPAI

Itajubá, 2006

CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Eficiência Energética de Equipamentos e Instalações

Coordenação

Milton César Silva Marques (Eletrobrás/PROCEL) Jamil Haddad (Universidade Federal de Itajubá) André Ramon Silva Martins (Universidade Federal de Itajubá)

Autores*

Afonso Henriques Moreira Santos Alexandre Augusto Simões André Ramon Silva Martins Augusto Nelson Carvalho Viana Cláudio Ferreira Edson da Costa Bortoni Eduardo Crestana Guardia Electo Eduardo Silva Lora Fábio José Horta Nogueira Flávio Neves Teixeira Jamil Haddad José Antônio Cortez Luiz Augusto Horta Nogueira Manuel da Silva Valente de Almeida Marcelo José Pirani Marcos Vinícius Xavier Dias Milton César Silva Marques** Osvaldo Venturini Paulo Henrique Ramalho Pereira Gama Pedro Paulo de Carvalho Mendes Roberto Akira Yamachita Valberto Ferreira da Silva

* Professores e Pesquisadores da Universidade Federal de Itajubá ** Eletrobrás / PROCEL

Equipe de diagramação e criação de capa:

Marcos Vinícius Xavier Dias Mariângela Dieb Farah

Revisão de texto: Patrícia Machado Silva

A publicação do livro “Conservação de Energia: Eficiência Energética de Equipamentos e Instalações” só foi possível graças ao apoio do PROCEL EDUCAÇÃO, subprograma do PROCEL - Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica, cuja secretaria executiva encontra-se na Eletrobrás, empresa do Ministério de Minas e Energia.

A reprodução parcial ou total desta obra só é permitida com a devida autorização dos autores. As opiniões mencionadas na presente publicação são de responsabilidade dos autores e não representam necessáriamente o ponto de vista da Eletrobrás / PROCEL.

Ministro Silas Rondeau Cavalcante Silva

DEpARTAMENTO NACIONAl DE DESENVOlVIMENTO ENERGÉTICO

Diretora Laura Cristina da Fonseca Porto

Ministro Fernando Haddad

CENTRAIS ElÉTRICAS BRASIlEIRAS S. A. - Eletrobrás presidente Aloísio Vasconcelos pROGRAMA NACIONAl DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ElÉTRICA- pROCEl

Secretário Executivo João Ruy Castelo Branco de Castro

Supervisão Luiz Eduardo Menandro de Vasconcellos Hamilton Pollis

Coordenação Geral Milton César Silva Marques

UNIVERSIDADE FEDERAl DE ITAJUBÁ

Reitor Renato de Aquino Faria Nunes

FUpAI presidente Djalma Brighenti

Ficha Técnica

PrefácioXV
ApresentaçãoXVII

Capítulo 1 – O pROCEl EDUCAÇÃO Milton César Silva Marques

1.1. PROCEL na educação básica2
1.2. PROCEL EDUCAÇÃO nas instituições de ensino superior (IESS)7
1.3. PROCEL EDUCAÇÃO nas escolas técnicas de nível médio8

Capítulo 2 – ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS Luiz Augusto Horta Nogueira

2.1. Definições13
2.2. As formas de energia15
2.3. As leis das conversões energéticas21
2.4. Recursos energéticos29
2.5. Terminologia energética31
2.6. Referências bibliográficas37

Capítulo 3 – ENERGIA E MEIO AMBIENTE Electo Eduardo Silva Lora e Flávio Neves Teixeira

3.1. Introdução43
3.2. Consumo e reservas de energia no mundo45
3.3. Consumo e reservas de energia no Brasil5
3.4. A energia e o efeito estufa59
3.5. O protocolo de Kyoto69

Índice

3.6. A energia e a chuva ácida7
3.7. A poluição do ar nas megacidades79
3.8. A geração termelétrica e a poluição do ar80
3.9. Padrões de qualidade do ar e de emissão89
3.10. Controle de emissões de poluentes durante a conversão energética95
conservação e eficiência......................................................................................... 110
3.12. Referências bibliográficas123

3.1. A prevenção da poluição durante a conversão de energia:

Capítulo 4 – AUDITORIA ENERGÉTICA Luiz Augusto Horta Nogueira

4.1. Introdução129
4.2. Uma questão de terminologia130
4.3. A auditoria energética e a eficiência dos sistemas energéticos131
4.4. A auditoria energética na prática134
4.5. Comentários e sofismas finais144
4.6. Referências bibliográficas146

Capítulo 5 – TARIFAÇÃO DE ENERGIA ElÉTRICA Jamil Haddad, Paulo Henrique Ramalho Pereira Gama e Eduardo Crestana Guardia

5.1. Introdução149
5.2. Sistema elétrico153
5.3. Definições e conceitos154
5.4. Tensão de fornecimento160
5.5. Estrutura tarifária162
5.7. ETST – Energia temporária para substituição170
5.8. ICMS: cobrança e sua aplicação171
5.9. Cobrança de multa e seu percentual171
5.10. Fator de potência ou energia reativa excedente171
5.1. Análise do perfil de utilização de energia elétrica177
5.12. A importância dos indicadores de eficiência energética186
5.13. Comercialização de energia189
5.14. Referências bibliográficas193

Capítulo 6 – ANÁlISE ECONOMICA EM CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Edson da Costa Bortoni e Afonso Henriques Moreira Santos

6.1. Introdução195
6.2. O fluxo de caixa195
6.3. Critérios para tomada de decisão198
6.4. Tópicos avançados209

Capítulo 7 - IlUMINAÇÃO Roberto Akira Yamachita, Jamil Haddad e Marcos Vinícius Xavier Dias

7.1. Introdução213
7.2. Definições213
7.3. Lâmpadas incandescentes225
7.4. Lâmpadas de descarga227
7.5. Cálculo de iluminação238

Capítulo 8 – BOMBAS DE FlUXO E VENTIlADORES Augusto Nelson Carvalho Viana

8.1. Introdução249
8.2. Conceitos e definições250
8.3. Comportamento das bombas de fluxo e ventiladores267
8.4. Análise da bomba operando com rotação constante e variável273
8.5. Balanço de energia no conjunto moto-bomba ou moto-ventilador274
8.6. Laboratórios de ensaios de bombas276
8.7. Considerações e comentários287
8.8. Referências bibliográficas290

Capítulo 9 – REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO

Marcelo José Pirani, Osvaldo Venturini, Alexandre Augusto Simões e Manuel da Silva Valente de Almeida

9.1. Introdução293
9.2. Conceitos importantes294
9.3. Refrigeração por compressão de vapor300
9.4. Refrigeração por absorção de vapor313
9.5. Bombas de calor315
9.6. Ar condicionado320
9.7. Fluidos refrigerantes330
9.8. Termoacumulação340
9.9. Conservação de energia em sistemas de refrigeração344

Capítulo 10 – CAlDEIRAS E FORNOS André Ramon Silva Martins e Fábio José Horta Nogueira

10.1. Introdução349
10.2. Conceitos basicos349
10.3. Combustíveis356
10.4. Combustão363
10.5. Fornos e caldeiras371
10.6. Isolantes térmicos e refratários384
10.7. Eficiência térmica388
10.8. Referências bibliográficas394

Capítulo 1 – ACIONAMENTOS COM MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS Edson da Costa Bortoni e Afonso Henriques Moreira Santos

1.1. Introdução397
1.2. A maquina “Motor de Indução”398
1.3. Motor de alto rendimento402
1.4. Partida de motores414
1.5. Análise térmica420
1.6. Aplicação eficiente424
1.7. Fatores de influência no desempenho de motores427
1.8. Análise econômica430
1.9. Economia de energia com o uso de controles de velocidade432

Capítulo 12 – COMpRESSORES E AR COMpRIMIDO Fábio José Horta Nogueira

12.1. Introdução439
12.2. Histórico439
12.3. Importância do ar comprimido441
12.4. Compressores442
12.5. Tópicos básicos sobre termodinâmica449
12.6. Instalações de ar comprimido461
12.7. Aumento da eficiência energética467
12.8. Referências bibliográficas473

Capítulo 13 – TRANSFORMADORES

Edson da Costa Bortoni, Pedro Paulo de Carvalho Mendes, Cláudio Ferreira e Roberto Akira Yamachita

13.1. Características construtivas477
13.2. Perdas elétricas em transformadores481
13.3. Cálculo das perdas em um transformador485
13.4. Cálculo da eficiência de um transformador487
13.5. Operação de transformadores em paralelo489
13.6. Novas tecnologias490
13.7. Operação otimizada494

Capítulo 14 – INVERSORES DE FREQUÊNCIA Valberto Ferreira da Silva e José Antônio Cortez

14.1. Introdução503
14.2. Diagrama em blocos503
14.3. Sentido do fluxo de potência504
14.4. A técnica de geração das tensões505
14.5. Outras técnicas505
14.6. Funcionamento interno509
14.7. Inversor trifásico510
14.8. Características do MIT514
14.9. Aplicações515
14.10. Inversores microprocessados518
14.1. Tendências521
14.12. Referências bibliográficas523

Capítulo 15 - QUAlIDADE DA ENERGIA ElÉTRICA Paulo Henrique Ramalho Pereira Gama

15.1 Introdução525
sobre a qualidade da energia elétrica ............................................................... 563

15.2. Os programas de conservação de energia elétrica e seus impactos

por algumas medidas de conservação ............................................................. 572
15.4. Quantificação e contabilização das perdas devido aos harmônicos582

15.3. Exemplos de medidas de distorções harmônicas causadas 15.5. Referências bibliográficas ....................................................................................... 589

Para definir estratégias, como a de mobilizar a sociedade para o uso responsável e eficiente da energia elétrica, combatendo seu desperdício, o Governo Federal, por intermédio do Ministério de Minas e Energia, criou, em 1985, o PROCEL - Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica, cuja Secretaria Executiva é exercida pela Eletrobrás.

Ao economizar energia, estamos adiando a necessidade de construção de novas usinas geradoras e sistemas elétricos associados, disponibilizando recursos para outras áreas e contribuindo para a preservação da natureza.

A partir de sucessivas crises nacionais e internacionais, afetando o abastecimento, durante as quais a economia de energia passou a fazer parte de um grande esforço nacional de combate ao desperdício, o PROCEL ampliou sua área de atuação, desenvolvendo uma série de projetos, dirigidos para as classes de consumo industrial, comercial, residencial, iluminação pública, rural e poder público, com ênfase em prédios públicos.

Concomitantemente, dentre outras iniciativas relevantes, o Programa contribuiu para a melhoria do rendimento energético de materiais e equipamentos elétricos de uso final, por meio da outorga do Selo de Economia de Energia, capacitou tecnologicamente centros de pesquisa e laboratórios, visando à implementação da Lei de Eficiência Energética (Lei 10.295 de 17 de outubro de 2001), além de interagir com a Educação Formal do País em conformidade com a Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional, com o objetivo de retirar o consumo perdulário do Brasil, avaliado em cerca de 20% do consumo total de energia elétrica do país.

A interação com o processo educativo se fez, a partir de 1993, por meio de um Acordo de Cooperação Técnica entre os Ministérios de Minas e Energia e o da Educação, estabelecendo, para cada nível de ensino, uma forma apropriada de abordar as questões da conservação de energia.

Na Eletrobrás/PROCEL, o núcleo denominado PROCEL EDUCAÇÃO se organizou para atender à nova demanda, estabelecendo parcerias com competências técnicas educativas que pudessem desenvolver um produto adequado à Educação Básica, à Educação Média Técnica e à Educação Superior.

Prefácio

A conservação de energia, como conceito socioeconômico, tanto no uso final como na oferta de energia, está apoiada em duas ferramentas, para conquistar sua meta: mudança de hábitos e eficiência energética. Na área educativa, o foco “mudança de hábitos” ficou sediado na Educação Básica (Infantil, Fundamental e Média). Nas Escolas Técnicas (nível médio) e nas Instituições de Nível Superior, ficaram sediadas as questões da eficiência energética, diretamente ligadas às técnicas e tecnologias disponíveis para a conservação de energia.

A eficiência energética, como instrumento de conservação de energia, cada vez mais se aproxima das necessidades do cidadão brasileiro, notadamente, aqueles que compõem os corpos docentes e discentes de nossas universidades. Assim sendo, é preciso que sistemas, metodologias, tecnologias, materiais e equipamentos, que possibilitem melhoria da eficiência eletro energética, sejam conhecidos por professores e alunos do ensino superior, principalmente os de engenharia e os de arquitetura, os quais estão diretamente conectados ao tecnicismo envolvido com esse tema.

É com esse intuito que esta publicação, resultado da parceria entre a Eletrobrás/PROCEL e a Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI-MG), se renova para continuar atendendo às disciplinas de eficiência energética nas Instituições de Ensino Superior e aos profissionais que, porventura, trabalhem ou se interessem por esse assunto.

Luiz Eduardo Menandro de Vasconcellos Eletrobrás/PROCEL

Apresentação

Esta obra, revisada e ampliada, busca apresentar os fundamentos e as tecnologias para o uso racional da energia, para os setores industrial e de serviço. De fato, nunca se falou tanto de energia e de como conservá-la como agora, seja como decorrência da crise energética brasileira de 2001 ou das preocupações ambientais e geo-políticas mundial relacionadas aos combustíveis fósseis e seus prováveis substitutivos. Assim, o surgimento de um quadro de dificuldades para o atendimento do mercado de energia elétrica a partir de maio de 2001, impondo diversas ações governamentais e de toda a sociedade restituíram ao tema energia a verdadeira dimensão que lhe foi subtraída desde que os efeitos dos choques do petróleo dos anos setenta foram diluídos ao longo das décadas seguintes.

Embora esse assunto tenha ganhado repercussão e chegado às páginas dos jornais, não se trata de um tema novo, pois há anos engenheiros, economistas e executivos envolvidos com sistemas energéticos têm sido freqüentemente conclamados a conservar energia e reduzir desperdícios nos mais variados níveis de produção e consumo. De fato, usar bem a energia é uma forma inteligente de gerir adequadamente as demandas e melhorar a produtividade em qualquer contexto, com benefícios ambientais e econômicos, tanto em escala local como para toda a nação. Usar bem energia talvez seja uma das poucas alternativas para enfrentar racionalmente as preocupantes expectativas de expansão da demanda.

Um primeiro momento onde a conservação de energia se destacou foi exatamente a partir dos choques de petróleo ocorridos na década de 70, que impuseram a necessidade de se economizar petróleo e seus derivados como conseqüência da elevação brusca dos preços internacionais deste insumo. Nesse sentido, pode-se citar como um primeiro esforço institucional de conservação de energia, com metas claramente definidas e na área de combustíveis líquidos, o Protocolo assinado, em 1979, entre o então Ministério da Indústria e do Comércio e a ANFAVEA, prevendo uma redução de 20% do consumo de combustíveis através de automóveis a álcool. Enquanto a primeira fase do PROÁLCOOL após 1973 tratava do álcool aditivado, a segunda fase, após 1979, necessitava de motores desenvolvidos para funcionarem com álcool hidratado (não apenas com a adição do álcool a gasolina). Com esse programa se colocava a questão da introdução de novas tecnologias e não apenas o aperfeiçoamento dos automóveis que já existiam. Também nesta época, o governo federal ofereceu estímulos à conservação e substituição do óleo combustível consumido na indústria, criando em 1981 o programa CONSERVE no âmbito do Ministério da Indústria e Comércio.

À conjuntura recessiva da década de oitenta seguiu-se uma redução no consumo de energia elétrica, gerando um excedente que seria comercializado sob a denominação de Energia Garantida por Tempo Determinado - EGTD. Esta iniciativa combinou-se perfeitamente com a anterior, sendo verificado uma crescente utilização da eletricidade para fins térmicos. A eletrotermia contribuiu significativamente para redução do consumo dos derivados, introduzindo novos patamares de eficiência na indústria e abrindo um mercado até então inexplorado pelas concessionárias de energia. Ultrapassando o limite até então estabelecido pelo “medidor de energia”, as companhias distribuidoras passam a entrar nas instalações dos consumidores, diagnosticando seus equipamentos, propondo tecnologias eficientes e contribuindo para a venda de novos produtos mais eficientes energeticamente. Inúmeros institutos de pesquisa tiveram atuação relevante tanto no âmbito do Conserve como na comercialização da EGTD, onde se destacaram o Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT, em São Paulo, e o Instituto Nacional de Tecnologia - INT, no Rio de Janeiro.

Ocorre que aqueles excedentes de eletricidade não eram perenes e o aviltamento das tarifas combinou-se perversamente com a retomada do crescimento da economia, anunciando desde então a crise que eclodiria quinze anos após. Naquela ocasião, o Ministério das Minas e Energia - MME procurando adiantar-se à escassez, assumiu a liderança do processo de fomento à eficiência energética e implantou, em fins de 1985, o Programa de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL).

Uma das iniciativas pioneiras patrocinadas pelo Programa foram os projetos de Diagnóstico do potencial de conservação de energia elétrica nas empresas dos setores industrial e comercial. Data desta época, também, o Manual de autoavaliação dos pontos de desperdício de energia elétrica, patrocinado pela então Agência de Aplicação de Energia de São Paulo.

Desenvolvendo estudos aplicados em sistemas energéticos desde 1980, um grupo de professores da Escola Federal de Engenharia de Itajubá (EFEI), hoje Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), com o apoio primeiro da Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG) e hoje também do PROCEL, criaram em 1988, o Curso sobre Estudos de Otimização Energética (COENE). Era preocupação dos coordenadores do curso que os então estudos de diagnóstico energético fossem complementados por projetos de otimização energética, buscando contemplar os diversos usos da energia, integrando as várias formas da energia. Um dos objetivos deste curso era -e continua sendo- capacitar técnicos na elaboração de estudos específicos e setoriais de racionalização energética, propondo soluções integrais de conservação de energia.

Um diferencial importante desta iniciativa foi o desenvolvimento de trabalhos de campo, em estabelecimentos comerciais e industriais da região, onde os participantes do curso puderam colocar em prática os ensinamentos teóricos vistos nas aulas e nos laboratórios da UNIFEI. Ao final de duas semanas de treinamento, as equipes apresentavam para os professores e representantes das empresas envolvidas nos projetos, os resultados encontrados nos estudos de otimização energética.

Durante as várias edições do COENE desenvolveu-se um extenso material didático, utilizado como apoio nas aulas. Os artigos e apostilas produzidas deram origem a este livro, agora disponível para todos profissionais interessados em introduzirem-se ou aprofundarem-se nas técnicas da eficiência energética. Chega em hora extremamente oportuna, portanto.

É importante registrarmos o apoio que sempre tivemos dos funcionários e dirigentes da FUPAI bem como dos colegas e corpo administrativo da UNIFEI.

Este trabalho ao mesmo tempo estimulante e gratificante, tornou-se possível somente devido à confiança do PROCEL e da CEMIG depositada naquele grupo de professores e alunos da então EFEI. Gostaríamos, então, de expressar nossa gratidão, inicialmente à CEMIG, representada na época pelos Engenheiros Jaime Antônio Burgoa e Ricardo Cerqueira. O apoio da Eletrobrás e do PROCEL foram fundamentais para viabilizar este projeto. Destas entidades recebemos o incentivo de vários colegas e entusiastas da eficiência energética, tanto ao nível da sua Diretoria, na pessoa do seu presidente, Dr. Firmino Ferreira Sampaio Neto e, bem como do Dr. Mário Fernando de Melo Santos, então diretor de operação de sistemas e secretário executivo do PROCEL. Não poderíamos deixar de mencionar o apoio efetivo de Paulo Cezar Coelho Tavares, Geraldo da Silva Pimentel, José de Alencar Medeiros Filho e Marcos Luiz Rodrigues Cordeiro, então dirigentes do Programa. Da mes- ma forma, os atuais diretores da Eletrobrás e executivos do PROCEL continuaram depositando sua confiança em nossas ações, onde fazemos questão de agradecer o apoio do atual Presidente, Dr. Aloisio Marcos Vasconcelos Novais, do Diretor de projetos especiais e desenvolvimento tecnológico e industrial, Dr. João Ruy Castelo Branco de Castro , do chefe do departamento de planejamento e estudos de conservação de energia, Dr. Luiz Eduardo Menandro de Vasconcellos e os responsáveis das divisões de suporte técnico Dr. Emerson Salvador e Hamilton Pollis.

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