AVALIAÇÃO DO IMPACTO ENERGÉTICO DO USO DE LÂMPADAS FLUORESCENTES COMPACTAS NO SETOR RESIDENCIAL BRASILEIRO

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1 AVALIAÇÃO DO IMPACTO ENERGÉTICO DO USO DE LÂMPADAS FLUORESCENTES COMPACTAS NO SETOR RESIDENCIAL BRASILEIRO Rafael Balbino Cardoso 1 Luiz Augusto Horta Nogueira 2 EXCEN / UNIFEI 3 RESUMO Entre as ações empreendidas após a crise de suprimento de energia elétrica no início desta década destaca-se a substituição das lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes compactas (LFC`s), cerca de quatro vezes mais eficientes que as incandescentes. O presente trabalho desenvolve uma avaliação do impacto energético dessa medida, em termos de energia e demanda, em particular associado ao uso de lâmpadas eficientes (LFC`s) no setor residencial brasileiro. Segundo a avaliação realizada, que tomou o parque de lâmpadas instaladas no setor residencial (38% eficientes) e um tempo médio de utilização de horas por ano, resultou uma redução na demanda de ponta de MW e num consumo de GWh, correspondentes a cerca de 20% do consumo setorial e significando uma economia de GWh, cerca de 8% do consumo observado em Palavras chave: Lâmpadas Eficientes, Redução de Demanda de Ponta, Economia de Energia. 1 cardosorb@unifei.edu.br/fone: (35) horta@unifei.edu.br (35) Centro de Excelência em Eficiência Energética EXCEN Universidade Federal de Itajubá UNIFEI Av. BPS 1303, , Itajubá-MG

2 ABSTRACT Among the actions taken after the crisis of electricity supply at the beginning of this decade, the replacement of incandescent lamps for compact fluorescent lamps (CFL`s, about four times more efficient than the incandescent) is one of most important. This paper develops an assessment of the impact of this measure in terms of energy saved and demand reduction, especially associated with the use of CFL`s lamps in the residential sector. According to this study, which took into account the park of lamps installed in Brazilian households (38% efficient) and an average time of use of 1,000 hours per year, nowadays lightning in the residential sector corresponds to a peak demand reduction for 4,800 MW and a consumption of about 16,000 GWh, approximately 20% of whole residential sector consumption in The introduction of more efficient lamps has induced an economy of 6,858 GWh, approximately 8% of consumption observed in Key words: Efficient lamps, Peak Demand Reduction, Energy save. 1. INTRODUÇÃO A energia sob forma de luz é muito importante para a qualidade de vida e a produtividade na sociedade humana. Até alguns séculos atrás o período produtivo era limitado ao período iluminado pelo Sol, contudo, depois da criação da lâmpada elétrica esse ciclo se alterou de forma definitiva. Hoje em dia, além de colaborar com o desenvolvimento econômico, social e cultural, uma iluminação bem planejada é fundamental para a segurança da população. Segundo o Balanço de Energia Útil, a iluminação é responsável pelo consumo de aproximadamente 17% da energia elétrica utilizada no país (BEN, 2006). As lâmpadas incandescentes, predominantes no setor residencial, respondem por grande parte deste consumo, no entanto, principalmente após a crise de suprimento elétrico ocorrida em 2001, essas lâmpadas

3 vêm perdendo mercado para modelos mais eficientes (fluorescentes compactas LFC`s) que consomem por volta de quatro vezes menos energia em relação às incandescentes. A Figura 1 compara a eficácia luminosa, definida como a razão entre a radiação luminosa emitida em lumens (lm) e a potência elétrica consumida em watts (W), para os diversos tipos lâmpadas encontradas no mercado brasileiro. As lâmpadas de descarga, entre as quais temos as fluorescentes, necessitam de menores potências para produzirem o mesmo resultado visual do que as lâmpadas incandescentes, apresentando maior eficácia luminosa. 250 lm/w Incandescentes Halogenas Mista Mercúrio Fluorescente comum Fluorescente compacta Metálica Fluorescente eficiente Sódio LED Figura 1. Eficácia luminosa das lâmpadas Fonte: PROCEL (2007) A partir de estudos realizados por Costa (2005), constatou-se que para efeitos práticos de iluminação, considerando 1 lm = 0, W, é possível converter as unidades luminosas em potência e determinar as eficiências luminosas de cada tipo de lâmpada como mostra a Tabela 1.

4 Tabela 1. Eficiência das lâmpadas Tipo de lâmpada Eficiência Energética Eficácia (lm/w) Eficiência (%) Incandescentes 10 a 15 1,5 a 2,2 Halógenas 15 a 25 2,2 a 3,7 Mista 20 a 35 2,9 a 5,1 Vapor de mercúrio 45 a 55 6,6 a 8,1 Fluorescente comum 55 a 75 8,1 a 11,0 Fluorescente compacta 50 a 85 7,3 a 12,4 Metálica 65 a 90 9,5 a 13,2 Fluorescente eficiente 75 a 90 11,0 a 13,2 Vapor de sódio 80 a ,7 a 20,5 LED 130 a ,0 a 29,2 Em anos recentes, novos instrumentos de gestão impulsionaram a eficiência energética no país. Entre esses instrumentos cabe destacar a Lei /2001, que dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia, prevendo o estabelecimento de níveis máximos de consumo específico de energia, ou mínimos de eficiência energética, de máquinas e aparelhos consumidores de energia fabricados e comercializados no país. Destacam-se, ainda, programas de ações voluntárias de informação ao consumidor quanto aos equipamentos elétricos mais eficientes no mercado, como o Programa Selo PROCEL, atuantes na mesma direção (Cardoso, 2007). Um dos grandes desafios da avaliação das ações de eficiência energética é a Medição e Verificação - M&V dos resultados alcançados (Deru et al, 2005). Em várias partes do mundo têm

5 sido usados conceitos de linhas de base (baseline) para a comparação de curvas de cargas antes e após a adoção de medidas de eficiência energética. Em tal contexto, o Protocolo Internacional de Medição e Verificação de Performance PIMVP é uma referência importante, descrevendo métodos para avaliar economias de energia e permitindo desenvolver planos de Medição e Verificação M&V de forma relativamente padronizada para um projeto específico (INEE et al., 2000). Além disso, o PIMVP fornece uma visão geral das melhores práticas atualmente disponíveis para verificar os resultados de projetos de eficiência energética (ANEEL, 2006). Uma revisão detalhada e abrangente das metodologias de M&V consta do Manual para Avaliação do IEA/DSM (Programa de Avaliação das Medidas para a Eficiência Energética e Gerência da Demanda), desenvolvido pela Agência Internacional de Energia e com estudos de casos em países europeus (IEA/DSM, 2006). Para a avaliação do impacto energético do uso de lâmpadas fluorescentes compactas LFC`s no setor residencial brasileiro, utilizou-se a modelagem apresentada no Relatório de Avaliação de Resultados do Programa Selo PROCEL (2007), utilizando conceitos de linha de base. No presente estudo, a linha de base do modelo proposto é um mercado fictício onde o parque de lâmpadas seria formado por lâmpadas incandescente (82%) e fluorescentes tubulares (12%), ou seja, um mercado onde não existem LFC`s. A diferença de consumo de energia entre o mercado com produtos da linha de base e o mercado real estimado (formado por lâmpadas incandescentes, fluorescentes tubulares e eficientes (LFC`s)) corresponde ao valor de economia de energia atribuível às lâmpadas eficientes. A Figura 2 sintetiza os mercados estudados no presente trabalho.

6 MWh Economia observada Mercado com produtos baseline (lâmpadas incandescentes e fluorescentes tubulares ) Mercado real estimado Mercado com 100% L.E Economia potencial Economia ainda possível tempo Figura 2. Abordagem do modelo de avaliação do impacto energético Fonte: PROCEL (2007) A avaliação do impacto energético atribuído às LFC`s do setor residencial brasileiro baseia-se no parque de lâmpadas instalado nos lares do Brasil, da potência média de lâmpadas instaladas por domicílio e no tempo de utilização das lâmpadas, considerando os mercados apresentados na Figura 2. A abordagem foi realizada em base regionalizada para se verificar a distribuição da economia de energia anual nos dois períodos do ano, segundo a classificação da Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL (seco (Maio a Novembro) e úmido (Dezembro a Abril)). A visão esquemática da modelagem é apresentada na figura seguinte. Economia de Energia Parque de Lâmpadas Tempo de utilização por período do ano Potência média (lâmpada) Venda de lâmpadas eficientes (LFC`s) N de domicílios Região do país Mercado da Linha de base (BL) Mercado Real N de lâmpadas por domicílio Mercado Potencial Figura 3. Visão esquemática do modelo de avaliação do impacto energético

7 2. FORMAÇÃO DO PARQUE DE LÂMPADAS NO SETOR RESIDENCIAL O parque de lâmpadas (incandescentes, fluorescentes tubulares e LFC`s (eficientes)) instalado no setor residencial brasileiro pode ser calculado pelo produto entre o número de domicílios com iluminação elétrica existentes no país e o número de lâmpadas instaladas por domicílio. Essas informações foram obtidas pela PNAD/IBGE (2006) e PROCEL (2007), respectivamente em bases regionais. Assim, o parque total de lâmpadas é dado por: P = (1) ti Ndi.n Li onde: Pti = quantidade total de lâmpadas instaladas na região i. Ndi = número de domicílios particulares na região i com iluminação elétrica. nli = número de lâmpadas por domicílios na região i. Para o cálculo da parcela de LFC`s no setor residencial brasileiro, como desenvolvido na avaliação do PROCEL (2007), o número de lâmpadas eficientes nas residências de uma região brasileira em um determinado ano corresponde à soma das vendas dos últimos cincos anos. Essa modelagem se justifica pelo fato da vida útil média das LFC`s ser em torno de cinco anos e o tempo médio de utilização anual de lâmpadas nos setor residencial brasileiro ser cerca de mil horas. Observe-se ainda que essa abordagem assume que todas as vendas de LFC`s se destinou majoritariamente para as residências, já que nos demais setores a iluminação eficiente baseia essencialmente em lâmpadas tubulares. A distribuição das lâmpadas entre as diferentes regiões foi arbitrada com base nos respectivos mercados, determinado pelo número de residências eletrificadas. PLFC i k k-1 k-2 k-3 + k-4 onde: = (V + V + V + V V ).Fr (2)

8 PLFCi - parque de LFC`s em residências da região i V vendas de LFC`s k - refere-se ao ano da análise (no caso do presente trabalho 2005) Fr - fração de residências eletrificadas da região i e relação ao total do país Cabe ressaltar que esta modelagem permite considerar a influência na economia de energia associada às lâmpadas vendidas em anos anteriores ao ano de avaliação do impacto energético. Ou seja, a modelagem de formação do parque de LFC`s em função das vendas anuais, permite que a economia associada às lâmpadas seja avaliada ao longo da vida útil. A Figura 4 mostra que nos últimos anos, o ano de 2001 apresentou maior volume de venda de LFC`s, fato justificado pela crise energética brasileira ocorrida em Milhões de unidades Ano Figura 4. Evolução das vendas de LFC`s no Brasil Fonte: Alice Web/MDIC (2006)

9 3. POTÊNCIA MÉDIA E TEMPO DE UTILIZAÇÃO DAS LÂMPADAS Com o consumo estimado para as três situações de mercado consideradas: a) linha de base (parque fictício formado por lâmpadas incandescentes e fluorescentes tubulares), b) real (parque existente, formado por produtos da linha de base e LFC`s) e c) potencial (parque fictício composto por 100% de LFC`s), torna-se possível calcular a economia de energia atribuída as LFC`s instaladas e por instalar no setor residencial brasileiro, bastando efetuar a diferença entre esses consumos. Para calcular tais consumos, além dos parques de lâmpadas, é preciso conhecer ainda a potência média para cada situação de mercado considerada e o tempo de utilização médio de cada região e período do ano (seco e úmido). Os valores para essas variáveis foram tomados da Pesquisa de Posse e Hábitos de Uso de Equipamentos no Setor Residencial Brasileiro, (PROCEL, 2007), sendo possível determinar a potência média das lâmpadas instaladas no setor residencial brasileiro para as situações de mercado citadas anteriormente, considerando as participações para cada tecnologia como mostra a figura seguinte. 12% 38% 50% Linha de base (B.L) 88% 12% Real 100% Máxima Eficiência (Potencial) 12% Incandescente Fluoresc. tubular Eficientes Figura 5. Condições do parque de lâmpadas instalado no Brasil 2005 Fonte:(PROCEL, 2007)

10 As potências médias para cada situação do mercado são: 55W (linha de base), 42W (Real) e 15 W (Potencial). Os tempos de utilização médios das lâmpadas instaladas nos lares brasileiros foram calculados em bases regionais de modo a incluir os efeitos de latitude para analisar os impactos dos períodos do ano nos resultados de economia de energia, de acordo com a seguinte modelagem: Tu ip = (1-α).Tuc +α.tuc.f(λ ip ) (3) com 24 - Nh ip F( λ ip ) = (4) 12 onde: Tuip Tempo de utilização na região i, no período p α - Fator de susceptibilidade à luz diurna ( adotado como 0,8) Tuc Tempo de utilização anual médio constante (589 h, p.seco e 411 h, p. úmido) F(λ) Duração relativa do dia claro, influenciada pela latitude da região. Nhip Número de horas com luz solar da região i no período p (seco ou úmido). De acordo com as equações (3) e (4), o tempo de utilização das lâmpadas no setor residencial brasileiro, nos dois períodos do ano para as cinco regiões do país, se apresenta conforme a Tabela 2, adotando como latitude média o valor ponderado entre as latitudes médias de cada mesorregião (IBGE, 2000), em função da população. Como citado anteriormente, o ano brasileiro é dividido pela ANEEL em dois períodos: seco (Maio a Novembro), que corresponde a 58,9% do ano e úmido (Dezembro a Abril), que corresponde 41,1% do ano.

11 Tabela 2. Tempo de utilização das lâmpadas (horas) Região Setor Residencial P. seco P. úmido Sul Sudeste Centro-Oeste Nordeste Norte Com efeito, os impactos energéticos das LFC`s variam com os períodos, que possuem dias e noites com durações diferentes. Pela Tabela 2 pode-se concluir que a região que possui maior tempo de utilização no período seco é a região Sul, cerca de 61%, pelo fato do inverno, que ocorre nesse período, apresentar noites mais longas. Em nível nacional, os impactos energéticos atribuídos às lâmpadas instaladas no setor residencial brasileiro ocorrem 60% no período seco e 40% no período úmido, já que estão diretamente relacionados com o tempo de utilização. 4. CONSUMO DE ENERGIA DO PARQUE DE LÂMPADAS Nos capítulos anteriores definiu-se o parque de lâmpadas instalado no setor residencial brasileiro, para cada situação de mercado considerada, a potência média de lâmpadas instalada em cada residência e o tempo de utilização de cada região e período do ano. Com esses valores, torna-se possível calcular o consumo do parque de lâmpadas instalado nos lares brasileiros em cada região do país e período do ano (seco ou úmido), considerando as diferentes configurações de parque instalado de acordo com a seguinte equação: CP (5) Tip = PTi.Tu ip.wt

12 onde: CPTip Consumo de energia do parque de lâmpadas T na região i e no período p. PTi Parque total de lâmpadas T na região i. WT Potência média das lâmpadas T nos diferentes mercados. Com a soma do consumo de energia durante os dois períodos do ano, para todas as regiões do Brasil, para as diferentes situações de mercado consideradas no presente estudo, conseguiu-se obter a evolução do consumo de lâmpadas no setor residencial brasileiro GWh Ano Linha de Base (Incandescentes e tubulares) Real (B.L e eficientes)l Potencial (Eficientes) Figura 6. Evolução do consumo das lâmpadas no setor residencial brasileiro Cabe ressaltar que a estrutura de mercado utilizada para estimar as potências médias e a composição do parque de lâmpadas, utilizadas para obter os resultados do ano de 2006, apresentados pela Figura 6, foram os mesmos de 2005 por ainda não terem sido disponibilizadas tais informações. Considerando os resultados apresentados pelo Balanço Energético Nacional BEN (2006), que indica um consumo de energia elétrica de GWh no setor residencial em 2005,

13 pode-se dizer que o consumo do parque de lâmpadas instalado no setor residencial brasileiro ( GWh) foi responsável por 20% do consumo setorial no mesmo ano. 5. ECONOMIA DE ENERGIA ATRIBUÍDA ÀS LÂMPADAS EFICIENTES Utilizando os resultados de consumo de energia apresentados pela Figura 6 e efetuando a diferença entre os mercados apresentados, foi possível determinar as economias real e potencial, como apresentados na figura seguinte: Economia real (EE) EE = GWh Economia Potencial (EP) EE = GWh GWh B.L (Incandescentes e tubulares) Real (BL + Fluorescentes Compactas) Potencial (100% Fluorescentes Campactas) Figura 7. Economia de energia em iluminação no setor residencial brasileiro A Figura 7 mostra que o setor residencial brasileiro, no ano de 2005, economizou GWh de energia elétrica pela substituição de lâmpadas incandescentes por LFC`s, com um potencial para economizar até GWh. Essa economia potencial seria alcançada se todo o parque de lâmpadas do Brasil fosse composto somente por LFC`s. Observe que tal resultado depende da composição do parque atual de lâmpadas, por sua vez dependente das aquisições em anos anteriores. Considerando os resultados do BEN (2006) a economia de energia devido às

14 LFC`s no ano de 2005 correspondeu cerca 8% de toda energia consumida no setor residencial no mesmo ano. Além da avaliação dos resultados de economia de energia das ações de eficiência energética, também é de grande relevância para o planejamento energético do país a avaliação dos impactos na demanda. O impacto energético na demanda de ponta, atribuído à substituição de lâmpadas incandescentes por LFC`s foi efetuado levando em conta o parque dessas lâmpadas instalado no setor residencial brasileiro e a redução média de potência devido à troca de tecnologia. RDP = P.RMP.FCP (6) i LFCi i onde: PLFCi - Parque de LFC`s compactas na região i. RMP Redução Média de Potência, que é a diferença entre as potências de lâmpadas da linha de base e eficientes. FCPi Fator de coincidência na ponta, ou seja, fração de unidades que são assumidas estarem em operação simultaneamente durante o horário de ponta na região i (estimado no valor de 0,7 para todas as regiões Brasileiras segundo (PROCEL,2007)). Os resultados em nível nacional, para a redução de demanda de ponta, obtidos pela equação (6) foram da ordem de 4,8 GW para o ano de 2005, que seriam correspondentes a cerca de 5% da potência total instalada no país naquele ano (ONS, 2006). 6. CONCLUSÕES A partir de um modelo de formação do parque de lâmpadas no setor residencial brasileiro, baseado no número de domicílios, número de lâmpadas por residência e venda de lâmpadas

15 eficientes, juntamente com estimativas da potência média das lâmpadas instaladas nos lares com seus respectivos tempos de utilização, desagregados por período do ano, foi possível estimar o consumo setorial do parque de lâmpadas no Brasil. Com o consumo do parque de lâmpadas instalado no setor residencial, considerando as diferentes situações de composição do parque de lâmpadas (linha de base, real e potencial) estimou-se que a economia de energia atribuída às LFC`s instaladas no setor residencial brasileiro no ano de 2005 foi de GWh, cerca de 8% do consumo total setorial nesse ano. Em termos de potência, a troca de lâmpadas incandescentes por LFC`s resultou em 4,8 GW na redução de demanda de ponta do ano de 2005, cerca de 5% da potência total instalada no citado ano. Do total de economia alcançada, cerca de 60% ocorreu no período seco, que representa 58,9% das horas do ano e, 40% no período úmido, que representa 41,1% do ano. A maior concentração dos impactos energéticos no período seco se dá pelo fato de que nesse período ocorre o inverno, onde as noites são mais longas e, conseqüentemente as lâmpadas ficam acesas por mais tempo. 7. REFERÊNCIAS Alice Web/MDIC, Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio. Site acessado em 16/06/2006: ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica. Site acessado em 18/06/2006: BEN/MME, Balanço Energético Nacional/Ministério de Minas e Energia. Site acessado em 12/12/2006:

16 Brasil, Lei No , Dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia e dá outras providências, Subsecretaria de Informações do Senado Federal. Cardoso, R.B., Avaliação da Economia de Energia atribuída ao Programa Selo PROCEL em Freezers e Refrigeradores. Dissertação de Mestrado Apresentada à Universidade Federal de Itajubá UNIFEI, Engenharia da Energia, Itajubá, 179 p. Costa, G.J.C, Iluminação Econômica: Cálculo e Avaliação. 3 edição Revisada e ampliada, EDIPUCRS, Porto Alegre. Deru, M., Blair, N. and Torcellini, P., Procedure to Measure Indoor Lightning Energy Performance. Technical Report, NREL/TP IEA/DSM, International Energy Agency, Demand-Side Management Programme, Evaluation Guidebook on the Impact of Demand-Side Management and Energy Efficiency Programmes for Kyoto's GHG Targets, Paris, disponível em ONS, Operador Nacional de Sistemas. Site acessado em 26/04/2006: PNAD/IBGE, Pesquisa Nacional por Amostra a Domicílio/Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Site acessado em 20/12/2006: PROCEL, Relatório de Avaliação de Resultados do Programa Selo Procel de Economia de Energia. DPS/DPST.