UTILIZAÇÃO DE CONTROLADOR DE DEMANDA E GERADOR DIESEL EM UMA UNIVERSIDADE

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1 UTILIZAÇÃO DE CONTROLADOR DE DEMANDA E GERADOR DIESEL EM UMA UNIVERSIDADE Saulo G. Moreira, Wellington R. Araújo, Amâncio R. Silva Jr, Gervásio S. Lara, João C. Okumoto, Rafael Nishimura, Everton A. Martos, Andréa R. Karmouche Laboratório de Eficiência Energética, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Mato Grosso do Sul UFMS Campus Universitário, Caixa Postal 549, CEP Campo Grande-MS eficiencia@del.ufms.br Abstract: This paper describes the operation consequences evaluation of the generation diesel system and demand controller to assist a University loads when occurs electrical power failure originating from the electrical company and also in the peak time, aiming the reduction of costs with the electricity bill. It was concluded that the use of automatic demand controller is an economically viable investment in all of the accomplished simulations, for demands of 1,350 kw to 1,500 kw. It was also concluded that the generating group use in the peak time is only advantageous in case there is not readiness of extra energy from the electrical company. Copyright 2007 CBEE/ABEE Keywords: Diesel generator, demand controller, energy efficiency. Resumo: Este trabalho descreve a avaliação das conseqüências de operação do sistema de geração diesel e controlador de demanda para atender as cargas de uma Universidade quando ocorre falta de energia elétrica oriunda da concessionária e também no horário de ponta, objetivando a redução dos custos da fatura de energia elétrica. A utilização de controlador automático de demanda mostrou-se ser um investimento viável economicamente em todas as simulações realizadas, para demandas de kw a kw. Concluiu-se também que a utilização do grupo gerador no horário de ponta só é vantajosa caso não haja a disponibilidade de energia extra pela concessionária. Palavras Chaves: Gerador diesel, controlador de demanda, eficiência energética. 1 INTRODUÇÃO A Universidade, na qual foi realizado o trabalho, está localizada em Campo Grande MS e tem o seu atual sistema de cargas elétricas atendido pela concessionária estadual de eletricidade a partir de um alimentador proveniente de uma subestação. O enquadramento tarifário é o Horosazonal Verde. Os custos com energia elétrica têm significativa importância no balanço financeiro da instituição de ensino. Este fato justifica um melhor gerenciamento econômico de energia elétrica, com a finalidade de reduzir custos e aumentar lucros. Tal iniciativa coloca em evidência este estudo da utilização de controlador automático de demanda e grupo motorgerador à diesel. Atualmente a instituição possui uma cabine de medição única, em alta tensão, com cargas atendidas e distribuídas em 19 transformadores. Na interrupção desse atendimento, é utilizado um grupo gerador movido a diesel de propriedade da instituição para a alimentação das cargas. Esse grupo gerador é composto de 4 unidades de 450 kva cada, o qual não vem sendo utilizado para funcionamento no horário de ponta devido à opção pela compra de energia extra da concessionária nesse período do dia. Algumas das cargas, as classificadas como não-essenciais, são monitoradas por um controlador automático de demanda. Este estudo tem por objetivo a avaliação das conseqüências de operação do sistema de geração diesel existente para atender todas as cargas da empresa

2 2 quando da falta de energia elétrica oriunda da concessionária estadual de eletricidade. Uma vez que nem todas as cargas estão ligadas ao barramento do grupo gerador, surge o objetivo de fazer com que essas cargas sejam atendidas pelo mesmo, sem que ocorra interrupção no andamento das atividades da instituição. Ressalta-se que o grupo gerador a princípio não consegue atender toda a carga existente. Desse modo, será buscada uma solução que proporcione o funcionamento satisfatório do grupo gerador quanto à alimentação das cargas elétricas. Objetiva-se também, verificar a viabilidade de utilização desse grupo gerador no horário de ponta (17:30 às 20:30 h) com o objetivo de reduzir os custos da fatura de energia elétrica. Para essa situação deve ser observada a curva de carga característica da empresa no horário de ponta. Dessa forma, pode-se determinar a possibilidade ou não do grupo gerador ser capaz de atender a demanda durante esse período. As análises das cargas essenciais, prioritárias e não-essenciais contemplam o estudo de viabilidade da aplicação de controlador automático de demanda. Com isso, os custos e retornos financeiros da utilização das tecnologias de controle automático de demanda e grupo motor-gerador são determinados. 2 SISTEMA ELÉTRICO DE ALTA TENSÃO DA UNIVERSIDADE A Universidade possui várias subestações de transformação de energia de alta para baixa tensão, distribuídas conforme a necessidade de alimentação de cada bloco. O sistema elétrico de alta tensão (13,8 kv) pode ser representado pelo diagrama unifilar da Figura 1. Figura 1: Diagrama unifilar das cargas. De acordo com a Figura 1, onde existe o destaque em cor azul refere-se ao sistema de cargas não atendido pelo grupo gerador diesel. Verifica-se que as cargas em azul estão ligadas antes do barramento que é atendido pelo sistema da concessionária ou pelo grupo gerador, conforme seccionamento das chaves. Dessa forma, identificam-se dois barramentos, os quais ligam as cargas existentes. Os barramentos são o barramento A (ligadas à rede pública de energia), e o barramento B (cargas ligadas ao grupo gerador). Nesta situação, algumas cargas são ligadas somente à rede pública de energia e as demais são ligadas à rede pública de energia e ao grupo gerador. 3 O GRUPO GERADOR A DIESEL A instituição possui 4 geradores a Diesel de 450 kva com motor Cummins Stemac ligados em paralelo entre si. A ligação com a concessionária é realizada por sistema em rampa que utiliza como comando um quadro de transferência e um disjuntor. Na falta de energia por parte da concessionária da cidade, o grupo gerador entra automaticamente em funcionamento para suprir a energia dos setores ligados a ele. A transição entre os sistemas (concessionária e grupo gerador) é feita em poucos segundos. Atualmente, o grupo gerador não está sendo utilizado no horário de ponta, pois a empresa está utilizando a energia extra disponibilizada pela concessionária com preço por kwh reduzido em relação a tarifação normal para esse período diário. Posteriormente, no presente estudo, será analisada a viabilidade de utilização no horário de ponta, considerando a curva de carga típica da Universidade nesse horário, o preço da geração do kwh com o grupo gerador e outros fatores envolvidos. 4 ADEQUAÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO Através do diagrama unifilar ilustrado na Figura 1, verifica-se que ligados ao grupo gerador estão apenas os transformadores: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09 e 15. Os demais transformadores: 10, 11, 12, 13, 16, 17, 18 e 19 são alimentados apenas pela rede pública de energia. Abordando o aspecto da carga suprida pelo grupo gerador, verifica-se a necessidade de uma adequação do sistema elétrico da empresa pelo fato de haver um determinado conjunto de cargas que não possui ligação alguma com o grupo gerador. Portanto numa eventual falta de energia por parte da rede pública de fornecimento essas cargas não seriam atendidas em caráter emergencial pelo grupo gerador. Ou também, caso a Universidade venha a fazer uso dessa alternativa de geração de energia no horário de ponta, os setores atendidos pelos transformadores não ligados aos geradores ficariam comprometidos. Partindo-se para o objetivo em questão, que é ligar essas cargas ao grupo gerador, de modo que elas também sejam atendidas e não tenham seu funcionamento interrompido, pode-se determinar uma nova configuração da rede de distribuição de energia em alta tensão. Assim, na Figura 2, é observado o diagrama unifilar com todos os transformadores sendo ligados ao barramento B: 2

3 dia. Portanto, nessa situação pode-se considerar uma capacidade de kva / kw (adotando um fator de potência corrigido de 0,92). Essa última condição não se enquadra nas características da empresa, pois a utilização do GMG se limitará aos períodos de falta de energia da concessionária ou possivelmente no horário de ponta. Entretanto, para efeito de utilização segura do grupo gerador, sem que haja risco algum de danos ao equipamento, será considerada uma capacidade de carga equivalente à menor das últimas três descritas, ou seja, kw. Figura 2: Nova configuração do sistema em alta tensão. 5 DEMANDA MÁXIMA E CAPACIDADE DO GRUPO GERADOR A partir do momento em que todos os transformadores estejam ligados ao barramento B, surge um outro aspecto de notória importância, que é a demanda máxima da empresa e a capacidade do grupo gerador. Deve se conhecer quantos kw os geradores são capazes de fornecer e verificar qual é a demanda típica da instituição para que se possam determinar ações que garantem o atendimento satisfatório das cargas. Segundo a norma mundial ISO 8528, existem três condições de potência em função dos regimes de funcionamento para um gerador. A primeira é a ESP (Emergency Standby Power): É a potência disponível (sob cargas variáveis) limitado a um funcionamento de 500 horas por ano, sem possibilidade de sobrecarga. (Considera-se a potência máxima). Ou seja, essa é a potência considerada para os casos de eventuais faltas de energia por parte da concessionária. Portanto, nessa situação pode-se considerar uma capacidade de kva / kw (adotando um fator de potência corrigido de 0,92). A segunda condição de potência é a PRP (Prime Power): é a potência disponível (sob cargas variáveis) com possibilidade de sobrecarga de 10% a cada 12 horas. (Considera-se 90% da capacidade nominal). Essa condição é usualmente considerada por instaladores e profissionais de dimensionamento de GMG s (Grupo Motor Gerador) como sendo a operação apenas no horário de ponta (3 horas diárias seguidas, exceto sábados, domingos e feriados). Portanto, nessa situação pode-se considerar uma capacidade de kva / kw (adotando um fator de potência corrigido de 0,92). Considerando esse valor de potência ativa, pode-se afirmar que o grupo gerador não será capaz de atender toda a carga da empresa em determinados períodos, haja vista que em muitos momentos a demanda está acima desse valor. A seguir, na Figura 3, é apresentando o gráfico que ilustra melhor essa situação. Figura 3: Curva de carga geral. É necessário, portanto, uma adequação do atendimento das cargas pelo grupo gerador, tanto para o horário de ponta (caso a instituição venha a utilizá-lo nesse período) quanto para os instantes de falta de energia da concessionária. Na figura anterior, está representada a curva de carga (na cor azul), em um período diário. Está também representada por meio de um traço constante (na cor vermelha), a carga máxima que pode ser atendida pelo grupo gerador (1.325 kw). É necessário então que seja feito o desligamento de determinadas cargas quando a alimentação do sistema elétrico for suprida pelo grupo gerador. Atualmente, o controlador de demanda atua desligando algumas cargas, sendo elas: ar condicionado central, ar condicionado da Biblioteca, ar condicionado da Administração. A condição de carga conseguida através desse desligamento pode ser vista na Figura 4. A terceira condição de potência é a COP (Continuous Power): É a potência disponível para utilização 24 horas por dia sob carga constante, sem possibilidade de sobrecarga. (Considera-se 80% da capacidade nominal). Nessa condição consideram-se as situações em que a única fonte de energia é o GMG, ou seja, não há atendimento de nenhuma rede de concessionária e os geradores trabalharão 24 horas por 3

4 4 Figura 4: Curva de carga geral da Universidade (desligadas as cargas de ar condicionado central, ar condicionado da Biblioteca, ar condicionado da Administração). As cargas de ar condicionado da Biblioteca, da Administração, Ar Condicionado Central, além dos condicionadores de ar das Clínicas e Laboratórios, foram todos considerados como sendo cargas nãoessenciais, ou seja, cargas em que o seu desligamento não implica em paralisação parcial ou total das atividades na instituição. As demais cargas foram consideradas como sendo essenciais ou prioritárias. De acordo com o gráfico da Figura 4, pode-se verificar que mesmo o controlador de demanda atuando através do desligamento das 3 cargas citadas, a demanda máxima (1.560 kw) é superior à capacidade máxima do grupo gerador. Dessa forma torna-se necessário que mais alguma carga não essencial seja desligada para levar a demanda a um nível abaixo da potência fornecida pelos geradores. Considera-se que o ar condicionado dos Laboratórios também seja desligado e tem-se a condição de carga estimada na Figura 5. Figura 5: Curva de carga estimada da Universidade (desligada a carga de ar condicionado dos Laboratórios na seqüência de desligamento do controlador de demanda). Figura 6: Curva de carga estimada da Universidade (desligada a carga de ar condicionado dos Laboratórios e das Clínicas lado direito - na seqüência de desligamento do controlador de demanda). 6 VIABILIDADE ECONÔMICA DA UTILIZAÇÃO DO GRUPO GERADOR NO HORÁRIO DE PONTA A aquisição de um grupo gerador geralmente se justifica por ser vantajosa sua utilização no horário de ponta (para consumidores enquadrados nas tarifações horosazonais). No caso estudado, os geradores existentes não vêm sendo utilizados durante o período de ponta, pois a instituição possui um contrato de compra de energia extra da concessionária para esse horário do dia. A energia extra é disponibilizada pela concessionária justamente para que o consumidor opte por utilizá-la no horário de ponta em detrimento do uso do gerador. Nesse tópico será analisada a viabilidade econômica da utilização do grupo gerador no horário de ponta para atender a carga total, considerando a situação atual - onde a instituição utiliza a energia extra - e uma possível situação futura - caso não haja mais disponibilidade de energia extra. A análise será feita baseada na continuação do enquadramento tarifário na opção Horosazonal Verde. A Figura 7 mostra o histórico de consumo da instituição no horário de ponta em um período de 12 meses. De acordo com a Figura 5, essa condição está próxima do ideal para o funcionamento do grupo gerador a diesel de forma satisfatória, visto que sua capacidade é ultrapassada somente em dois instantes. A Figura 6 exibe a curva de carga considerando a inclusão das cargas de ar condicionado das clínicas (lado direito) no controlador de demanda, situação tida como ideal, uma vez que a capacidade do gerador não é ultrapassada em nenhum momento. 4

5 kwh Consumo no horário de ponta utilizando o grupo gerador. Por outro lado, a não utilização desse equipamento implicaria em um custo médio mensal de R$ ,66 (Cinqüenta e Três Mil Oitocentos e Trinta e Três Reais e Sessenta e Seis Centavos), ou seja, aproximadamente 88 % mais caro que o custo com utilização do grupo gerador dez/ jan/06 fev/06 mar/06 abr/06 Consumo no horário de ponta mai/06 jun/06 Mês Figura 7: Histórico de consumo da Universidade no horário de ponta (17:30 às 20:30 h). Do consumo registrado no horário de ponta, a Universidade paga mensalmente kwh com tarifa normal para esse período (em torno de R$ 1,30/kWh) e o que ultrapassa esse número é tarifado como energia extra (em torno de R$ 0,30/kWh). O custo operacional do grupo gerador diesel (combustível + manutenção) é de aproximadamente R$ 0,70/kWh. Com base nesses dados, pode-se estabelecer uma comparação de custos em diferentes situações de funcionamento e faturamento no horário de ponta. A Figura 8 ilustra essa comparação baseada no consumo no horário de ponta nos últimos 12 meses. R$ 80000, , , , , , , ,00 0,00 dez/05 jul/06 ago/06 set/06 Comparação de custos no horário de ponta jan/06 fev/06 mar/06 abr/06 mai/06 jun/06 jul/06 ago/06 set/06 out/06 Mês Custo do Consumo HP (com energia extra - situação atual) Custo do Consumo HP (com gerador) Custo do Consumo HP (sem energia extra e sem gerador) Figura 8: Comparação de custos com consumo no horário de ponta da Universidade. De acordo com o gráfico da Figura 8, verificase que a atual condição de funcionamento, utilizando energia extra, é a que representa o menor custo com consumo no horário de ponta. Em média esse custo foi de R$ ,69 (Dezessete Mil Quatrocentos e Quinze Reais e Sessenta e Nove Centavos) por mês. Embora a energia extra se apresente bastante atrativa para a Universidade, há de ser considerada a possibilidade da não existência desse tipo de energia no futuro. Baseado nessa possibilidade ressalta-se que a utilização do grupo gerador, de acordo com as condições de carga estabelecidas no item 6 deste trabalho, representa um menor custo para o consumo no horário de ponta. Em média o custo seria de R$ ,00 (Vinte Oito Mil Setecentos e Sete Reais) mensais, out/06 nov/06 nov/06 Ressalta-se que os geradores deverão trabalhar de acordo com a condição de carga prevista no item 6 programação do controlador de demanda para retirar 5 cargas não essenciais: Ar condicionado Central, Ar condicionado da Biblioteca, Ar condicionado da Administração, Ar condicionado dos Laboratórios, Ar Condicionado das Clínicas (lado direito); visando manter inatingível a capacidade máxima do grupo gerador, kw. 7 VIABILIDADE ECONÔMICA DA UTILIZAÇÃO DE CONTROLADOR DE DEMANDA Para a instalação de um controlador automático de demanda na instituição foram consideradas algumas particularidades, como a aquisição de equipamentos diretamente do fabricante para a Universidade, com a finalidade de evitar bitributação. A Central de Ar Condicionado é controlada através do sistema já existente de controle próprio. O chiller, as bombas e tudo mais são interligados através de uma rede de comunicação CCN. O fato de desligar o Ar Condicionado Central não significou a instalação de nenhum item adicional ao sistema que já existia, exceto um ponto de software dentro de um sistema já existente. Considerando itens como o software, plataforma datacollection, módulo para monitoramento via WEB, conversor RS485, conversores ethernet e contatoras, o custo estimado do sistema de controle automático de demanda em operação na empresa é estimado em aproximadamente R$ ,00 (Oitenta e Cinco Mil Reais). Ainda é previsto um custo mensal em torno de R$ 350,00 (Trezentos e Cinqüenta Reais), referente à manutenção deste sistema, que é igual à de um painel elétrico normal, e ainda a parte específica de software, no qual é recomendado que seja feita uma revisão pelo menos semestral, o que pode implicar em custos de mão de obra e despesas com transporte e estadia. Muitos problemas podem ser resolvidos remotamente, através da Internet, por exemplo. O estudo de definições de contratos de demanda junto à concessionária, com base principalmente em campanha de medições nos transformadores, mostrou a necessidade de uma demanda de contrato que permita a curva de carga atingir valores da ordem de kw, sem a cobrança de demanda de ultrapassagem. Uma demanda contratada de kw permite obter uma demanda medida de kw, sem aplicação da tarifa de ultrapassagem (no caso dessa empresa, limite de 10% acima da demanda contratada, conforme Art. 56 da 5

6 6 Resolução nº. 456 da ANEEL, de 29 de Novembro de 2000). Ainda no estudo supracitado, a análise de memória de massa permite concluir que em muitos dias a curva de carga atinge valores máximos bem abaixo de kw. As cargas tidas como não-essenciais podem ser desligadas nos dias em que a demanda atingir valores pré-determinados, com a finalidade de se fazer um contrato de demanda bem abaixo de kw, sem que haja aplicação de ultrapassagem, visto que as cargas essenciais e prioritárias totalizam uma demanda próxima a kw. Com base nas tarifas em vigência, a Figura 9 apresenta os custos estimados, ao longo de 10 anos, com demandas que se enquadram no regime de operação da instituição e utilização de controlador de demanda, comparados à situação de não utilização de controlador automático de demanda. R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 Pay-Back do Investimento em Controlador Automático de Demanda Demanda Contratada kw Demanda Contratada kw Sem Controlador de Demanda Demanda Contratada kw Demanda Contratada kw R$ ,00 Meses R$ 0, Figura 9: Tempo de retorno financeiro dos investimentos em controlador automático de demanda. Para a situação que não considera a utilização de controlador de demanda, foram considerados um contrato de demanda de kw, e um custo médio mensal de R$ ,74 (Trinta e Oito Mil Oitenta e Sete Reais e Setenta e Quatro Centavos). O pay-back do investimento quando comparado com um contrato de demanda de kw é de 11 meses, com uma economia após 5 anos (60 meses) de R$ ,64 (Trezentos e Oitenta e Oito Mil, Oitenta e Seis Reais e Sessenta e Quatro Centavos), o que representa uma redução nos custos de aproximadamente R$ ,00 (Novecentos Mil Reais) em 10 anos (120 meses). Mesmo com a contratação de kw, o investimento em controlador automático de demanda é viável economicamente, com pay-back de 18 meses e uma economia ao longo de 10 anos em torno de R$ ,00 (Setecentos Mil Reais). Para a contratação de kw é considerada a utilização de controlador de demanda para desligar cargas, de tal forma que a demanda não ultrapasse kw (10% além da demanda contratada). 8 CONSIDERAÇÕES FINAIS O crescimento da estrutura física com conseqüente crescimento de cargas elétricas, tornou o grupo gerador diesel existente na Universidade incapaz de atender satisfatoriamente à todas as cargas da instituição. Conforme observado através dos gráficos que representam a curva de carga, a potência que o grupo gerador é capaz de atender é de kw, enquanto a carga estimada total da empresa pode atingir valores próximos a kw (Figura 3). Dessa forma, fica evidenciado que em caso de falta de energia por parte da concessionária local, o grupo gerador ficaria sobrecarregado na alimentação de todas as cargas. Para a situação citada, a solução é fazer o desligamento dos transformadores destinados a atender os sistemas de ar condicionado central, da biblioteca, do prédio da administração, dos laboratórios e das clínicas (lado direito). A opção pelo desligamento dessas cargas se justifica pelo fato de que estas não são essenciais à continuidade das atividades normais da Universidade. O desligamento será feito através do sistema de controle de demanda e durará até que a energia proveniente da concessionária seja restabelecida. Durante a falta de energia, através da retirada de funcionamento dessas cargas, o grupo gerador poderá atender normalmente o restante das cargas, pois estas últimas perfazem uma potência total que pode atingir valores em torno de kw no máximo (Figura 6). Pelo histórico de faltas de energia, conforme informação de funcionários da instituição, o número de ocorrências é baixo e por pouco tempo (em torno de 1 vez ao mês, com interrupções de aproximadamente 10 minutos). A utilização de controlador automático de demanda, com a finalidade de redução dos custos com demanda contratada, mostrou-se ser um investimento viável economicamente em todas as simulações realizadas, para demandas de kw a kw, selecionadas em função do perfil de funcionamento das cargas essenciais e prioritárias da Universidade. 9 REFERÊNCIAS Conservação de Energia Eficiência Energética de Instalações e Equipamentos. Itajubá: Ed. EFEI, p International Organization for Standardization - ISO e Reciprocating internal combustion engine driven alternating current generating sets; part 1: application, ratings and performance ELETROBRÁS PROCEL. Manual de Conservação de Energia Elétrica em Edifícios Comerciais e Públicos. Rio de Janeiro, Filho, João Mamede (1995). Instalações Elétricas Industriais, Editora LTC, Rio de Janeiro-RJ. ANEEL. Resolução ANEEL nº. 456, de 29 de novembro de D.O.U. 30/11/