USO DOS FATORES DE DEMANDA E DE CARGA COMO FERRAMENTAS DE GESTÃO ELÉTRICA EM UNIDADES RESIDENCIAIS DO MUNICÍPIO DE MEDIANEIRA-PR

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1 USO DOS FATORES DE DEMANDA E DE CARGA COMO FERRAMENTAS DE GESTÃO ELÉTRICA EM UNIDADES RESIDENCIAIS DO MUNICÍPIO DE MEDIANEIRA-PR taiomara cardoso dalsotto (UTFPR ) taiomaradalsotto@hotmail.com Taise Vanessa Becker (UTFPR ) taise.becker@gmail.com Debora de Souza Soares (UTFPR ) deborasouzasoares@yahoo.com.br Filipe Marangoni (UTFPR ) fi.marangoni@gmail.com Evandro Andre Konopatzki (UTFPR ) eakonopatzki@gmail.com A qualidade de energia elétrica pode ser avaliada por meio das grandezas Potência Elétrica Instalada, Demanda de energia (máxima e média), fator de demanda e fator de carga. Estas grandezas representam o grau de otimização da instalação elétrica sendo o fator de demanda a relação entre o maior uso simultâneo dos equipamentos elétricos e a potência instalada. Já o fator de carga representa o grau de utilização dos equipamentos. Desta forma, vários autores defendem que os fatores devem ser próximos de 1 para representar uma unidade consumidora otimizada. Neste estudo foram utilizados dados de potência de quatorzes residências pertencentes aos alunos da UTFPR Medianeira que levantaram, de forma primária, a potência de cada aparelho elétrico existente e os horários de uso de cada um deles. Os objetivos desta pesquisa foram verificar os valores de demanda e os fatores que representam a qualidade de energia elétrica nas residências citadas verificando seu grau de otimização elétrica, bem como buscando encontrar padrão no uso da energia entre os usuários. Os resultados mostraram que as unidades estudadas apresentaram baixos fatores de demanda e de carga, consequentemente, baixo aproveitamento racional da instalação elétrica Palavras-chaves: Fator de Carga, Fator de Demanda, Importância da Energia Elétrica

2 1. Introdução Para Dal sotto et al. (2013) a energia elétrica é de estrema importância no cotidiano de uma empresa bem como de uma residência. Em 2012, a oferta interna de energia (total de energia demandada no país) aumentou 11,3 milhões de toneladas equivalentes de petróleo (Mtep), representando uma taxa de crescimento de 4,1%. Desta forma, foi atingido o valor demandado total de 283,6 Mtep (EPE, 2013). Essa expansão torna-se bastante significativa em comparação à evolução do PIB nacional, que foi de apenas 1,0% segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2013). No setor de energia elétrica, apesar do aumento de MW na potência instalada do parque hidrelétrico nacional, a oferta de energia hidráulica reduziu-se em 1,9% devido às condições hidrológicas observadas em 2012, especialmente na segunda metade do ano. Com uma menor oferta de energia hídrica, ocorreu uma diminuição de 88,9% em 2011 para 84,5% em 2012, da participação das energias renováveis na matriz elétrica (EPE, 2013). A Figura 1 apresenta o consumo de energia elétrica no Brasil, sendo a maior parcela (42,1%) utilizada pelo setor industrial, seguida pelo setor comercial e público (24,0%). O setor residencial representa 23,6% do consumo de energia elétrica nacional. Figura 1 Percentual de utilização da energia elétrica no Brasil em 2012 Fonte: Adaptado de EPE (2013) O relatório do Balanço Energético Nacional (BEN) de 2013 apresenta o percentual de utilização da energia nas indústrias, nos transportes e pelas famílias. Na Figura 2 pode ser observado o consumo de energia pelas famílias (residencial), sendo a maior parcela 2

3 representada pela energia elétrica (42,6%). Dentre as outras fontes (2,0%) encontram-se as energias renováveis, com uma contribuição de apenas 1,3% (EPE, 2013). Figura 2 Consumo de energia pelas famílias Fonte: Adaptado de EPE (2013) O consumo final de eletricidade teve um aumento de 3,8%, relacionado principalmente ao consumo residencial e pelo setor de serviços. Para atender a esse consumo foi necessário o aumento da geração térmica, especialmente das usinas movidas a gás natural, cuja participação na matriz cresceu de 4,4% para 7,9% (EPE, 2013). Na Figura 3 pode ser observada a evolução do consumo de energia elétrica no setor residencial no Brasil. No ano de 1970 o consumo representava tep, enquanto o último dado, referente a 2012, mostra o avanço para tep, ou seja, 10,118 Mtep. Figura 3 Evolução do consumo de eletricidade do setor residencial Fonte: Adaptado de EPE (2013) 3

4 A energia elétrica é considerada como uma das formas mais práticas de energia pelo fato de poder ser transportada por grandes distâncias (por condutores elétricos) desde o ponto de geração até o ponto de consumo (residências, comércio, indústrias, etc.), além disso, pode ser transformada em vários outros tipos de energia (CAVALIN e CERVELIN, 2011). A eletricidade é a forma de energia mais utilizada no setor residencial. Atividades do cotidiano, como por exemplo, tomar banho (considerando as temperaturas da região sul do país) e assistir televisão, ou atividades como navegar na internet, são possíveis somente com a utilização da energia elétrica. Observa-se nos dias atuais, que a maior parte das atividades executadas pelo homem depende direta ou indiretamente da energia elétrica. Os dados apresentados, nos parágrafos anteriores, mostram a grande parcela de utilização do Sistema Elétrico de Potência (SEP) pelas residências. No entanto, a distribuição da utilização de energia não é uniforme durante o dia. Existem momentos, como no final do horário comercial, onde os moradores começam a chegar em suas casas e começam a ligar equipamentos elétricos (lâmpadas, televisores, micro-ondas, chuveiro elétrico), sendo assim, das 18:00 as 21:00 horas (horário de ponta) o consumo residencial sobrecarrega o SEP. Como forma de gestão energética, as concessionárias de energia aplicam dois valores de tarifas para o setor industrial, uma tarifa durante o horário fora de ponta, e uma tarifa de valor mais elevado durante o horário de ponta. Com a energia mais cara, as empresas tendem a diminuir a utilização da energia elétrica nesse horário e, desta forma, o SEP consegue suprir o fornecimento de energia. Este artigo utiliza a análise do Fator de Carga e do Fator de Demanda de um grupo de residências, como ferramenta de avaliação da gestão da energia elétrica. A administração do horário de utilização de alguns equipamentos pode reduzir a sobrecarga do Sistema Elétrico de Potência (SEP), principalmente durante o horário de pico. 2. Definições utilizadas neste estudo A gestão de energia elétrica contempla algumas definições físicas relacionadas à proporção de uso dos equipamentos elétricos. A seguir serão apresentadas algumas definições que devem ser claramente compreendidas. 4

5 2.1 Potência instalada Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2010) a Carga Instalada (ou Potência Instalada) é a soma das potências nominais dos equipamentos elétricos instalados na unidade consumidora, em condições de entrar em funcionamento. Sua unidade é expressa em quilowatts (kw). 2.2 Demanda A demanda é a carga elétrica exigida pelo sistema elétrico em dado momento. Pode ser considerada de duas formas: demanda máxima e demanda média. A demanda máxima é a soma da potência dos equipamentos que funcionam simultaneamente, na condição crítica do dia (o maior valor de demanda registrado ao longo do dia). A demanda média representa a média das potências elétricas solicitadas ao sistema elétrico, pela parcela da carga instalada, em operação na unidade consumidora. 2.3 Fator de demanda O Fator de Demanda (F d ), determinado pela Equação 1, é a razão entre a demanda máxima (D máx ) num intervalo de tempo especificado e a carga (ou potência) instalada (P inst ) na unidade consumidora (ANEEL, 2010). F d D P máx (1) inst Esse fator é, usualmente, menor do que a unidade. Seu valor será unitário somente se toda a carga instalada for ligada simultaneamente por um período suficientemente grande, tanto quanto o intervalo de demanda (MAMEDE, 2001). 2.4 Fator de Carga O Fator de Carga (F c ), determinado pela Equação 2, é razão entre a demanda média (D méd ) e a demanda máxima (D máx ) da unidade consumidora, ocorridas no mesmo intervalo de tempo especificado. F D méd c (2) Dmáx 5

6 O fator de carga indica o grau no qual a demanda máxima foi mantida durante o intervalo de tempo considerado. Desta forma, pode ser verificado se a energia elétrica está sendo utilizada de forma racional por parte de uma determinada instalação (unidade consumidora) ao longo do dia (MAMEDE, 2001). Para a realização das análises dos resultados deste trabalho, também serão necessários os cálculos de média e do desvio padrão. 2.5 Média A média aritmética ( ) é obtida através do quociente entre a soma dos valores da população observada (x) e o número total disponível de observações (n). O cálculo da média é realizado de acordo com a Equação 3 (MUCELIN, 2010). x n i (3) i 1 x n 2.6 Desvio padrão O desvio padrão (S), representado pela Equação 4, demonstra a variação das amostras (x) em relação à média ( ). Um baixo desvio padrão indica que os dados tendem a estar próximos da média, por outro lado, um alto desvio padrão indica que os dados estão espalhados por uma ampla faixa de valores (MUCELIN, 2010). S n 2 ( xi x) (4) n 1 i 1 Sabendo da importância da energia elétrica, o presente trabalho tem como objetivo utilizar o fator de carga (F c ), o fator de demanda (F d ) e o desvio padrão (S) como ferramentas para analisar o gerenciamento energético de quatorze unidades residenciais da microrregião de Medianeira PR. 3. Metodologia Utilizada Para a realização deste trabalho foram desenvolvidas e utilizadas planilhas eletrônicas, com o objetivo de levantar os dados sobre potência elétrica instalada e o período de utilização de 6

7 cada um dos equipamentos elétricos da residência. As planilhas foram preenchidas por quatorze estudantes do curso de Engenharia de Produção da UTFPR Medianeira. A coleta de dados foi de fonte primária, por meio de questionário social e o preenchimento de todos os dados solicitados na planilha eletrônica elaborada. Os moradores das residências coletaram os dados sobre a potência de todos os aparelhos elétricos existentes em suas casas. A planilha utilizada contém a solicitação dos dados: Equipamento (nome do aparelho); Potência (em Watt); e horário de funcionamento, em intervalos de 15 minutos ao longo do dia. No trabalho publicado por Dal sotto et al. (2013) a coleta dos dados realizada pelos moradores das residências contou com a observação do uso dos equipamentos elétricos. Dessa maneira, foi necessário observar e anotar em que momento do dia (horário) e por quanto tempo os equipamentos eram utilizados. Na Tabela 1 pode ser observado um exemplo de preenchimento da referida planilha. O número 1 indica que o equipamento permaneceu ligado naquele período (durante 15 minutos). Tabela 1 Exemplo de preenchimento da planilha de coleta de dados Equipamento Potência (W) 00:00 00:15 00:30 00:45 01:00 01:15 01:30 01:45 Chuveiro 3500 Ar condicionado Lâmpada externa Geladeira 98,611 1 Telefone sem fio Inicialmente foi realizado o levantamento de todos os equipamentos elétricos e eletrônicos encontrados na residência (primeira coluna da Tabela 1). Em seguida foi verificada qual é a potência (em Watts) de cada um destes equipamentos (segunda coluna da Tabela 1). Uma vez tendo identificado todos os equipamentos e suas respectivas potências, é necessário preencher a tabela com o tempo em que esses equipamentos ficam ligados (horários em que costumam ser utilizados). Àqueles equipamentos que não possuírem dados técnicos suficientes para o preenchimento da planilha foram atribuídas especificações do fabricante (retiradas de manuais ou catálogos) ou, quando indisponível, da bibliografia técnica. 7

8 Foi considerado como padrão, para marcação do tempo de funcionamento dos equipamentos, o intervalo de 15 minutos ao longo do dia, o mesmo tempo considerado para a medição de demanda no setor industrial. Tomando como exemplo o Ar condicionado, o número 1 (um) indica que este equipamento permanece ligado por 15 minutos (das 00:00 até as 00:15). Já no caso do telefone sem fio, sua fonte de 5 W permanece ligada durante todo o dia, desta forma, a tabela deve ser preenchida com 1 em todos os períodos. Cada residência possui uma variedade e quantidade diferente de aparelhos elétricos, desta forma, como possuem potências instaladas diferenciadas, espera-se que diferentes sejam os valores do fator de carga (F c ), fator de demanda (F d ), demanda máxima (D máx ) e demanda média (D méd ). A Potência Instalada (P inst ) consiste na soma das potências de todos os equipamentos listados (por exemplo, micro-ondas, máquina de lavar roupas, chuveiro elétrico, lâmpadas, televisores). A Figura 4 apresenta a potência total instalada (com fundo verde) a partir dos dados preenchidos por um estudante. Com fundo amarelo podem ser observados os valores da demanda (a cada 15 minutos) que representam a soma da potência dos equipamentos que estão sendo utilizados simultaneamente. Figura 4 Exemplo de P inst e Demanda a partir da planilha eletrônica Com a análise individual em cada planilha foi determinado o valor da demanda máxima (D máx ) e realizado o cálculo da demanda média (D méd ). A Tabela 2 apresenta um exemplo com os valores de demanda máxima e média para as residências de seis alunos. Tabela 2 Exemplo de valores da D méd e D máx Aluno D máx D méd , ,99 8

9 3 4108,4 305, , , , ,36 O valor da demanda máxima é observado verificando o maior valor apresentado na linha de soma dos equipamentos ligados simultaneamente. Na Figura 4 são observados os valores de demanda (na linha 34), dessa forma, ao encontrar o maior valor (daqueles valores com fundo amarelo) tem-se a demanda máxima. A demanda média é encontrada através utilização da Equação 3, onde são somados todos os valores de demanda (grifados em amarelo na linha 34 da Figura 4) e então, o resultado do somatório é dividido pelo número total de elementos. Para os cálculos do fator de carga (F c ) e fator de demanda (F d ) por meio das Equações 1 e 2, são utilizados os dados da D méd e D máx obtidos na Tabela 2. O resultado apresentado na Tabela 3 é um exemplo dos resultados dos fatores, considerando o resultado dos cálculos para apenas seis das residências analisadas. Tabela 3 Exemplo dos resultados do F c e do F d dos dados obtidos Aluno P inst D máx D méd F c F d , ,360 0,043 0, , ,985 0,067 0, ,4 4108,4 305,408 0,074 0, , ,808 0,041 0, , ,875 0,412 0, , , ,359 0,067 1,000 Após a obtenção dos fatores de carga e demanda é possível analisar a forma como os equipamentos elétricos têm sido utilizados nas unidades residenciais estudadas. Assim pode ser realizada uma avaliação qualitativa e podem ser elaboradas sugestões de procedimentos que ocasionem a melhoria no uso do sistema elétrico. 4. Resultados e discussões 9

10 Os vinte equipamentos encontrados na maioria das residências estão listados na Tabela 4 e apresentam várias potências individuais. Tabela 4 - Alguns equipamentos das unidades residenciais Ordem Equipamento Ordem Equipamento 1 Geladeira 11 Impressora 2 Microondas 12 Liquidificador 3 Máquina de lavar 13 Chuveiro 4 Ventilador 14 Sanduicheira 5 Carregador de celular 15 Fogão 6 Notbook 16 Ar condicionado 7 Televisão 17 Secador de Cabelo 8 Modem roteador 18 Congelador 9 Centrifuga 19 Depurador 10 Ferro de passar 20 Chapinha Verificar a maior incidência de equipamentos pode direcionar os investimentos do setor industrial na área de eficiência energética, priorizando ações de melhoria e buscando maior eficiência nestes aparelhos elétricos listados. Foi observado que alguns equipamentos não apresentam dados como a potência elétrica, outros equipamentos apresentam apenas o consumo por ciclo de operação, porém este dado é insuficiente para a gestão de aparelhos elétricos. A Erro! Fonte de referência não encontrada. apresenta os valores da potência instalada (P inst ), demanda máxima (D máx ), fator de demanda (F d ), demanda média (D méd ) e fator de carga (F c ) das quatorze unidades consumidoras estudadas (residências dos alunos). Tabela 5 - Demandas máxima e média, fatores de carga e de demanda das residências Aluno P inst (W) D máx (W) F d D méd (W) F c , ,00 0,49 230,36 0, , ,00 0,53 256,99 0, , ,40 0,14 305,41 0, , ,00 0,43 239,81 0, , ,00 0, ,88 0, , ,00 0,40 394,84 0, , ,40 0,57 552,07 0, , ,00 0, ,11 0,22 10

11 , ,00 0, ,32 0, , ,50 0,65 425,41 0, , ,65 0,52 272,89 0, , ,65 0,43 309,48 0, , ,00 0, ,35 0, , ,61 0,27 876,73 0,21 A partir da compilação dos dados de todas as planilhas e o desenvolvimento da Tabela 5, a média e desvio padrão foram calculados para cada item analisado (potência, demandas e os fatores de carga e demanda), e são apresentados na Erro! Fonte de referência não encontrada.. Tabela 6 - Valores médios, desvio padrão e coeficiente de variação dos itens analisados P inst (W) D máx (W) F d D méd (W) F c Média , ,44 0,46 747,62 0,13 Desvio Padrão 6.650, ,75 0,17 734,85 0,11 Coeficiente de variação 0,35 0,29 0,27 0,71 0,65 A Tabela 6 mostra que, na média, a potência instalada nas unidades residenciais estudadas foi de ,32 W apresentando um desvio padrão de 6.650,39 W (35% de variação), o que representa uma grande variabilidade das instalações elétricas nas residências estudadas. Na Figura 5 podem ser observados os valores da potência instalada em cada residência, onde o traço contínuo (em verde) representa a P inst média (13,593 kw), e as linhas tracejadas representam os limites (inferior e superior) do desvio padrão. Figura 5 - Potência instalada nas unidades residenciais avaliadas 11

12 Da mesma forma, observa-se uma grande amplitude nos valores de demanda máxima (29%), fator de demanda (27%), demanda média (71%) e fator de carga (65%). Isso mostra a diversidade do uso das instalações elétricas pelos moradores das residências estudadas. A Figura 6 mostra a demanda máxima em cada unidade avaliada. A linha contínua (em verde) indica D máx média (5.618,44 W) e as linhas tracejadas indicam os limites (inferior e superior). Figura 6 - Demanda máxima das unidades residenciais avaliadas Entre as unidades consumidoras avaliadas, as unidades 2, 7, 8, 10 e 11 apresentaram fator de demanda superior a 0,50 (uso simultâneo de energia maior que 50% de potência instalada, em dado momento), destacando-se a unidade 8 que apresentou o melhor fator de demanda (83%). Em média, as residências avaliadas neste estudo apresentaram demanda máxima de 5.618,44.W com desvio padrão (DP) de 2.142,75 W e o coeficiente de variação (CV) igual a 29%. O fator de demanda médio foi de 46% (DP de 0,17 e CV de 27%), estes dados mostram potencial crescimento no consumo de energia das unidades estudadas na ordem de 54%, relacionados à potência instalada. A Figura 7 mostra a demanda média das instalações avaliadas neste estudo. A linha contínua (em verde) indica D méd média e as linhas tracejadas representam os limites (inferior e superior). 12

13 Figura 7 - Demanda média das unidades residenciais Cinco alunos mostraram que suas residências apresentaram demanda média superior à média das unidades avaliadas (5, 8, 9, 13 e 14). Estas unidades apresentaram um fator de carga superior a 13%, destacando-se a unidade 5 com 41% de aproveitamento representado pelo seu fator de carga. Uma vez que o fator de carga representa o grau no qual a demanda máxima foi mantida. A demanda média das residências estudadas apresentou, em média, 747,62 W apresentando fator de carga de 13%. A Figura 8 mostra os fatores de demanda e de carga das unidades. Apresentando as unidades 2, 8 e 10 fatores de demanda superiores a 50%, o que caracteriza que a maior parte dos equipamentos elétricos existentes na residência é utilizada ao longo do dia, tomados intervalos de 15 min. Enquanto as unidades 5, 8 e 9 mostraram um fator de carga superior a 20%, mostrando que estas unidades, em 20% do tempo analisado, mantém a instalação consumindo energia elétrica no patamar da demanda máxima. 13

14 Figura 8 Fator de demanda e fator de carga das unidades residenciais 5. Conclusões Alguns aparelhos elétricos apresentaram dados insuficientes para o preenchimento das planilhas eletrônicas, sendo necessário consultar bibliografia técnica para tal. O fato de alguns equipamentos apresentarem somente dados de consumo por ciclo de operação (como a máquina de lavar roupas, por exemplo) prejudica a avaliação da curva de carga e, consequentemente, a gestão da energia nas instalações elétricas residenciais. A constatação da divergência ou a falta de informações técnicas pode subsidiar órgãos regulamentadores das indústrias a exigir delas uma padronização nas informações técnicas de seus produtos. O desvio padrão e coeficiente de variação mostraram que os consumidores não apresentam uniformidade no uso da energia elétrica em suas residências. O baixo fator de carga das unidades pesquisadas mostra uma característica de picos de consumo de energia na curva de carga diária, caracterizando as unidades como de baixa otimização da instalação elétrica, em outras palavras, o investimento para aquisição dos equipamentos elétricos, quando relacionado ao seu uso, mostra baixa otimização elétrica. As unidades residências analisadas neste trabalho apresentam baixo aproveitamento racional da instalação elétrica. REFERÊNCIAS 14

15 AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Resolução Normativa Nº 414/2010: direitos e deveres do consumidor de energia elétrica. Brasília: ANEEL, p. CAVALIN, Geraldo; CERVELIN, Severino. Instalações elétricas prediais: conforme norma NBR 5410: ed. rev. e atual. São Paulo: Érica, p. DAL SOTO, Taiomara Cardoso; BECKER, Taise Vanessa; MARANGONI, Filipe; ZEFERINO, Cristiane Lionço; KONOPATZKI, Evandro André. Estudo de caso - Levantamento da curva de carga de unidades consumidoras residenciais de Medianeira. IX Encontro Nacional de Difusão Tecnológica, Medianeira, v. 1, p , outubro EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA (EPE). Balanço Energético Nacional 2013: ano base Rio de Janeiro: EPE, p. INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA (IBGE). Contas Nacionais Trimestrais: Indicadores de Volume e Valores Correntes. Dezembro, p. MAMEDE FILHO, João. Instalações elétricas industriais. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, p. MUCELIN, Carlos Alberto. Estatística. Curitiba: Editora do Livro Técnico, p. 15