8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 AUDITORIAS ENERGÉTICAS NO SECTOR DE FRIO INDUSTRIAL. MEDIDAS DE POUPANÇA E DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA. Emanuel S. Sá 1, José Luís Alexandre 2 1,2, Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - Rua Dr. Roberto Fria 1 emsa@fe.up.pt, 2 jla@fe.up.pt RESUMO No contexto da actual da problemática da energia, ter uma maior eficiência no consumo de energia é uma preocupação crescente. No caso português, a industria é responsável pelo consumo de cerca de um terço da energia primária, daí que quaisquer medidas que resultem numa maior eficiência energética resultam também num decréscimo das emissões de dióxido de carbono do país e ainda numa redução da dependência externa. Torna-se portanto necessário identificar os maiores consumidores de energia e avaliar soluções que visem o aumento da eficiência energética nos processos de fabrico. Este trabalho apresenta um conjunto de soluções eficientes de aproveitamento energético usando como base um caso real. Palavras-chave: Eficiência energética, auditoria energética, frio industrial. Codigo 1483

2 INTRODUÇÃO A gestão da energia é necessária para permitir traçar directrizes que conduzam à redução dos desperdícios energéticos que ocorrem não só devido às limitações dos processos tecnológicos, mas também por descuido dos consumidores e outra deficiências inerentes à falta de manutenção dos equipamentos. Um dos primeiros passos para uma posterior redução do consumo energético é a correcta quantificação da energia consumida. O processo de medição das formas de energia envolvidas num dado processo fabril permitirá obter uma visão global da situação energética desse mesmo processo. É necessário encontrar um uso adequado para a energia rejeitada de processo de fabrico, muito antes de ser considerado qualquer outro processo de recuperação de energia. De facto, não faz sentido investir recursos no estudo, e concepção, de um dado sistema de recuperação de energia, se no final se concluir que não existe uma utilização adequada para a energia economizada. Salienta-se também, que é necessário ter atenção as aparentes reduções nos custos de energia, pois estas poderão implicar custos adicionais noutros locais do sector fabril, o que acabará por inviabilizar economicamente todo o processo. As auditorias energéticas têm como principal objectivo, definir uma utilização racional do consumo de energia, com o intuito de determinar como, e onde, se consome a energia e se esse consumo é o mais adequado. Para isso é necessário, numa primeira fase, fazer um levantamento em termos energéticos das várias formas de energia consumidas e das necessidades energéticas específicas de cada utilização e/ou de cada divisão da empresa. Neste levantamento pretende-se: identificar os principais consumidores de energia; identificar se existe ou não recuperação de calor nos sistemas utilizados; definir os regimes de funcionamento dos vários sectores da empresa; efectuar o levantamento das produções mensais, das horas de funcionamento, do número de operadores das várias unidades de produção, bem como, as características técnicas e respectivo factor de utilização dos equipamentos existentes nos vários sectores da empresa. Numa segunda fase procede-se à análise dos registos históricos dos consumos das diversas formas de energia envolvidas, com discriminação mensal dos fluxos energéticos. Numa terceira fase, com o objectivo de diminuir a factura energética da empresa, efectua-se a identificação das principais áreas de intervenção tendo em vista a racionalização dos consumos energéticos. Esta fase inclui a elaboração de balanços energéticos e a avaliação da desagregação dos consumos. Estes balanços energéticos, e mássicos, deverão ser efectuados não só à instalação global, mas também a cada um dos sectores e/ou serviços da empresa, aos equipamentos de maiores consumos de cada sector e, caso existam, às instalações de transformação de energia. Esta distribuição conveniente das quantidades de energia pelas várias secções e departamentos, existentes na empresa em análise, permite avaliar os pesos relativos das formas de energia consumidas, possibilitando a identificação de estratégias de actuação no sentido de solucionar rapidamente, e com sucesso, as situações mais críticas. A refrigeração é uma componente de fundamental importância em diversas indústrias, tendo maior expressão na indústria alimentar e química. A refrigeração representa um consumo de energia muito significativo nestas indústrias podendo atingir os 90% em alguns dos casos. Há contudo um conjunto de alternativas que podem conduzir a uma poupança de energia significativa podendo representar até 20% de redução. Na maioria dos casos estas reduções são efectuadas à custa de investimentos e que representam tipicamente um período de retorno do investimento aceitável. Ao identificar e caracterizar os principais consumidores de energia numa indústria, ou processo, torna-se possível estudar medidas que possam conduzir a uma maior eficiência energética, assim como, a uma redução do consumo específico de energia (kwh/kg prod ) e consequentemente diminuir o custo de produção. Nas diferentes auditorias efectuadas nos últimos anos verificou-se, frequentemente, que existe uma falta de optimização dos recursos existentes, assim como existem falhas no reaproveitamento de recursos. Uma simples modificação da configuração do processo de fabrico pode conduzir a aumentos da eficiência energética significativos. No caso do frio industrial e de industrias de produtos congelados com uma forte dependência dos sistemas de refrigeração, pode por exemplo reaproveitar-se com uma eficiência significativa o calor libertado nos condensadores para processos intermédios do processos de fabrico.

3 A análise de alguns casos mostra que é possível aumentar a eficiência energética de empresas de frio industrial, apenas redireccionando recursos outrora desperdiçados. Medidas tais como o aproveitamento do calor rejeitado nos condensadores como fonte de calor para cortinas de ar de câmaras frigoríficas ou pré-aquecimentpo de águas para uma maior rapidez no descongelamento de matérias-primas. Através de auditorias energéticas é possível, também, identificar equipamentos de maior consumo e desenvolver políticas de racionalização de consumos para a especificidade desses mesmos equipamentos. No caso destas indústrias denota-se que os compressores são responsáveis por cerca de metade do consumo da energia eléctrica. Neste caso, a incorporação de dispositivos de variação de velocidade nos motores de accionamento podem reduzir até 20% no consumo do mesmo, tendo por si só um impacto de redução de 10% no total do consumo da instalação. O mesmo se aplica aos motores de accionamento dos ventilo convectores e dos ventiladores dos grupos de condensadores. O caso real que serve de base a este estudo será o suporte de todas as medidas apresentadas como sendo regras base de boa prática no sentido da racionalização dos consumos energéticos no sector do frio industrial. METODOS DE ANÁLISE Para uma melhor identificação dos principais defeitos desta instalação, foram usados equipamentos de medição de energia eléctrica, temperatura e humidade e de registo de imagens termográficas. Qload 32 ºC a - 10 ºC ºC 3a Fig. 1: Isolamento defeituoso numa junta de tubagens de fluido frigorigéneo(esq). Identificação do ciclo de funcionamento do circuito de refrigeração de amoníaco (dir) Estes métodos permitem fazer uma recolha de dados de modo a caracterizar completamente o modo de funcionamento da instalação e o estado de conservação em que se encontra, ou seja, como são implementados os planos de manutenção. Esta é uma fase fundamental da auditoria energética pois só a partir do momento em que se conhece detalhadamente o funcionamento da instalação é que se pode inferir acerca da sua eficiência e estudar solução de optimização de funcionamento. RESULTADOS Os resultados obtidos após as várias medições de energia efectuadas nas instalações permitem a identificação dos componentes de maior consumo de electricidade. Será de esperar naturalmente que o grupo de produção de frios seja responsável pela maior fatia do consumo de energia eléctrica. A figura seguinte ilustra resumidamente o fluxo energético da instalação analisada.

4 Fig. 2: Diagrama de fluxo energético na instalação Os dois tipos de energia que circulam nesta instalação são basicamente calor e electricidade. O que se detectou, é que estes tipos de energia não estão a ser utilizados nem reaproveitados correctamente. O caso das cortinas de ar que separam as câmaras frigorificas do ambiente exterior é exemplo disso. Essas cortinas têm uma potência de aquecimento eléctrica instalada de cerca de 140 kw, essa potência eléctrica pode no entanto ser substituída pelo calor que é libertado nos condensadores permitindo assim uma poupança de energia eléctrica muito significativa. MWh ºC 600 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez 6 Consumo de energia eléctrica Temperatura exterior Fig. 2: Relação entre a temperatura exterior e a energia eléctrica consumida A fig 2 mostra a relação entre o consumo de energia eléctrica da toda a instalação com a variação da temperatura exterior. Nota-se que com o aumento da temperatura aumenta o consumo de energia, que pode ser justificada pelo facto de as câmaras frigoríficas estarem a muito baixas temperaturas (cerca de -25ºC) e existem ganhos energéticos mais acentuados nos períodos mais quentes. É visível o impacte energético que pode ter o isolamento neste tipo de instalações. Um bom isolamento provocará um decréscimo no consumo da instalação pois reduzirá as necessidades de arrefecimento nas câmaras frigoríficas.

5 Outros 28% Compressores 49% Cortinas de ar 7% Condensadores 6% Tuneis de congelamento 10% Fig. 3: Desagregação dos consumos de energia eléctrica para a instalação estudada.. A fig 3 resume é o resultado das medições efectuadas ao sistema de refrigeração. Como se observa, os equipamentos referentes à refrigeração são responsáveis por cerca de 72% do consumo de energia eléctrica. Pelo facto de estes equipamentos terem um peso tão grande na factura energética e consequentemente no impacte ambiental deste tipo de instalações, todas as medidas que permitam uma poupança energética ao nível destes componentes podem resultar numa redução de consumos significativa, ou seja, redução da factura de energia e numa redução de emissões de dióxido de carbono. MEDIDAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA PARA INSTALAÇÕES DE FRIO INDUSTRIAL Existem diversas medidas de boas práticas para um projecto eficiente em instalações de frio industrial. Muitos aspectos de projecto devem ser implementados logo numa fase inicial. Aspectos como um bom isolamento das paredes envolventes da instalação, tubagens, válvulas e tanques de armazenamento de fluído frigorigénico ou a instalação de sistemas de controlo centralizados, que para além de controlar o funcionamento da instalação permitem também registar perfis de utilização e consumos individuais dos principais equipamentos. Estes são aspectos que quando integrados inicialmente no projecto têm um custo reduzido e trazem vantagens a curto prazo nomeadamente para a aplicação de medidas de racionalização dos consumos energéticos. Outro aspecto de elevada importância prende-se com um projecto de iluminação, este deve ser o mais eficiente possível de modo a que vise a diminuição dos consumos, que por sua vez se irão também reflectir na redução das necessidades de frio dentro dos espaços refrigerados. Muitos destes aspectos de boas práticas no projecto de instalações de refrigeração adquirem um efeito sinérgico quanto à poupança de energia, visto que o funcionamento de praticamente todos os processos e sistemas secundários de energia existentes nas instalações se repercutem no consumo de energia por parte dos equipamentos responsáveis pela refrigeração. Fig. 5:Disposição alternativa das prateleiras de modo a facilitar a circulação do ar frio.

6 A fig 5 ilustra outro aspecto que por vezes não é tido em conta no projecto de câmaras frigorificas de grande dimensão. Nestas câmaras o ar frio tende a ficar estagnado entre as prateleiras, criando estratificação que dificultam a homogeneização desejável da temperatura do ar dentro das câmaras. Criando plenos de recirculação do ar junto às paredes laterais das câmaras frigorificas, força-se o ar a mover por entre as prateleiras misturando-se assim com o restante ar da câmara resultando numa maior homogeneização da temperatura e menor consumo de energia no arrefecimento destes espaços. Fig. 6:Performances típicas de compressores perante a variação da necessidade térmica consoante o tipo de controlo instalado. Sabendo-se que os compressores representam uma elevada fatia do consumo de energia de uma instalação de frio industrial, deve dar-se especial importância ao modo como estes funcionam, particularmente o modo como a eficiência destes varia quando solicitados a diferentes perfis de carga. O perfil de carga de uma instalação pode variar consoante o tipo, quantidade de produção e condições atmosféricas entre outros. Idealmente, a potência de refrigeração deveria acompanhar estas variações de carga sem perda de eficiência. O que sucede na maior parte dos casos é que a eficiência dos compressores de fluido frigorigénico varia muito de acordo com a percentagem de carga a que está sujeito e o seu rendimento sai geralmente muito penalizado em cargas parciais. A instalação de dispositivos variadores de frequência (VFD) nos motores de accionamento dos compressores faz com que o rendimento destes a carga parcial pode ser substancialmente maior (fig 6). Em algumas instalações a poupança de energia no accionamento dos compressores pode atingir os 20%. Um outro problema recorrente nestas instalações é a gestão do funcionamento das cortinas de ar. Estas cortinas são responsáveis por barrar o ar exterior a entrar nas câmaras frigoríficas(fig 7). Ao barrar o ar exterior, evita-se a entrada de humidade, poeiras, fumos e calor para dentro do espaço refrigerado poupando-se assim muita energia. Estas cortinas insuflam ar do interior das câmaras (ar desumidificado) na vertical ou na horizontal, recirculando-o e aquecendo-o. Este aquecimento do ar é feito muita das vezes recorrendo a resistências eléctricas, ou seja, desperdício energético acentuado. Fig. 7:Cortinas de ar utilizadas para criar uma barreira à entrada de ar e humidade do exterior par o interior de câmaras refrigeradas.

7 Existe porém a possibilidade de utilizar fluido frigorigénico quente (após compressão) para fazer este mesmo aquecimento. Esta medida permite poupar quantidades de energia significativas apenas fazendo o aproveitamento do calor que iria ser rejeitado nos compressores. No caso em estudo demonstrou-se que utilizando esta configuração para o aquecimento do ar se poderia poupar directamente 7% do consumo total da instalação. A poupança poderá ser porventura superior visto que este arrefecimento do fluido comprimido evitará que este tenha que ser arrefecido nos condensadores. CONCLUSÕES Medidas de eficiência energética devem ser contempladas logo em fase de projecto. No entanto, a implementação de algumas destas medidas principais detectadas já com a unidade em funcionamento pode ter períodos de retorno de investimento interessantes. As duas medidas de maior influencia para a instalação estudada neste caso permitem uma poupança de cerca de 25% do consumo total de energia e têm períodos de retorno simples de 2.3 e 1.5 anos, o que torna extremamente interessante. Tabela 1:Medidas de implementação para obtenção de uma maior eficiência energética Medida Elect MWh ano Total (euro) Investimento (euro) Período de reembolso simples(anos) Utilização de gás quente como fonte de aquecimento nas cortinas de ar Instalação de dispositivos variadores de frequência Estas medidas para além de reduzirem os custos com a energia, reduzem também o impacte ambiental e o consumo de recursos energéticos. Medidas de eficiência energética quando contempladas em fase de projecto serão mais fáceis de implementar e tendo, assim, um menor custo. No entanto, tal como demonstrado neste caso de estudo, a implementação de estratégias de redução de consumos tem períodos de retorno de investimento bastantes aceitáveis. REFERÊNCIAS 1. ASHRAE 'Refrigeration Systems and Applications', ASHRAE Handbook Stoecker, W.F., Jonhs, J.W., 'Refrigeration and Air Conditioning', McGraw Hill. 3. cibrahim Dinðcer,I. Dincer, 'Refrigeration System and Applications', John Wiley and Sons, Stoecker, Wilbert Frederick, TIndustrial Refrigeration Handbook, McGraw-Hill, 1998