LÂMPADAS FLUORESCENTES COMPACTAS NA ILUMINAÇÃO RESIDENCIAL

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1 LÂMPADAS FLUORESCENTES COMPACTAS NA ILUMINAÇÃO RESIDENCIAL José Eurípedes de Araújo Pesquisador (sem filiação institucional). Franca-SP. Fernando Nunes Belchior Professor Adjunto no Grupo de Estudos da Qualidade da Energia Elétrica da Universidade Federal de Itajubá. Itajubá-MG. Abstract: A ministerial decree number 1007 specifies minimum light income for incandescent bulbs for manufacturing, importing and marketing in Brazil, as of 30/06/2016. In the absence of a technology that increases the efficiency of these lamps; Brazilian consumers must use compact fluorescent lamps (CFL) to replace the incandescent light of low income. This article makes a projection of energy consumption of CFLs in households, on the horizon of 2016 and the need for correction of its low power factor and harmonic distortion, factors which partially offset the benefits of energy efficiency of CFLs. Copyright 2011 CBEE/ABEE Keywords: Compact fluorescent lamps, power factor, harmonic distortion, residential lighting. Resumo: A portaria interministerial 1007 especifica rendimento mínimo para as lâmpadas incandescentes para fabricação, importação e comercialização no Brasil, a partir de 30/06/2016. Na falta de uma tecnologia que aumente o rendimento destas lâmpadas, os consumidores brasileiros devem utilizar as lâmpadas fluorescentes compactas (LFC), em substituição às incandescentes de baixo rendimento luminoso. Este artigo faz uma projeção do consumo de energia elétrica das LFCs, nos domicílios brasileiros, no horizonte de 2016 e a necessidade de correção do seu baixo fator de potência e distorção harmônica, fatores que anulam parcialmente os benefícios de eficiência energética das LFCs. Palavras Chaves: fluorescentes compactas, fator de potência, distorção harmônica, iluminação residencial. 1 INTRODUÇÃO Com a publicação da portaria interministerial nº 1007 (Brasil, 2010), o governo brasileiro especifica o rendimento luminoso mínimo, a ser atingido pelas lâmpadas incandescentes, salvo algumas exceções. Impõe também uma data limite para fabricação, importação e comercialização destas lâmpadas, com rendimento luminoso abaixo do especificado. O grande problema é que com a tecnologia atual de fabricação, as lâmpadas incandescentes não conseguem atingir um maior rendimento luminoso, para continuarem no mercado. Por exemplo, segundo a mesma portaria, o rendimento luminoso de uma lâmpada incandescente de 60W deve atingir 20 lumens/watt em 127 Volts e 18 lumens/watt em 220 Volts. O rendimento atual de uma lâmpada incandescente, da mesma potência e de uso comum nas residências brasileiras, é de 14,4 lumens/watt em 127V e 11,91 lumens/watt em 220V (OSRAM, 2011). A partir das datas limites, impostas pela portaria nº 1007, a substituição das lâmpadas incandescentes deve continuar sendo feita por lâmpadas fluorescentes compactas (LFC). Esta substituição já está ocorrendo desde a época do racionamento de energia elétrica de 2001 e representa a tecnologia atual mais aceitável pela população. Fabricada com reator integrado (fig. 1), a LFC apresenta rendimento luminoso maior que as IV CBEE Juiz de Fora MG Brasil - 28 a 31 de Agosto de 2011

2 incandescentes e em suas embalagens o consumidor tem orientações, para comparar a potência em Watts da LFC com a potência da lâmpada incandescente que deverá ser substituída, além do fluxo luminoso e temperatura da cor. Figura 1 Lâmpada fluorescente compacta Os catálogos do mesmo fabricante de lâmpadas incandescentes e LFC mostram que uma incandescente de 60W ligada em 127V tem um fluxo luminoso de 864 lumens e a equivalente LFC mais próxima (15W) tem fluxo luminoso de 810 lumens, representando neste caso 54 lumens/watt (OSRAM, 2011). Para produzir o seu fluxo luminoso, a LFC precisa de um reator eletrônico, cuja tensão de saída depende da potência da lâmpada. Dentro de um circuito elétrico, este reator é considerado como carga não-linear, que somado ao seu baixo fator de potência, pode causar perturbações na rede elétrica (ERICKSON, 2001). Os medidores de energia elétrica (Watt-hora), instalados nas entradas das residências, medem apenas a energia ativa, que é faturada mensalmente pela concessionária. Já a energia reativa, e todas as perturbações causadas pelo funcionamento das LFC na rede, não são medidas e nem cobradas deste consumidor (ANEEL, 2000). deles, somente receberá energia elétrica através de sistemas isolados, individuais ou coletivos, pelos custos proibitivos para serem atendidos pela extensão das linhas de transmissão existentes. Ano Tabela 1 - Projeção do número de domicílios Brasil Total de domicílios Domicílios com iluminação elétrica Domicílios sem Iluminação elétrica Fonte: IBGE e simulação feita pelos autores. O gráfico da Fig. 2 representa dados da pesquisa feita pela PUC-Rio para a Eletrobrás no ano de A simulação foi feita através do simulador Sinpha (2011), do Procel órgão da Eletrobrás. 2 METODOLOGIA Utilizando dados do relatório Pesquisa de Posse de Equipamentos e Hábito de Consumo (ELETROBRAS, 2005) e fazendo a projeção para o número de domicílios brasileiros, segundo o censo de 2010 (IBGE, 2011), chegou-se à quantidade de lâmpadas incandescentes que deverão ser substituídas por LFC, de acordo com o fluxo luminoso de cada uma. Os dados da tabela 1 foram obtidos fazendo a projeção de informações constante de pesquisas do IBGE (2011a) que fornece o percentual de domicílios brasileiros com iluminação elétrica, a projeção do número de domicílios feita pela agência EPE (2010). Para aproximar os dados dos valores reais, o total de domicílios que participaram da eletrificação implementada pelo programa do governo federal Luz para Todos (BRASIL, 2010), foram somados nos respectivos anos de consolidação período de 2004 a 2010 (Tabela 1). Ficaram de fora do programa Luz para Todos domicílios, número que deve subir até o horizonte de 2016, pois outros domicílios continuarão a ser construídos e habitados, principalmente longe dos sistemas de eletrificação do país. A grande maioria Figura 2 - Consumo residencial de energia elétrica em iluminação Brasil 2004 A principal conclusão após a verificação dos dados do gráfico é que o consumo residencial de energia elétrica em iluminação, não apresenta valores constantes para todas às 24 horas do dia. Das 17:30 horas até as 24:00 horas há um aumento do consumo com iluminação, com pico de demanda às 21:00 horas. Esta situação faz da iluminação residencial e o consumo dos chuveiros elétricos (ARAÚJO e BELCHIOR, 2010) os dois grandes responsáveis pela alta demanda de energia elétrica nos horários indicados. É também o horário de maior demanda de energia elétrica, conforme figura 3 do SIN (2011):

3 Figura 3 - Consumo total de energia do SIN O comércio também utiliza lâmpadas fluorescentes compactas, predominantemente em horários diferentes, o que não afeta significativamente a demanda de energia no horário de pico. A tabela 2 mostra o consumo residencial de energia elétrica, em iluminação, em cada região brasileira e no país. Para o cálculo da quantidade de lâmpadas e consumo das mesmas, nos diversos horários do dia, foram utilizados os dados da coluna Brasil tanto as faixas de consumo quanto ao percentual total. Tabela 2 - Consumo residencial de energia elétrica em iluminação Percentual Faixa de consumo Brasil Norte Nordeste Centro Oeste Sudeste Até 200 kwh/mês 68,2 69,1 74,8 75,3 69,0 70, kwh/mês 16,8 13,1 11,1 11,6 16,9 16,1 Acima de 300 kwh/mês 15,1 17,8 14,1 13,1 14,1 13,5 Consumo Médio 14,0 14,0 11,0 12,0 19,0 8,0 3 ILUMINAÇÃO RESIDENCIAL As tabelas 3 e 4 mostram dados das quantidades de lâmpadas (incandescentes, fluorescentes tubulares, circulares e compactas) calculadas conforme informações da Eletrobrás (2005). Para efeito de cálculos, as lâmpadas incandescentes foram substituídas por fluorescentes compactas que fornecem fluxo luminoso semelhante ou aproximado. Tabela 3 - Quantidade de lâmpadas por tipo e potências de uso habitual - ano base 2004 Tipo Total Substituição LFT LFT LFT LFT LFC LFC LFC LFC LFCi LFCi LI LFC LI LFC LI LFC LI LFC LI LFC Legenda: LFT = Lâmpada fluorescente tubular LFC = Lâmpada fluorescente compacta LFCi = Lâmpada fluorescente circular LI = Lâmpada incandescente As lâmpadas de uso habitual estão instaladas em cozinhas, salas e outras áreas de fluxo constante de pessoas no domicílio. As lâmpadas de uso ocasional estão instaladas nas garagens, corredores, áreas de Sul serviços e ambientes assemelhados. De acordo com a pesquisa, existe um predomínio das lâmpadas fluorescentes em ambientes de uso habitual. O uso por maior tempo compensa o preço mais alto pago por estas lâmpadas, o que reflete na conta mensal de energia elétrica. Tabela 4 - Quantidade de lâmpadas por tipo e potências de uso eventual ano base 2004 (Watts) Total Substituição LFT LFT LFT LFT LFC LFC LFC LFC LFCi LFCi LI LFC LI LFC LI LFC LI LFC LI LFC Os cálculos apresentados nas tabelas 3 e 4 servem de base para a projeção da quantidade, tipo e potência das lâmpadas que devem estar funcionando nas residências brasileiras em As tabelas 5 e 6 mostram a projeção da quantidade de lâmpadas nos domicílios brasileiros em Primeiramente, foi calculado a quantidade de cada tipo de lâmpada, seguindo o mesmo padrão das lâmpadas existentes em As tabelas são distintas para uso habitual e eventual. A proporção de lâmpadas acesas é de uma hora de funcionamento eventual para cinco horas de funcionamento habitual (EPE, 2010). Posteriormente, foram substituídas todas as lâmpadas incandescentes por fluorescentes compactas de fluxo luminoso equivalente. As lâmpadas fluorescentes circulares, para efeito de cálculo, foram substituídas por LFC de 25W. Pesquisa feita pelos autores junto às lojas de materiais elétricos e supermercados, constatou a baixa demanda por fluorescentes circulares. Estas lâmpadas possuem reatores separados da base da lâmpada e são vendidos independentemente. Tabela 5 - Quantidade de lâmpadas por tipo e potências de uso habitual projeção 2016 Tipo Lampada Total Substituição LFT LFT LFT LFT LFC LFC LFC LFC LFCi LFCi LI LFC LI LFC LI LFC LI LFC LI LFC

4 As colunas e Final mostram as variações de potência, se no final de 2016 o Brasil continuar a utilizar os mesmos tipos de lâmpadas da pesquisa de 2004 e a substituição das lâmpadas incandescentes por fluorescentes compactas. Tabela 6 - Quantidade de lâmpadas por tipo e potências de uso eventual projeção 2016 Tipo Total Potencia Lâmpada Subst.. LFT LFT LFT LFT LFC LFC LFC LFC LFCi LFCi LI LFC LI LFC LI LFC LI LFC LI LFC A tabela 7 representa o consumo residencial de energia elétrica, em iluminação, numa projeção para A divisão por horário mostra a concentração do consumo entre 17:00 horas e 21:00 horas. Tabela 7 - Consumo residencial de energia elétrica em iluminação projeção 2016 (GWh) A B C D E F G 1 0,21 0,81 0,11 0,43 1,02 0,54 2 0,20 0,78 0,11 0,41 0,98 0,51 3 0,18 0,71 0,10 0,37 0,89 0,47 4 0,18 0,71 0,10 0,37 0,89 0,47 5 0,18 0,71 0,11 0,37 0,89 0,47 6 0,21 0,79 0,11 0,41 1,00 0,52 7 0,26 1,00 0,14 0,53 1,26 0,66 8 0,25 0,96 0,13 0,50 1,20 0,63 9 0,18 0,72 0,10 0,38 0,91 0, ,15 0,59 0,08 0,31 0,74 0, ,16 0,63 0,09 0,33 0,79 0, ,20 0,75 0,10 0,39 0,94 0, ,20 0,75 0,10 0,39 0,94 0, ,17 0,65 0,09 0,34 0,82 0, ,17 0,64 0,09 0,34 0,81 0, ,19 0,73 0,10 0,39 0,93 0, ,28 1,09 0,15 0,57 1,37 0, ,71 2,72 0,37 1,43 3,43 1, ,29 4,95 0,68 2,60 6,25 3, ,57 6,02 0,83 3,16 7,59 3, ,52 5,81 0,80 3,05 7,33 3, ,16 4,42 0,61 2,33 5,58 2, ,73 2,80 0,39 1,47 3,54 1,86 Legenda A Horário (horas) B Uso eventual lâmpadas fluorescentes e incandescentes C Uso habitual lâmpadas fluorescentes e incandescentes D - Uso eventual todas as lâmpadas são fluorescentes E Uso habitual todas as lâmpadas são fluorescentes F Uso eventual e habitual lâmpadas fluorescentes e incandescentes G Uso eventual e habitual todas as lâmpadas são fluorescentes As respectivas curvas de consumo, eventuais e habituais, com lâmpadas incandescentes e fluorescentes e somente com lâmpadas fluorescentes, estão mostradas no gráfico da figura 5. Consumo (GWh/h) 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Consumo residencial de energia elétrica em iluminação - projeção Horário (h) Eventual - com lâmpadas incandescentes Habitual - com lâmpadas incandescentes Eventual - somente lampadas fluorescentes Habitual - somente lâmpadas fluorescentes Figura 5 - Consumo residencial de energia elétrica em iluminação - projeção para 2016 A tabela 8 apresenta valores da Portaria nº 1007 (BRASIL, 2010a) sobre a eficiência luminosa obrigatória para as lâmpadas incandescentes, comercializadas no país após Os valores constantes da portaria têm a força de lei que deve ser cumprida e respeitada por todos. Tabela 8 incandescentes Eficiência energética Tensão (V) (2011) (W) (Portaria 1007) , , , , , , , , , ,3 21 Na tabela 9 estão representados os valores de eficiência luminosa (BRASIL, 2010b), obrigatórios após 2016, para as LFC e também os valores para obtenção do selo do Procel. Tabela 9 - Fluorescentes Compactas Eficiência mínima (Watts) Tensão (Volts) 127 V (2011) 220 V (2011) (Portaria 1008) Para obter o selo do Procel (*) ,0 42, ,7 49, ,7 49, ,7 54, ,6 56, (*) Válido a partir de 01 de julho de 2012 tensão 127 V ou 220 V. 4 FATOR DE POTÊNCIA E HARMÔNICAS A energia elétrica consumida na iluminação residencial sempre teve um peso representativo dentro do sistema elétrico nacional. Com a substituição das lâmpadas incandescentes por fluorescentes compactas há uma queda no consumo de energia, conforme mostra a Tab. 7. As LFCs ligadas nos horários,

5 conforme a mesma tabela, absorvem da linha também energia reativa (ERICKSON, 2001). Por exemplo: os 3,99GWh consumidos entre horas pelas LFCs com fator de potência 0,55 anula parcialmente os benefícios da troca de lâmpadas incandescentes por fluorescentes compactas. A nota fiscal do consumo de energia elétrica, entregue pela concessionária ao consumidor final, pode apresentar um consumo mensal menor, mas o sistema de distribuição de energia será afetado pelo reativo e harmônicas. Segundo Pomilio (1997) e Almeida (2004) o baixo fator de potência e alta taxa de distorção harmônica, podem causar impactos significativos num sistema elétrico. A Eletrobrás/Procel (2006) publicou documento com os critérios para obtenção do selo Procel em lâmpadas fluorescentes compactas. As especificações determinam que estas lâmpadas devam ter fator de potência maior ou igual a 0,5 com tolerância de 0,05 entre o valor declarado e o valor medido. A outra especificação determina que nas lâmpadas com potência superior a 25W devem ter fator de potência superior a 0,92, a partir de 01/07/2012. O documento da Eletrobrás/Procel citado não especifica os níveis de distorção harmônica. A taxa de distorção harmônica (PROCOBRE, 2001; ERICKSON, 2001), portanto, não é critério para obtenção do selo Procel. Examinando os valores das tabelas 5 e 6, pode-se constatar que nos domicílios brasileiros, predominam as lâmpadas fluorescentes compactas com potência de até 25W. Mesmo que o fabricante ou importador submeta o seu produto aos testes para obtenção do selo do Procel, cada lâmpada de potência de até 25W poderá ter a etiqueta, mesmo com fator de potência de 0,5. Examinando os dados das figuras 5 e 6 pode-se ver que, nos horários de maior demanda de energia elétrica, o consumo com iluminação residencial pode chegar a 7,59GWh utilizando lâmpadas incandescentes e fluorescentes e 3,99GWh utilizando somente lâmpadas fluorescentes. Do total de lâmpadas que os domicílios brasileiros devem ter em 2016, somente 2,85% das lâmpadas de uso eventual e 2,42% das lâmpadas de uso habitual, precisam fazer correção do fator de potência para 0,92, na eventualidade de solicitação do selo de eficiência energética do Procel. 5 LÂMPADAS INCANDESCENTES EM OUTROS PAISES Segundo Bastos (2011) os planos adotados pela Comunidade Européia, Estados Unidos, Austrália, Rússia e Argentina, para a substituição das lâmpadas incandescentes por LFCs estão em execução. A China, hoje grande produtor de lâmpadas e também grande consumidor, não tem política oficial para esta substituição. Num levantamento feito pelos autores, no Brasil ainda não é comercializado LFCs com potência até 25W de alto fator de potência e baixa distorção harmônica. O tradicionais fabricantes ocidentais de LFCs também não têm em seus catálogos estas lâmpadas. A conclusão é que os outros paises que estão fazendo a troca das lâmpadas incandescentes por fluorescentes compactas estão utilizando LFCs de baixo fator de potência. Um exportador chinês (ALIBABA, 2011) comercializa LFCs, fabricadas na China, com alto fator de potência e baixa distorção harmônica. O preço de uma LFC de alto fator de potência (>0,90) e baixa distorção harmônica (<25%) é 30% maior, comparado a uma LFC convencional. 6 CONCLUSÕES A falta de avanços tecnológicos para melhorar a eficiência luminosa das lâmpadas incandescentes, conforme determina a Portaria Interministerial n. 1007, dentro dos prazos estabelecidos, provocará o fim da fabricação, importação e comercialização destas lâmpadas no mercado brasileiro no final de Em substituição a estas lâmpadas, também dentro da tecnologia atual, a população deverá optar por lâmpadas fluorescentes compactas, fato que já vem acontecendo desde o racionamento de energia elétrica ocorrido em A utilização de produtos de baixo consumo de energia elétrica, como as LFCs, além de diminuir o valor da conta mensal de energia do consumidor final, ajuda a postergar investimentos na construção de novas usinas geradoras de energia, pois, a iluminação residencial, é acionada no momento que o Brasil mais precisa de energia elétrica. A necessidade de um reator eletrônico incorporado, no circuito de partida e funcionamento das LFC, hoje com baixo fator de potência, obrigará as concessionárias a corrigir o fator de potência nas subestações ou transferir o problema para os geradores de energia elétrica. Isto porque os consumidores não possuem medidores aptos a medir a potência reativa consumida e a legislação atual não autoriza esta cobrança. Por outro lado, a forte Taxa de Distorção Harmônica da Corrente destes reatores eletrônicos, que também não é medida pelos medidores dos consumidores residenciais, provoca efeitos danosos nas redes de distribuição e transmissão de energia. Estes dois componentes, fator de potência e distorção harmônica, de um equipamento, a LFC, funcionando concentradamente, em apenas um pequeno período de tempo diário, no momento de maior demanda do SIN, podem provocar erros de leituras nos sistemas de proteção, já que estes não estão programados para reconhecê-los. O fator de potência deve ser corrigido, no próprio

6 reator eletrônico da LFC para 0,92. Inclusive nas LFCs com potência abaixo de 25W. Por outro lado, o grande problema das distorções harmônicas também precisa de uma solução, um filtro, sem incorrer na possibilidade de ressonância do sistema. Para os dois problemas a tecnologia já existe. A etiquetagem do selo do Procel deve ser obrigatória e não voluntária, como determina os critérios do órgão público competente. 7 REFERÊNCIAS ALIBABA (2011). Disponível em: Acesso em: 26 jun ALMEIDA, J. E. L. Utilização de Fluorescentes Compactas (LFCs) Associados a Outras Cargas não Lineares Seus impactos em um sistema de distribuição. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Itajubá. Itajubá MG ANEEL AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (2000). Resolução n. 456, de 29/11/2000. Disponível em: Acesso em: 14 mar ARAÚJO, J. E. e BELCHIOR, F. N. (2010). Levantamento de custos associados à substituição de chuveiros elétricos por aquecedores solares. In: VII CBPE VII CONGRESSO BRASILEIRO DE PLANEJAMENTO ENERGÉTICO, São Paulo SP. Anais. BASTOS, F. C. Análise da Política de Banimento de Incandescentes do Mercado Brasileiro. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Jeneiro RJ BRASIL (2010). MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Programa Luz para Todos. Disponível em: Acesso em: 08 mar BRASIL (2010). Portaria Interministerial n. 1007, de 31812/2010. Disponível em: acao= Acesso em 21 mar BRASIL (2010). Portaria Interministerial n. 1008, de 31/12/2010. Disponível em:. acao= Acesso em 21 mar BRASIL (2011). OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO. Consumo Nacional de Energia do SIN. Disponível em: Acesso em: 12 abril ELETROBRÁS (2006). Critérios para concessão do selo Procel de economia de energia para lâmpadas fluorescentes compactas com reator integrado. Revisão I. 04/10/2006. Disponível em: ospbe/regulamentos/criteios_procel.pdf. Acesso em: 23 mar ELETROBRÁS (2005). Pesquisa de Posse de Equipamentos e Hábitos de Consumo Ano Base Editora Eletrobrás Centrais Elétricas Brasileiras S.A. Rio de Janeiro RJ. ELETROBRÁS (2011). Procel Info Centro Brasileiro de Informação de Eficiência Energética. SINPHA - Sistema de Informação de Posses e Hábitos de Uso de Aparelhos Elétrico. Disponível em: ={E6B1AB72-B50E DAFA57BBC2A}. Acesso em: 21 mar EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA (2010). Eficiência Energética na Indústria e nas Residências ( ). Disponível em: %C3%A9rie%20Estudos%20de%20Energia/ _4.pdf. Acesso em 02 m.ar ERICKSON, R. W. e MAKSIMOVIC, D. (2001) Fundamentals of Power Electronics. Cap. 16. Kluwer Academic Publishers. Nova York. IBGE (1999) INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA. Indicadores Sociais Mínimos. Disponível em: acao/condicaodevida/indicadoresminimos/tabel a3.shtm#a36. Acesso em: 14 mar IBGE (2011) INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA. Censo Domicilios por espécie. Disponível em: acao/censo2010/domicilio_por_especie.shtm. Acesso em: 06 abril MORENO, H. (2001). Harmônicas nas Instalações Elétricas. Procobre Instituto Brasileiro do Cobre. São Paulo SP. 1ª Edição. Disponível em: monic.pdf. Acesso em: 18 out OSRAM DO BRASIL (2011). Iluminação Geral. Disponível em: Acesso em: 20 Mar POMILIO, J. A. (1997). Harmônicos e Fator de : Um Curso de Extensão. Publicação FEEC 05/97. Disponível em: o.html. Acesso em: 16 mar