Importância da medição de energia para a eficiência energética

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1 64 Importância da medição de energia para a eficiência energética Elaborado por César Lapa, Marco Antonio Saidel e Katia Gregio Di Santo INTRODUÇÃO A eficiência energética destaca-se cada vez mais no cenário brasileiro por contribuir com a redução da demanda futura por energia elétrica, consequentemente reduzindo impactos ambientais e sociais advindos da necessidade da implantação de grandes projetos de geração de energia. Neste contexto, várias ações de eficiência energética vêm sendo implantadas, algumas voluntárias e outras obrigatórias, como o Programa de Eficiência Energética (PEE), em que as concessionárias distribuidoras de energia elétrica são obrigadas a propor e implementar programas de eficiência energética. Tais projetos devem ser corretamente avaliados, pois o dinheiro investido é uma contribuição da sociedade e o retorno proporcionado por esse investimento precisa ser assegurado. (Januzzi, Saidel et al, 2007). 1) OBJETIVOS DA MEDIÇÃO DE ENERGIA A medição de energia elétrica tem diversas finalidades, entre elas o levantamento do consumo de energia elétrica mensal do estabelecimento, seja ele residencial, comercial, público ou industrial, e também o levantamento dos níveis de eficiência energética encontrados nestes estabelecimentos. A seguir são apresentados alguns conceitos sobre medições de consumo de energia elétrica e sobre determinação de níveis de eficiência energética. 1.1) Medição do consumo mensal de energia elétrica Para a medição do consumo mensal de energia elétrica são utilizados equipamentos de medição totalizadores de consumo, que registram a diferença de consumo total do mês anterior e o corrente, obtendo, assim, o consumo atribuído ao mês corrente, medido em kwh, sem a necessidade de uma medição diária. Figura 1: Gráfico do consumo mensal de energia elétrica de um estabelecimento de exemplo A figura 1 apresenta um gráfico de consumo mensal medido para um estabelecimento. A partir deste gráfico, é possível observar os consumos mensais durante o ano de 2009 de um estabelecimento e, desta forma, analisar o consumo de energia levando em conta as atividades do estabelecimento e o período do ano, criando estratégias para diminuir o consumo de energia elétrica do estabelecimento, implantando ações de eficiência energética. 1.2) Eficiência Energética A implantação de ações de eficiência energética busca a obtenção do menor índice de custo em relação à energia utilizada em um processo. O custo da energia elétrica utilizada em um processo pode ser substituído por várias outras unidades, como: toneladas de minério produzido, litros de algum solvente etc. Desta

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3 66 Figura 2: Gráfico da evolução de um índice de eficiência energética para um estabelecimento de exemplo Figura 4: Medições horárias do consumo de energia elétrica com a implantação de programas de eficiência energética Figura 3: Medições horárias do consumo de energia elétrica sem a implantação de programas de eficiência energética Figura 5: Medição anual do consumo de energia elétrica de um estabelecimento forma, inúmeros índices de eficiência energética podem ser criados com o intuito de produzir com maior eficiência. A figura 2 ilustra um gráfico da evolução do índice de eficiência energética, medido em litros/kwh, para um estabelecimento. Observa-se pela figura 2 que o índice de eficiência energética litros/kwh apresenta um valor aproximadamente constante para a maioria dos períodos analisados, porém para outros, apresenta-se superior. Nestes casos, muitas vezes são necessárias medidas corretivas para melhoria do índice de eficiência energética, como: Otimização do contrato de energia; Melhoria do fator de potência; Utilização de equipamentos mais eficientes, como motores, lâmpadas etc.; Melhoria nos processos de produção. Estas medidas são adotadas após um estudo de viabilidade econômica, quando se verifica se o investimento realizado será amortizado com a economia de energia gerada pela implantação de ações de eficiência energética. O estudo de eficiência energética necessita de dados detalhados do consumo de energia, como o consumo horário, mensal e anual. Por meio da medição do consumo horário, é possível observar o consumo do estabelecimento ao longo do dia, nos horários de ponta e fora de ponta, permitindo ao analista verificar mudanças de turno, horários de entrada e saída de pessoal, operação de máquinas etc. A figura 3 apresenta um gráfico da medição do consumo horário de um estabelecimento antes da implantação de programas de eficiência energética, e a figura 4 apresenta o gráfico para o mesmo estabelecimento depois da implantação dos programas. O intervalo de medição é de 15 minutos, característica básica do processo de faturamento de energia no Brasil. Por meio da medição do consumo mensal, é possível acompanhar o comportamento do consumo de energia frente à sazonalidade no ano, identificando, por exemplo, a diferença do consumo devido à utilização de ar-condicionado no verão, entre outros. A figura 1 é um exemplo desse tipo de medição. Já a medição anual de energia apresenta uma visão geral do consumo de energia de um estabelecimento e a mudança no comportamento do consumo devido a ações de eficiência energética. A figura 5 apresenta um exemplo de medição anual de um estabelecimento.

4 67 Medidores eletrônicos com um único totalizador de energia, porta de comunicação serial Medidores eletrônicos com um único totalizador de energia, porta de comunicação serial switch Par metálico: RS 485 Eventual falha em um medidor poderá impedir a leitura dos outros medidores, ocasionando perda de dados de medição Concentrador de medidores switch Par metálico: RS 485 Memória para o registro das leituras de todos os medidores em diversos horários do dia Software para leitura dos medidores eletrônicos e gerenciamento de energia Figura 6: Esquema de medição utilizando leitura a partir de um computador Eventual falha no concentrador irá ocasionar a perda de todos os dados de medição Figura 8: Esquema de medição utilizando concentrador de dados Medidor sem memória de massa, pode haver falha na geração de gráficos Figura 7: Medições horárias do consumo de energia elétrica diante de falhas no sistema de medição 1.3) Técnicas de medição para eficiência energética Os dados necessários para um estudo de eficiência energética devem ser coletados por meio de um sistema de gerenciamento de energia, que deve ser capaz de fazer diversas medições de consumo e demanda de energia durante o dia, nos horários de ponta e fora de ponta. Atualmente, existem diversas técnicas de medição, a seguir serão apresentadas algumas delas ) Leitura dos medidores a partir de um computador Este tipo de medição utiliza medidores eletrônicos de energia com porta de comunicação serial, padrão RS-485, e computador dedicado com software de leitura dos medidores e gerenciamento de energia, como é esquematizado na figura 6. O funcionamento baseia-se na leitura pelo computador dos dados obtidos pelos medidores eletrônicos, que seguem para um banco de dados, os quais são tratados para apresentação de gráficos e relatórios. Este sistema apresenta algumas fragilidades que podem comprometer a qualidade dos dados medidos quando ocorrer uma falha na porta de comunicação serial do medidor ou eventual travamento do computador, pois o medidor não contém memória de massa. A figura 7 apresenta um gráfico de medição de consumo horário quando ocorrem tais falhas ) Leitura dos medidores a partir de um concentrador Este tipo de medição utiliza medidores eletrônicos de energia com porta de comunicação serial, padrão RS-485, concentradores de dados conectados aos medidores e computador dedicado com software de gerenciamento de energia, como é esquematizado na figura 8. Nesta configuração, os medidores eletrônicos realizam as medições, que são armazenadas nos concentradores de dados. Posteriormente, os dados seguem para o software de gerenciamento contido no computador, onde são processados. Neste caso, falhas em algum dos medidores podem comprometer a leitura de outros medidores e, ainda, uma falha no concentrador pode levar à perda dos dados nele armazenados, comprometendo a qualidade da medição ) Utilização de medidores com memória de massa A utilização de medidores eletrônicos com memória de massa apresenta-se mais segura em relação à qualidade dos dados coletados. O funcionamento é baseado na medição do consumo e demanda de energia por meio dos medidores, nos quais são arma-

5 68 Medidores eletrônicos com porta de comunicação serial e memória de massa Par metálico: RS 485 Servidor com banco de dados do consumo de energia Medições sempre confiáveis para o técnico de eficiência energética Figura 9: Esquema de medição utilizando medidores com memória de massa Figura 10: Demanda de potência no período de maio a junho de 2005 zenados os dados medidos, que seguem para um computador onde consta um sistema de gerenciamento de energia, onde os dados são tratados para posterior análise. Esta arquitetura é apresentada pela figura 8. A memória de massa dos medidores pode ser configurada para um intervalo mínimo de 35 dias, com médias integradas a cada 15 minutos, garantindo melhor qualidade na medição. Desta forma, qualquer falha que venha a ocorrer na comunicação serial poderá ser resolvida em até 35 dias e não ocorrerá a perda de dados. 2) ESTUDO DE CASO A seguir apresenta-se um caso real de medições de energia aplicadas em uma ação de eficiência energética, realizada no Hospital Universitário. Esta ação de eficiência energética foi desenvolvida pelo Grupo de Energia do Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Gepea), com apoio financeiro da concessionária de energia local Eletropaulo. 2.1) Projeto de eficiência energética O projeto inicial previa a substituição de lâmpadas e reatores eletromagnéticos conforme descrito a seguir: 7314 lâmpadas fluorescentes tubulares de 40W por lâmpadas de 32W, modelo FO32W/21-840, Osram; 50 lâmpadas fluorescentes tubulares de 20W por lâmpadas 16W, modelo FO16W/21-840, Osram; 3657 reatores eletromagnéticos 2 x 40W por eletrônicos de 2 x 32W/220 V. modelo FT2x32 W bivolt AFP; 25 reatores eletromagnéticos por eletrônicos 2 x 16W/220 V, modelo QTIS-S Special. Com base neste conjunto de substituições, definido no diagnóstico energético da edificação, estimou-se a economia de energia de 793,9MWh/ano e a demanda evitada de 110,3kW. O prédio do Hospital Universitário é alimentado por uma subestação secundária com um único ponto de monitoração em média tensão. Esee ponto é monitorado em tempo real com o Sistema de Gerenciamento de Energia (Sisgen) (Rosa, 2007), que recebe os dados do sistema de medição, este composto por transformadores de corrente e de tensão e transdutor de energia. 2.2) Linha de Base Para a correta avaliação das reduções de consumo de energia e demanda relacionados ao projeto de eficiência energética implantado, deve-se considerar que: Lâmpadas e reatores danificados: antes da implantação do programa havia 580 lâmpadas danificadas, ou seja, 8,6% da iluminação, correspondente a aproximadamente 18kW; Adequação à NBR 5413: foi realizado um estudo que constatou a ocorrência de índices de luminosidade abaixo da norma vigente, desta forma, os ambientes que apresentaram não conformidades foram modificados para se adequarem à norma. Portanto, a ade-

6 69 Figura 11: Demanda de potência de um dia da medição parcial Figura 12: Demanda de potência de um dia para medição geral quação acrescentou ou reduziu lâmpadas em alguns pontos, e foi estimado um decréscimo de 9kW em relação à demanda prevista; Seccionamento de circuitos: com o objetivo de evitar que algumas lâmpadas ficassem acesas desnecessariamente, alguns circuitos forma seccionados. 2.3) Medições de energia realizadas Para constatar a redução de consumo e demanda energética com a introdução deste programa de eficiência energética, foram realizadas medições de energia antes e depois da implantação da ação. As medições foram realizadas no ponto de atuação do Sisgen e também nos corredores do ambulatório do primeiro andar, medição geral e parcial, respectivamente ) Medições antes da implantação do programa A medição parcial de energia foi realizada por 16 dias, entre maio e junho de A figura 10 mostra a medição da demanda de potência realizada nos corredores do ambulatório do primeiro andar para este período. Neste período, foram registradas as seguintes medições: Maior demanda de potência fora de ponta: 6,2kW; Maior demanda de potência ponta: 4,5kW; Consumo de energia do período: 836,6kWh. Na figura 11 é apresentada a demanda de potência de um dia do período medido. A medição geral de energia foi realizada no mês de junho de A figura 12 mostra a medição da demanda de

7 70 Figura 14: Demanda de potência no período de novembro de 2005 Figura 13: Consumo de energia de um dia para medição geral Figura 15: Demanda de potência de um dia para medição parcial potência realizada por meio do Sisgen para este período. Neste período, foram registradas as seguintes medições: Maior demanda de potência fora de ponta: 1127kW; Maior demanda de potência ponta: 924kW; Consumo de energia do período: 19041kWh. A figura 13 apresenta o consumo horário de energia de um dia ) Medições depois da implantação do programa (condição eficiente) A medição parcial de energia foi realizada em 16 dias no mês de novembro de A figura 14 mostra a medição da demanda de potência realizada nos corredores do ambulatório do primeiro andar para este período. Neste período, foram registradas as seguintes medições: Maior demanda de potência fora de ponta: 5,1kW; Maior demanda de potência ponta: 2,9kW; Consumo de energia do período: 347,6kWh. A figura 15 apresenta um detalhamento horário da demanda de potência. A medição geral de energia foi realizada no dia da vistoria final, ou seja, dois meses após a finalização das instalações do projeto. A figura 16 mostra a medição da demanda de potência e consumo diário de energia, realizadas por meio do Sisgen. Neste período analisado, foram registradas as seguintes medições: Maior demanda de potência fora de ponta: 1083kW; Maior demanda de potência ponta: 896kW; Consumo de energia do período: 18742,3kWh. Observa-se que houve uma redução de demanda de potência e consumo de energia na medição geral com a introdução do programa de eficiência energética, porém como a medição geral abrange todos os equipamentos do Hospital Universitário, e não somente o sistema de iluminação, não serve de referência para aferir a economia gerada pelo programa, devendo ser feita, então, a análise por meio dos dados de medição parcial, ou seja, das medições realizadas no corredor do ambulatório do primeiro andar. 2.4) Verificação da economia As tabelas 1, 2 e 3 mostram os valores de demanda de potência e consumo de energia antes e depois da execução do projeto de eficiência energética. Antes Depois Redução Dem. Pot.- Ponta 558 kw 360 kw 35,4 % Dem. Pot. média - Ponta Dem. Pot.- Fora Ponta Consumo de energia Antes Depois Redução Dem. Pot.- Ponta 4,5 kw 2,9 kw 35,4 % Dem. Pot. média - Ponta Dem. Pot.- Fora Ponta Consumo de energia 3 kw 1,9 kw 35,5 % 6,2 kw 5,1 kw 17,74 % 836,6 kwh 347,6 kwh 58,45 % Tabela 1: Valores de demanda de potência e consumo de energia para corredor do ambulatório do primeiro andar 367,9 kw 237 kw 35,5 % 765 kw 629 kw 17,74 % kwh kwh 58,45 % Tabela 2: Projeção de valores de demanda de potência e consumo de energia para o sistema de iluminação geral

8 71 Figura 16: Demanda de potência e consumo de energia de um dia para medição geral Antes Depois Redução Dem. Pot.- Ponta 924 kw 896 kw 3 % Dem. Pot.- Fora Ponta Consumo de energia diário 1127 kw 1083 kw 3,9 % kwh kwh 10,86 % Tabela 3: Valores de demanda de potência e consumo de energia medidos na entrada de média tensão da planta Considerando os valores da tabela 3, observa-se que a Economia de Energia Anual (EEA) é dada por 835,2MWh e a demanda de potência evitada na ponta é de 130,08kW. 2.5) Cálculo do RCB A relação custo-benefício da implantação do programa de eficiência energética é observada na tabela 4. Os cálculos realizados estão de acordo com o procedimento válido à época. (Aneel, 2005). Previsto Realizado Variação Red. Dem. Pot.- Ponta (kw) Red. Cons. Anual (kwh) 110, % ,9 % Benefício (R$) , ,90 6,5 % Custo evit. Dem. Pot. (R$/kW) Custo evit. Ener. (R$/MWh) 457, ,9 - - RCB 0,63 0,56 12 % Tabela 4: Análise do RCB

9 72 3) CONSIDERAÇÕES FINAIS O crescente aumento do consumo de energia no Brasil, característica típica de países em desenvolvimento (Lamberts e Carlo, 2004), está diretamente ligado ao aumento do Produto Interno Bruto (PIB). Desta forma, as iniciativas de eficiência energética ganham cada vez mais importância. Segundo (Lamberts et al, 2007), o Brasil possui grande potencial para reduzir o consumo de energia com a implantação de programas de eficiência energética, os quais são determinados pela Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia. O sucesso da implantação dos programas de eficiência energética está diretamente ligado à qualidade dos dados obtidos por meio de medições de energia. Desta forma, o sistema de medições deve ser preciso e confiável, fornecendo dados de medições horárias para que o sistema de gerenciamento de energia possa tratá-los de forma adequada. O programa de eficiência energética, para ser atrativo, deve possuir um bom índice de relação custo-benefício, pois o retorno do investimento ocorrerá com a energia economizada. Observa-se que o programa de eficiência energética implantado no Hospital Universitário da USP apresentou um bom índice de relação custo-benefício, além de ter realizado a adequação dos ambientes de acordo com a norma NR 10, devendo, assim, servir de exemplo para incentivar a promoção de iniciativas de eficiência energética em outros estabelecimentos. 4) REFERÊNCIAS ANEEL (2005). Manual para elaboração do programa de eficiência energética ciclo 2005/2006. ANEEL (2008). Manual para elaboração do programa de eficiência energética JANNUZZI, G. M., DANELLA, M. A., SILVA, S. A. S (2004). Metodologia para aplicação dos recursos dos programas de eficiência energética. In: Energy Discussion Paper. Campinas. JANNUZZI, G. M., SAIDEL, M. A et al (2007). Avaliação dos programas de eficiência energética das concessionárias de distribuição de eletricidade e sugestõs para a revisão da sua regulamentação. Relatório preparado para o Banco Mundial. ANEEL. LAMBERTS, R. e CARLO, J. C. (2004). Uma discussão sobre a regulamentação em eficiência energética em edificações. In: Congresso de Ar-condicionado, Refrigeração, Aquecimento e Ventilação do Mercosul, IV Mercofrio. Curitiba. LAMBERTS, R., GOULART, S. et al (2007). Regulamentação de Etiquetagem Voluntária de Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais e Públicos. In: IX Encontro Nacional e V Latino Americano de Conforto no Ambiente Construído. Porto Alegre. ROSA, L. H. L (2007). Sistema de apoio à gestão de utilidades e energia: aplicação de conceitos de sistemas de informação e apoio à tomada de decisão. Dissertação de Mestrado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo. César Lapa é engenheiro eletrônico com MBA em gerenciamento de energia e é diretor-comercial da CCK. Marco Antonio Saidel é professor livre docente da Escola Politécnica da USP e atua na área de eficiência energética Katia Gregio Di Santo é engenheira eletricista e atua na área de eficiência energética