Secção económica e amortização ecológica. Eficiência energética nas linhas. O cabo de baixo consumo. Exemplo em BT. Agora que já existem valores publicados sobre as emissões de CO 2 por kg de cabo fabricado podemos quantificar a importante redução das mesmas por instalar secções de cabo superiores às obtidas por critérios técnicos ao reduzir as perdas resistivas nos condutores. Na maioria dos casos isto origina uma importante poupança económica. Passamos a explicar com um exemplo. Secção técnica Realizamos inicialmente o cálculo da secção pelos critérios técnicos da máxima intensidade admissível e da máxima queda de tensão. Dados da instalação: P = 130 kw U = 400 V (trifásica) cos φ = 0,9 L = 175 m ΔU = 5 % (queda de tensão admitida em %) Instalação em esteira perfurada Temperatura ambiente = 40 ºC Circuito único na canalização (3 fases + neutro + condutor de protecção), sem influência térmica de outros circuitos Cabo utilizado: Afumex 1000 V (AS) unipolar (cabo de cobre termo-estável, máxima temperatura no condutor 90 ºC) Cabo Afumex 1000 V (AS) unipolar Secção por queda de tensão Estimamos a condutividade mais desfavorável para o cobre (a 90 ºC γ = 44 m/(ω mm²)) e seguindo este critério, poderíamos calcular a temperatura do condutor para saber se podemos utilizar uma secção inferior. Igualmente estimamos que a secção não será superior a 95 mm² e não consideramos a influência da reactância. Se o resultado não confirmasse esta hipótese, refaríamos o cálculo incluindo o valor da reactância. Calculamos a intensidade que vai circular pela linha:
I P 3 U cos 130000 208,5 A 3x400x0,9 O valor da secção por queda de tensão numa instalação trifásica sem efeito apreciável da reactância obtém-se conforme a seguinte expressão: S 3 L I cos U 3x175x208,5x0,9 64,63 mm² 70 mm² 44x20 Secção por intensidade admissível Inicialmente temos que ver a que sistema de instalação tipo corresponde a esteira perfurada com cabos unipolares. Na página 62 (quadro 52H) das Regras técnicas das instalações eléctricas de baixa tensão pode-se encontrar a correspondência entre o sistema de instalação de cabos unipolares em esteira perfurada e o método tipo. Temos uma intensidade de 208,5 A numa instalação trifásica em esteira com cabo Afumex 1000 V (AS) que é termo-estável e por isso suporta 90 ºC no condutor e devese procurar na tabela de intensidades admissíveis as Regras técnicas das instalações eléctricas de baixa tensão (quadro 52-C11, página 106), cabos mono condutores e três condutores carregados em triângulo. A primeira intensidade que supera a corrente da nossa linha para o método tipo F. Como a nossa instalação suporta uma temperatura ambiente de 40 ºC, devemos multiplicar os valores do quadro 52-C11 por 0,91 (ver quadro 52-D1, página 110) para corrigir o desvio da temperatura ambiente face ao valor standard de 30 ºC com o que se calculou a tabela 52-C11.
Valores para 30 ºC Valores para 40 ºC 244 299 349 404 464 552 640 749 Quadro 52-C11 de intensidades admissíveis para instalações ao ar, métodos de referência E, F y G. Cabos termo-estáveis (máximo 90 ºC no condutor) de cobre a 30 ºC de temperatura ambiente e valores a 40 ºC para o nosso sistema de instalação. Vemos por tanto que 70 mm² é a secção pelo critério da intensidade admissível e que coincide com o valor da secção por queda de tensão, pelo que trabalharemos com este valor de secção técnica mínima supondo que satisfaz também as exigências de curtocircuito. Se não continuarmos a fazer cálculos poderíamos utilizar 3 cabos unipolares de 1x70 mm² Afumex 1000 V (AS) para as fases, um cabo do mesmo tipo de 1x70 mm² para o neutro (prevendo desequilíbrios nas fases e a influência dos harmónicos) e 1x35 para o condutor de protecção. Como os cabos de 0,6/1 kv não têm atribuídas diferentes colorações nos seus isolamentos, nem nas suas bainhas, convém que a sua função (fase, neutro ou protecção) seja identificada adequadamente em cada extremo do cabo com algum sinalizador, argola, etiqueta, etc.
Secção económica e ecológica Partindo da secção técnica vamos ver quanto podemos poupar se aumentamos a secção tendo em conta que gastaremos mais dinheiro no cabo mas pouparemos em perdas resistivas. Consideremos que aproximadamente a nossa linha é percorrida pelos seguintes valores de intensidade em função da hora de cada dia laboravel, entendidos como laboráveis 228 dias/ano e os restantes (137 dias) não laboráveis (férias, fins de semana e feriados). Intensidade (A) 244 A Imax que pode levar o condutor de 70 mm² nas condições de instalação definidas 184 A 0 8 13 15 18 24 Hora do día Quer dizer, a linha é percorrida por uma intensidade aprox. de uns 184 A (~ 115 kw, algo menos que o valor máximo previsto no cálculo inicial) de 8 a 13 horas e de 15 a 18 horas nos dias laboráveis e o resto do tempo está desligada. Portanto todos os anos temos um período de actividade aproximado de 8 horas/dia laboravel x 228 dias laboráveis/ano = 1824 horas/ano A energia perdida na resistência eléctrica numa linha trifásica (sendo optimistas e supondo o neutro totalmente descarregado) responderia à seguinte expressão: E P = 3 R I² t L 1/1000 [kw h]
Sendo R: resistência da linha em Ω/km I: intensidade que percorre a linha em A t: tempo em h L: Comprimento da linha em km Portanto, sabendo a resistência da linha para cada secção concreta temos os valores de energia perdida na linha para cada secção. Como sabemos a resistência de um condutor depende da sua temperatura, pelo que calculando a temperatura do condutor poderemos saber a sua resistência real em cada caso e assim quantificar as perdas com mais exactidão. NOTA: Pode-se simplificar o cálculo tomando valores de resistência a 20 ºC (IEC 60228), os resultados serão menos exactos mas podem valer para se fazer uma ideia inicial mais rápida, de cada vez que o resultado real seja mais favorável ao ser a resistência real superior à tabelada a 20 ºC. Sabemos que a temperatura de um condutor percorrido por uma corrente I se pode obter com a seguinte expressão: T = T amb + (T max T amb ) (I/I max )² Onde: T amb : temperatura ambiente da instalação (40 ºC no nosso caso) T máx : temperatura máxima que pode suportar o condutor (90 ºC para o cabo Afumex 1000 V (AS) do nosso exemplo) I: intensidade que percorre o condutor (184 A durante 8 horas todos os dias laboráveis) I máx : intensidade máxima que pode percorrer o condutor nas condições da instalação (244 A) (ver tabela de intensidades admissíveis) Substituindo: T 70 a 184 A = 40 + (90-40) (184/244)² = 68,43 ºC Uma vez que tenhamos calculado a temperatura, podemos obter a resistência do cabo R T = R 20 (1 + α (T 20)) Onde: R T : valor da resistência do condutor em Ω/km à temperatura T R 20 : valor da resistência do condutor a 20 ºC (valor tipicamente tablado). Ao cabo de 70 mm² de alumínio corresponde uma resistência de 0,272 Ω/km (IEC 60228) α: coeficiente de variação de resistência específica por temperatura do condutor em ºC -1 (0,00392 para Cu y 0,00403 para Al)
T: temperatura real do condutor (ºC) R 70 a 68,43 ºC = 0,272 x (1 + 0,00392 x (68,43 20)) = 0,324 Ω/km Portanto a energia perdida num ano na linha será de: E P70 = 3 x 0,324 x 184² x 0,175 x 1824/1000 = 10504 kw h E o custo da energia supondo uma tarifa aproximada de 0,09 /kw h C P70 = 10504 kw h x 0,09 /kw h = 945,36 E em 25 anos de vida útil que pudéssemos estimar: C P70, 25 anos = 23634 Procedemos analogamente com o resto das secções superiores até 240 (95, 120, 150, 185 y 240). Tendo em conta que para calcular a temperatura do condutor nestes casos a I max. será respectivamente: 299, 349, 404, 464 y 552 A (ver valores de intensidade admissível 40 ºC na tabela). Fazendo as contas obteremos os dados resumidos na seguinte tabela: *Neutro igual secção que as fases e condutor de protecção, secção metade Como vemos a secção económica (185 mm²) custar-nos-ia 7.588 dado que esta é a diferença entre a poupança eléctrica e o incremento de custo do cabo relativamente à secção de 70 mm². (15.026 7.438 = 7.588 ).
Amortização ( ) 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1x70 1x95 1x120 1x150 1x185 1x240 Economia ao longo da vida útil da linha em função da secção do condutor empregue O prazo de amortização da secção económica seria: 15026/ 25 anos = 601,04 /ano 7438 / 601,04 /ano = 12,4 anos Quer dizer nos 12,4 anos pagamos o aumento de preço do cabo de secção 185 mm² face ao de 70 mm² com economia de energia eléctrica não perdida. A partir desse momento o saldo começa a ser positivo e começamos a economia que chegará a ser de 7.588 ao fim dos 25 anos estimados aproximadamente de vida da linha. As perdas resistivas com a secção de 240 mm² são logicamente menores mas ao se amortizar mais tarde o incremento da secção, há menos tempo para saldo positivo e por isso o resultado económico seria de 5.902 a favor. O que sim é certo é que a poupança ecológica é superior uma vez que é praticamente insignificante a comparação entre as emissões por fabricar o cabo e as emissões por poupança da portagem resistiva na linha. Recentemente a Associação espanhola de fabricante de cabos e condutores eléctricos e de fibra óptica (FACEL) publicou uma tabela com os valores de emissões de CO 2 por kg de cabo fabricado, por a encontrarmos interessante reproduzimo-la.
kg CO 2 emitidos / kg cabo fabricado Cabos de energia de baixa tensão com condutor/es de cobre 0,327 Cabos de energia de baixa e media tensão 0,408 com condutor/es de alumínio Resto dos cabos de energia e/ou cabos especiais 0,356 Cabos telecomunicações 0,417 Fios esmaltados 0,585 Com os dados de que dispomos já podemos colocar números às emissões por fabrico do cabo e por perdas resistivas. Se supusermos um valor á volta de 0,38 kg CO 2 /kw h eléctrico, tendo em conta o mix nacional. Com as operações realizadas e os dados tabelados temos a energia que perderíamos na linha com cabo de 70 mm² e com a secção económica de 185 mm². E P70 = 10504 kw h/ano em 25 anos: 262600 kw h E P185 = 3826 kw h ano em 25 anos: 95650 kw h E a diferença será a energia eléctrica que poupamos: E PA = E P185 - E P70 = 262600 95650 = 166950 kw h E por isso as emissões de CO 2 poupadas com a secção económica ficariam em Emissões CO 2 = 166.950 kw h x 0,38 kg CO 2 /kw h = 63.441 kg CO 2 Agora comparemos com as emissões por fabrico de cabo mais pesado (185 mm² ante a 70 mm² nas fases e neutro e secção metade no condutor de protecção) Peso com fases de 70 4 x 0,175 km x 750 kg/km + 0,175 x 395 kg/km = 594 kg cabo Peso com fases de 185 4 x 0,175 km x 1866 kg/km + 0,175 x 970 = 1.476 kg cabo ΔPeso cabo = 1476 594 = 882 kg cabo Pelo que as emissões por fabricação de 882 kg mais de cabo para satisfazer a secção económica de 185 mm² serão: Emissões CO 2 = 882 kg cabo x 0,327 kg CO 2 /kg cabo = 288 kg CO 2
Umas 220 vezes menos emissões por utilizar a secção económica (185 mm²) e não a secção técnica (70 mm²). Pelo que a secção económica revela-se como um aliado do meio ambiente pelas importantes reduções de emissões que podemos valorizar. Redução de emissões de CO2 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 1x70 1x95 1x120 1x150 1x185 1x240 Redução de emissões de CO 2 face á utilização da secção mínima por critérios técnicos (70 mm²) Vamos ver quando amortizaríamos ecologicamente por passar a secção de 70 a 185 mm²: 288 kg CO 2 / 63441 kg CO 2 x 25 anos x 365 dias/ano = 41,42 dias A amortização ecológica acontece assim em apenas 40 dias. Quer dizer, em 40 dias teremos economizado tantas emissões de CO 2 como as que gastamos a mais pelo fabrico do cabo da secção económica 185 mm² frente á secção técnica de 70 mm². Assim mesmo, podemos ver na tabela de resultados que inclusivamente um único salto de secção, passando a 95 mm², origina uma economia e uma importante redução do impacto ambiental. No exemplo desenvolvido não se consideraram os possíveis incrementos de custo de componentes alheios ao cabo como conectores, instalação, esteira, protecções bem como não se considerou o retorno ao cabo dos 25 anos do interessante valor residual (sucata) da maior quantidade de cobre utilizada nos cabos de secção económica 185 face a 70 mm². O incremento de peso de cobre é de 724 kg. Há igualmente que considerar que o nível médio de carga da linha é baixo por estar todos os dias não úteis desligada e funcionando apenas 1/3 do tempo dos dias úteis. Com níveis de carga superior, os resultados obviamente teriam sido mais favoráveis ainda (mais economia e ecológico). Supôs-se tabela constante em 25 anos, sem actualizar o valor dos futuros aumentos Implicitamente, portanto, estimou-se que a tarifa eléctrica iria aumentar o que aumentaria o tipo de lucro oficial.
Com a secção económica poupamos não apenas bastante dinheiro mas também muitas emissões para o meio ambiente e ainda conseguimos outros benefícios como: - Maior vida útil da linha por estar mais descarregada - Melhor resposta a fenómenos transitórios - Possibilidade de ampliação de potência sem alterar o cabo Propomos-lhe que tenha em conta a secção económica e a economia ecológica nos estudos de linhas que realize, a sua economia e o meio ambiente agradecer-lhe-ão.