ANÁLISE DE EFIIÊNIA ENERGÉTIA EM UMA INDÚSTRIA DE ARTEFATOS DE MADEIRA Kleber D. Belinovski, Décio Bispo Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia MG, belinovski@gmail.com, deciobispo@yahoo.com.br Resumo - Este trabalho apresenta um estudo de eficiência energética realizado em uma indústria de artefatos de madeira, visando minimizar o desperdício e o custo da energia sem que haja racionamento energético. A metodologia utilizada baseia-se na elaboração de diagnósticos energéticos para cada tipo de equipamento constituinte do complexo elétrico desta fábrica. Além disso, baseia-se também na conseqüente análise econômica, de forma a verificar a viabilidade das ações e investimentos necessários ao uso eficiente da energia elétrica. Ao final deste trabalho são apresentados indicadores gerais de consumo e de custo da energia antes e depois da aplicação do programa. Palavras-have eficiência energética, indústria. ENERGY EFFIIENY ANALYSIS IN A FATORY: THE ASE A RELA S/A Abstract - This work presents an energy efficiency study performed in a wooden artifacts industry, aimed to minimize the waste and cost of energy without any energy rationing. The methodology that was used is based on the development of diagnostic energy for each type of equipment constituent of the electric complex of this industry. Moreover, it is also based on the subsequent economic analysis, in order to check the viability of actions and necessary investments for an efficient use of electricity. At the end of this work general indicators of consumption and of energy cost are presented before and after of the program implementation. i Keywords energy efficiency, factory. I. INTRODUÇÃO Os indicadores de usos finais da energia mostram que a classe industrial é a de maior consumo no país, chegando a 46% do total consumido, segundo dados da Empresa de Pesquisa Energética, sendo também responsável por grande parcela de desperdício de energia [1]. Assim, um estudo detalhado de conservação em cada indústria poderia produzir efeitos diretos de interesses das próprias empresas, e das entidades governamentais, que podem eliminar os desperdícios e reduzir investimentos setoriais evitando danos ao meio ambiente com construções de novas usinas [2]. O uso racional da energia contribui para o desenvolvimento sustentável, redução do aquecimento global, e melhora a produtividade e competitividade dos produtos e serviços. Um programa de eficiência energética industrial procura analisar todos os processos que envolvem a energia e estudar uma forma de manter a produção com a mesma qualidade, porém com menor consumo de energia. Esses estudos conduzem a melhorias de processos, substituição de equipamentos e conscientização coletiva. Em praticamente todos os sistemas industriais a energia é também matéria prima, e isso causa despesas onerosas da empresa com a concessionária. Através da aplicação dos conceitos de conservação de energia, a fábrica poderá produzir mais e consequentemente faturar mais consumindo uma mesma quantidade de energia. Além disso, esse estudo procura verificar condições de operação dos equipamentos e especificá-los de maneira otimizada, e assim proporcionar instalações modernas, econômicas e eficientes. II. INFORMAÇÕES SOBRE A EMPRESA A A Rela S/A Indústria e omércio produz os Palitos Gina e fornece os palitos de picolé à Kibon, além de fabricar prendedores de roupa, abaixadores de língua, e outros artefatos de madeira. onstitui o maior fabricante de palitos de mesa e de sorvete do país, detendo cerca de 60% do mercado nacional e já produziu mais de 100 bilhões de palitos em 61 anos de atividade. Gera cerca de 500 empregos diretos, com mão-de-obra predominantemente feminina. O parque industrial processa grande quantidade de madeira e tem importância nacional no setor em que atua, justificando assim a adequação da A Rela S/A para a análise de eficiência energética. III. AUDITORIA ENERGÉTIA Antes do início de qualquer programa de eficiência energética é necessário que sejam estudados os pontos em que podem surtir maiores efeitos de economia de energia. É preciso conhecer, diagnosticar a realidade energética, para então estabelecer as prioridades, implantar os projetos de melhoria e redução de perdas e acompanhar seus resultados em um processo contínuo. E, mesmo lembrando que conservar energia é se limitar à correta aplicação dos conceitos da engenharia e análise econômica, a questão de programar a adequada gestão dos fluxos energéticos tem formalizado uma própria estrutura de ação. Assim, a operacionalização da eficiência energética passa necessariamente por uma mínima estrutura gerencial, de porte e abrangência compatíveis à empresa e que visa, em relação aos fluxos energéticos, simplesmente em identificar e
quantificar os fluxos energéticos ao longo do processo produtivo de bens e serviços [1]. Foi realizada uma observação na empresa, incluindo um levantamento da carga elétrica instalada e verificação de setores com maior consumo de energia, e foi constatado que o programa para a A Rela S.A. é economicamente viável. Pode-se observar na Figura 1 um diagrama que demonstra os principais fluxos de potência dentro da indústria, sendo basicamente apenas os motores (majoritário), compressores e o sistema de iluminação. valores de fator de carga e consequentemente diminuindo o custo unitário da energia (R$/kWh). Os resultados obtidos indicam o consumo mensal antes, e depois da alteração, além do custo unitário da energia. Para a Fábrica esses indicadores podem ser observados nas Figuras 2 e 3. R$ 80.000 R$ 70.000 R$ 60.000 R$ 50.000 R$ 40.000 R$ 30.000 usto da Energia na Fábrica Tarifa erde Fig. 2. usto da energia na fábrica. Fig. 1. Principais fluxos de potência na indústria. Assim foram então propostas ações a serem realizadas para identificar e quantificar o potencial de economia de energia em cada um dos setores. Para cada equipamento identificado deverá ser construído seu diagnóstico energético. I. DIAGNÓSTIOS ENERGÉTIOS Os Diagnósticos Energéticos devem analisar todos os pontos que apresentem possibilidade de economia, e identificar e quantificar todos os valores estimados de redução de energia e/ou custos. Foram estudados os contratos de fornecimento de energia, os motores, e os compressores. A. ontrato de Fornecimento de Energia Elétrica A empresa possui dois alimentadores, um para a serraria e outro para fábrica de palitos, ambos enquadrados no subgrupo A4. Através das contas de energia, observou-se que em um dos alimentadores a demanda máxima raramente se aproximava da demanda contratada, enquanto que no outro havia frequentemente cobrança de multa por ultrapassagem. O fator de carga de ambos é pouco elevado, e a empresa pagava cerca de 50% do faturamento relativo ao horário de ponta, sendo que esse período equivale a apenas aproximadamente 10% do tempo de fornecimento de energia. Foram então criadas situações onde o contrato de demanda fosse adequado e o perfil de carga fosse alterado com o deslocamento de cargas do horário de ponta (HP). O deslocamento consiste em interromper o funcionamento das principais máquinas no HP, e transferir o seu consumo para outros horários fora de ponta (HFP) como turnos de madrugada ou finais de semana, onde o custo seja menor. Para que sejam feitas comparações, alguns indicadores devem ser acompanhados. Um deles é a relação entre o valor em R$ gasto mensal e a quantidade de energia consumida em kwh, que nos fornece o custo unitário da energia. Quanto menor esse índice, mais racionalmente está sendo administrada a energia. om o novo perfil será verificada a aplicabilidade da tarifa azul, que permite a contratação de dois valores de demanda, diminuindo assim os custos do HP, aumentando os R$/kWh 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 usto Unitário da Energia na Fábrica Tarifa erde Fig. 3. usto unitário da energia na fábrica. É possível verificar que mesmo sem reduzir o consumo da energia, apenas realizando o deslocamento de cargas, podese conseguir uma economia média anual de 35,06% no custo da energia anual, o que equivale a R$ 261.092,89. Esses mesmos indicadores podem ser observados para o alimentador da serraria nas Figuras 4 e 5. R$ 17.000 R$ 15.000 R$ 13.000 R$ 11.000 R$/kWh R$ 9.000 R$ 7.000 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 usto da Energia na Serraria Tarifa erde Fig. 4. usto da energia na serraria. usto Unitário da Energia na Serraria Tarifa erde Fig. 5. usto unitário da energia na serraria.
É possível verificar que mesmo sem reduzir o consumo da serraria, apenas realizando o deslocamento de cargas, podese conseguir uma economia de 19,33% no custo da energia anual, o que equivale a R$ 31.268,58. Os resultados dos dois alimentadores podem ser observados na Tabela I. dos motores, através das curvas de desempenho fornecidas pelo fabricante, conforme a Figura 6. TABELA I Resultados para o ontrato de Fornecimento Fábrica e Serraria Aplicar ; Realizar deslocamento de cargas; Não prejudica a quantidade de consumo; Exige maior acompanhamento e controle; Início do retorno: Imediato; Investimento: Zero. Economia anual estimada: R$ 292.361,47 B. Motores Os motores de indução trifásicos processam cerca de 25% da energia elétrica consumida no Brasil, sendo uma carga representativa tanto no setor industrial como no comercial [2]. A importância destes equipamentos na matriz energética induziu o governo brasileiro, através do Procel a realizar uma avaliação dos motores de indução trifásicos nacionais de 1988 a 1990. Esta avaliação sugeriu que os projetos destes motores fossem aperfeiçoados. A melhoria de rendimento naquela época estava associada ao uso de materiais magnéticos melhores e mais caros, implicando em altos custos. Estes resultados evidenciaram a necessidade de abertura de uma linha de pesquisa de otimização de projeto de motores de indução trifásicos, dentro do contexto tecnológico brasileiro [1]. Após vários estudos, surgiram em diversos fabricantes os motores de alto rendimento. Esses motores em geral apresentam características específicas que fazem com que acionem a mesma carga, porém absorvendo uma potência elétrica menor da rede. onsequentemente ele funcionará sob uma menor temperatura de trabalho resultando numa vida útil maior, menor necessidade de manutenção e menor nível de ruído devido ao melhor balanceamento e menores tolerâncias de fabricação. Teoricamente, qualquer substituição de motor da linha padrão por alto rendimento traz economia de energia, mas nem sempre a troca é viável economicamente. Quanto maior o tempo de funcionamento, e maior a potência, mais rápido acontecerá o retorno dos investimentos. Haverá casos, porém, em que o retorno acontecerá em um tempo muito grande, maior do que a vida útil do equipamento, caracterizando assim a inviabilidade da troca [3]. Entre os problemas mais comuns nas indústrias, há o superdimensionamento dos motores, situação onde o motor se encontra acionando uma carga muito inferior à sua capacidade nominal. Para cargas abaixo de 70% da nominal os motores apresentam rendimento consideravelmente menor. Por esses motivos, foi proposta uma análise do carregamento dos motores da indústria, e posteriormente um estudo de substituição dos motores da linha padrão por motores da linha de alto rendimento. O estudo consiste em realizar a leitura de corrente de linha nas três fases do motor através de um alicate amperímetro, obter a média (Ponto I) e assim determinar o carregamento Fig. 6. Determinação do carregamento. A partir do Ponto II, eleva-se uma reta vertical interceptando as curvas de fator de potência e de rendimento, conforme Figura 7. Em [4] é possível verificar detalhadamente essa metodologia utilizada. Fig. 7. Determinação do fator de potência e rendimento. A escolha de um motor mais adequado pode ser feita através do cálculo da potência real solicitada pela carga, que é calculada multiplicando-se a potência nominal do motor pelo seu carregamento. A partir desse valor, escolhe-se o motor imediatamente superior ao mesmo. Em seguida, calcula-se o rendimento do novo motor, dado pela relação entre a potência real e a potência deste último. E utilizando a curva característica do motor novamente, a partir do carregamento do novo motor encontra-se a corrente, o rendimento e o fator de potência do mesmo [4]. A partir dessa metodologia, pode-se realizar o diagnóstico, onde as correntes foram mensuradas e utilizadas para determinação de carregamento através das curva do fabricante para todos os motores da fábrica. Posteriormente foram readequados motores de alto rendimento do fabricante Weg, e os valores de economia puderam então ser determinados.
Dos 58 motores analisados, a análise econômica realizada indicou que apenas 12 deles retornariam o capital investido na troca durante a vida útil. Os resultados da análise econômica podem ser observados na Tabela II. TABELA II Resultado da Análise Econômica para os 12 motores Fábrica e Serraria Investimento Inicial estimado: R$13.084,33; Tempo de retorno simples: 2,64 anos; Tempo de retorno capitalizado: 2,68 anos; Energia anual economizada: 22556,38 kwh; alor retornado líquido simples na vida útil: R$52.915,59 alor retornado líquido capitalizado na vida útil: R$42.778,60 Economia anual estimada: R$4.962,40. Ar omprimido Nos diversos processos industriais, os sistemas de ar comprimido desempenham papel fundamental na produção e representam parcela expressiva do consumo energético da instalação. Entretanto, nem sempre estas instalações recebem os cuidados devidos, passando a ser uma fonte constante de desperdícios [5]. O ar comprimido é produzido por compressores pela captação do ar atmosférico e elevação de sua pressão. Um moderno sistema de geração de ar comprimido industrial é composto de muitos subsistemas e muitos subcomponentes. Os principais subsistemas incluem compressores, motores e acionamentos, controles, equipamentos de tratamento de ar, reservatório e acessórios. A distribuição transporta o ar comprimido dos tanques reservatórios alimentados pelos compressores aos pontos de uso final, entregando quantidades suficientes de ar limpo, seco e estável, devendo ser fornecido na pressão adequada, de forma confiável e econômica, às aplicações de uso final. Para isso, muitos sistemas de distribuição possuem reservatórios de ar comprimido e têm diversas linhas de distribuição, que operam em diferentes pressões. Há muitas e diferentes aplicações de uso final para o ar comprimido, como no acionamento de ferramentas pneumáticas em sistemas de acionamento, acionamento mecânico e comando de válvulas em sistemas de controle, transporte por ar comprimido, jateamento, operações com sopro de ar e jato de água, operações de inspeção e teste, e controle de processos com ar comprimido. É largamente usado em quase todos os setores industriais. Seu campo de aplicação é bastante grande e cresce dia a dia [1]. Tal como ocorre com os equipamentos eletromecânicos, os sistemas de ar comprimido industrial necessitam de manutenção periódica para operar com eficiência elevada e minimizar as paradas não programadas. A manutenção inadequada pode aumentar o consumo e causar a redução de eficiência de compressão, vazamentos ou oscilações na pressão. Também pode acarretar altas temperaturas de operação, deficiente controle de umidade, contaminação excessiva e um ambiente de trabalho inseguro. Muitos problemas são secundários e podem ser corrigidos com simples ajustes, limpeza, substituição de peças ou eliminação de condições adversas. Para o caso em estudo, as máquinas apresentam bom estado de manutenção e conservação. A sala de compressores possui boas condições e é coberta, mantendo ventilação, e temperatura ideais. Porém, observa-se que a tubulação que distribui o ar comprimido da fábrica é muito grande e apresenta grande quantidade de curvas que provocam grandes perdas. Além disso, há uma quantidade elevada de vazamentos de ar, que contribuem ainda mais com o desperdício de energia elétrica, pois solicitam maior potência dos motores para manter a pressão desejada. Já que os parâmetros como pressão e temperatura de entrada foram considerados ideais, o único problema a ser observado é relacionado aos vazamentos. O caudal de vazamento é dado por: [m³/s] c [m³/s] trabalho; 5 t i i= 1 = c i= 1 t 5 t total - audal do azamento; i (1) - azão do compressor na pressão de [s] - Tempo de funcionamento em carga, durante a medição; t total [s] - Tempo de medição total. O custo anual da perda por vazamento é calculado utilizando-se a expressão apresentada adiante: = ac % 100 (2) [R$/a] - usto da perda por vazamentos; ac [R$/a] - usto anual de geração de ar comprimido; ac % [%] - Percentual de perdas por vazamento. é dado por: = P t ac m c kwh (3) ac [R$/a] - usto anual de geração de ar comprimido; P m [kw] t c carga; kwh [h/a] - Potência média; - Tempo de operação do compressor em [R$/kWh]- usto da perda por vazamento.
O método foi realizado para o sistema de ar comprimido da indústria, e foi possível chegar a valores de 40% de perdas por vazamentos. Foi realizada uma análise econômica para o sistema de ar comprimido considerando o investimento necessário para a correção dos vazamentos, que pode ser observada na Tabela III. TABELA III Resultado da Análise Econômica para os compressores Ar omprimido na Fábrica Investimento Inicial estimado: R$3.600,00; Início do retorno: Imediato; Tempo de retorno simples: 4 meses; Tempo de retorno capitalizado: 4 meses; Energia anual economizada: 62154,63 kwh Energia economizada na vida útil: 654305,454kWh; alor retornado líquido simples na vida útil: R$140.347,20 alor retornado líquido capitalizado na vida útil: R$393.165,92 Economia anual estimada: R$13.674,02 É possível verificar que com um valor de investimento de R$3.600,00 é possível recuperar rapidamente o capital, pois o retorno nesse caso é elevado, e também pode-se perceber que a economia anual estimada de R$13.674,02 supera em muitas vezes o valor do investimento inicial.. INDIADORES ENERGÉTIOS onsiderando a economia devido ao novo faturamento e à economia de energia proporcionada pelas ações nos motores e compressores, pode-se determinar os indicadores de consumo e custo global para a fábrica e serraria, considerando os períodos antes e depois da aplicação do programa de eficiência energética. As Figuras 8 e 9 ilustram esses indicadores. MWh 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 onsumo Anual Antes e Depois da Aplicação do Programa de Eficiência Energética 2290,78 2206,07 Antes do Programa Depois do Programa Fig. 8. onsumo anual antes e depois da aplicação do programa de eficiência energética. 1.000 usto Anual Antes e Depois da Aplicação do Programa de Eficiência Energética I. ONLUSÕES Todos esses aspectos mostram que a aplicação da eficiência energética é totalmente viável, tendo como exemplo o estudo energético presente, onde com um baixo investimento é possível conseguir redução nos custos em energia de aproximadamente 35% (o que equivale a cerca R$311.000,00 anuais), apresentando benefícios tanto para a fábrica quanto para o setor energético brasileiro. Sugere-se que para em futuros estudos sejam realizados os diagnósticos energéticos dos equipamentos restantes, que exigem maior quantidade de recursos, pois poderá aumentar ainda mais os resultados já obtidos nesse trabalho. REFERÊNIAS BIBLIOGRÁFIAS [1] Eletrobrás/Procel Educação. onservação de Energia: Eficiência Energética de Equipamentos e Instalações. 3. ed. Itajubá: FUPAI, 2006. [2] entrais Elétricas Brasileiras. Procel: Programa Nacional de onservação de Energia Elétrica. Disponível em: <www.eletrobras.com/procel>. Acesso em: 29 maio 2008. [3] P.. F. Freitas; D. Bispo; A.. Delaiba. Análise comparativa dos rendimentos dos motores da linha padrão e de alto rendimento sob o enfoque da eficiência energética. In: Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, 2008, Belo Horizonte, p. 1-4. [4] A. H. P. Medeiros; D. Bispo; A.. Delaiba; Estudo da eficiência energética e dimensionamento de motores de indução trifásicos a partir da plotagem de suas curvas características. In: onferência de Estudos em Engenharia Elétrica, 2008, Uberlândia, p. 1-4. [5] A. B. Zappelini. Análise de eficiência energética em sistemas de ar copmprimido. 2008. 158 f. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2008. DADOS BIOGRÁFIOS Kleber D. Belinovski, nascido em 04/04/1986 em Uberlândia MG é estudante de engenharia elétrica na Universidade Federal de Uberlândia. Integrante do Laboratório de Eficiência Energética. Décio Bispo é engenheiro eletricista, mestre (1985) e doutor (2000) pela UNIAMP. Atualmente é professor de Máquinas Elétricas e Manutenção de Sistemas Industriais na Universidade Federal de Uberlândia. 800 R$1.000,00 600 400 200 907 596 0 Antes do Programa Depois do Programa Fig. 9. usto anual antes de depois da aplicação do programa de eficiência energética.