Fabio Balesteros, Engenharia de Aplicação, 2010 Qualidade e Eficiência Energética September 2, 2010 Slide 1
Introdução A cada dia aumenta-se a preocupação com a produtividade dos sistemas elétricos. Economia de energia Qualidade de energia Consumir com Produtividade e Qualidade September 2, 2010 Slide 2
Introdução Para a otimização do uso da energia elétrica o extinto DNAEE, hoje denominado ANEEL, estabeleceu algumas alterações. Através da resolução número 479 de 20 de março de 1992, o novo fator de potência passou de 0,85 a 0,92 September 2, 2010 Slide 3
Introdução O apagão e o racionamento ocorridos nos anos de 2000 a 2002, mostraram a fragilidade dos sistemas elétricos do brasileiros Sendo assim despertou-se uma consciência de consumir eletricidade com produtividade. Novos investimentos no setor elétrico evitarão que tenhamos novos apagões no Brasil. September 2, 2010 Slide 4
Introdução As concessionárias Estima-se que 10% da energia produzida é perdida da geração até o consumo final Nos cabos de transmissão cerca de 16% da potência é considerada reativa, gerando grandes perdas de lucros para a concessionária. September 2, 2010 Slide 5
Os desafios atuais de energia Crescimento da demanda Europa e América do Norte 31% China 195% Oriente Médio Índia IEA forecast 2006-30 e África 131% 282% Crescimento da demanda por eletricidade September 2, 2010 Slide 6
Os desafios atuais de energia Crescimento da demanda - Brasil Crescimento da demanda por eletricidade será de 137% nos próximos 20 anos September 2, 2010 Slide 7 Fonte : Ernst & Young Brasil e da FGV Projetos
Objetivo Descriminar quais os problemas de qualidade de energia existentes nos sistemas elétricos; Quais seriam as soluções aplicáveis. September 2, 2010 Slide 8
Problemas Existentes Baixo Fator de Potência; Com ou sem variação de carga Com ou sem presença de harmônicas Elevado nível de correntes harmônicas; Queima de equipamentos e parada de produção Quedas e picos de tensão Desequilibrio de correntes devido a cargas monofasicas mal-distribuidas September 2, 2010 Slide 9
Baixo Fator de Potência Antes de conhecermos as soluções, precisamos entender qual a raiz deste problema: Energia Reativa Q - kvar Existem 3 tipos de potências Potência Ativa (W) - Potência que realmente é transformada em algum fenômeno (realiza trabalho útil) Potência Reativa (VAr) - Potência necessária para produzir campos eletromagnéticos. (não realiza nenhum trabalho) Energia Ativa P - kw September 2, 2010 Slide 10
Baixo Fator de Potência Energia Aparente S - kva Potência Aparente (VA) - Somatória VETORIAL, da potência Ativa e potência Reativa Fator de potência - Fisicamente representa o cosseno do ângulo de defassagem entre a tensão e a corrente. Por definição é a porcentagem da potência total fornecida que efetivamente é utilizada, gerando trabalho. Cos ϕ September 2, 2010 Slide 11
Baixo Fator de Potência Potência Reativa - VAr Potência Aparente - VA Potência Ativa - W September 2, 2010 Slide 12
Vantagens de um bom Fator de Potência Redução da Corrente Consumida pela Rede Transformadores e cabos de distribuição ( I) Redução da perda Joule (RI²) cabos transformadores dispositivos de proteção Redução da Queda de tensão cabos transformadores Acréscimo da Potência Ativa disponível nos terminais das Fontes Eliminação da multa September 2, 2010 Slide 13
Vantagens de um bom Fator de Potência Transformadores e Cabos ( I) Corrente traçada da rede Redução do fator de: cos φ = 1, In = 100% (corrente útil requerida) Para o mesmo kw, In é reduzido em 27%, quando o Fator de Potência aumenta de 0.7 para 0.95 27% 0.95 0.7 September 2, 2010 Slide 14
Vantagens de um bom Fator de Potência Alterando o Fator de Potência, alteramos diretamente a corrente. Carga de 100 kw em 380 Vca Fator de Potência 1 0,9 0,8 0,7 0,6 I (A) 152,11 169,02 190,14 217,31 253,52 Se aumentarmos o Fator de Potência, a corrente automaticamente cai, diminuindo as secções dos cabos e o stress das máquinas indutivas (transformadores, motores e outras máquinas) September 2, 2010 Slide 15
Vantagens de um bom Fator de Potência Liberação de Energia nas Fontes S trafo =1000 KVA Ue = 380V P=150 kw cos φ = 0.95 P=800 kw cos φ = 0.80 0,95 September 2, 2010 Slide 16
Vantagens de um bom Fator de Potência 0,92 indutivo 1 0,92 capacitivo Conforme a determinação, o órgão regulador ANEEL (Agência Nacional Energia Elétrica), existem limites mínimos e máximos a serem aplicados para o Fator de Potência conforme a portaria número 456 Mínimo 0,92 Indutivo Máximo 0,92 Capacitivo O F.P. que traz o máximo retorno é 0,95 September 2, 2010 Slide 17
Principais causadores de baixo Fator de Potência Motores de Indução operando em vazio Transformadores operando em vazio ou com pequenas cargas Lâmpadas de descarga Grande quantidade de pequenos motores operando continuamente Cargas especiais Fornos a Arco Máquinas de solda Equipamentos eletrônicos September 2, 2010 Slide 18
Como evitar as perdas por baixo F.P.? Alguns métodos / equipamentos podem melhorar o Fator de Potência Modificando a rotina operacional Motores Síncronos Capacitores September 2, 2010 Slide 19
Custos de correção de Fator de Potência Praticamente, as soluções com motores síncronos e a alteração da rotina operacional, não são adotadas devido ao seu alto custo A mais utilizada, que traz o melhor custo benefício é a instalação de capacitores September 2, 2010 Slide 20
Solução para o Baixo Fator de Potência Seqüência ideal para a realização de um estudo de fator de potência: Obtenção dos dados ; Análise da conta de energia; Verificação da melhor solução; Verificação do local mais adequado para instalação. September 2, 2010 Slide 21
Solução para o Baixo Fator de Potência Localização do capacitor no sistema Os capacitores podem ser instalados em vários locais nos sistema elétrico: 1 : Capacitores para correção de toda planta 2 : Capacitores para o barramento principal 3 : Capacitores para alimentar várias cargas 4 : Capacitores individuais para cada carga Localização do Capacitor 1 2 e 3 4 Aprox. técnica + ++ +++ Flexibilidade + ++ +++ Economias de Energia + ++ +++ Custo por kvar Baixo Médio Alto September 2, 2010 Slide 22
Distorção Harmônica Harmônicos tensão/corrente é um fenomêno em baixa fequência, o range é entre 100 2000 Hz 5 th harmônica: frequência = 5 x fundamental; e.g. 5 x 50 Hz Fundamental + Quinta (H5) + sétima (H7) + décima terceira (H13) + décima quinta (H15) September 2, 2010 Slide 23
Distorção Harmônica Normalmente são encontradas e associadas a equipamentos com acionamentos estáticos Inversores Fontes chaveadas Cargas não lineares September 2, 2010 Slide 24
Problemas causados pela Harmônica As harmônicas ímpares são que causam os grandes problemas nas instalações elétricas. Aquecimento Perda de proteção dos dispositivos Queima de equipamentos sensíveis Aumento da queda de tensão Estudos de Fator de Potência necessitam da verificação do percentual de harmônicas (Risco do Banco de Capacitores entrar em ressonância com os Harmônicos) September 2, 2010 Slide 25
Problemas causados pela Harmônica Existem histórico de queima de capacitores ou de sistemas eletrônicos, o qual a causa seja o elevado nível de distorção harmônica, precisamos tomar certas precauções quanto a ressonância da instalação com os capacitores; A ressonância neste circuito, tem sérias conseqüências como elevação da tensão, além de problemas operacionais; September 2, 2010 Slide 26
Queima de equipamentos e parada de produção Nos casos onde, sem a instalação dos capacitores, estiverem ocorrendo problemas gerados pelo elevado nível de distorção harmônica, se faz necessário a correção ou melhor a eliminação dessas. Isto pode ser realizado de duas formas: Filtro fixo (Passivo) Filtro Auto-ajustável (Ativo) September 2, 2010 Slide 27
Como o Filtro Ativo Trabalha? Rede de MT Rede de BT Outras cargas Carga geradora harmônicas Filtro September 2, 2010 Slide 28
Como o Filtro Ativo Trabalha? Rede Corrente da carga com harmônicas Carga September 2, 2010 Slide 29
Como o Filtro Ativo Trabalha? Rede Corrente de carga com harmônicas Filtro Ativo Corrente Compensada Carga September 2, 2010 Slide 30
Como o Filtro Ativo Trabalha? Rede Fundamental pura Corrente da carga com harmônicas Corrente Compensada Carga Filtro Ativo September 2, 2010 Slide 31
4 0 2 0 0-2 0 1,3-1,3 0 3 6 0 1 5 7 1 1 1 3 1 7 1 9 4 0 2 0 0-2 0 1,3-1,3 0 3 6 0 1 5 7 1 1 1 3 1 7 1 9 4 0 2 0 0-2 0 1,3-1,3 0 3 6 0 1 5 7 1 1 1 3 1 7 1 9 Como o Filtro Ativo Trabalha? Corrente da carga com harmônicas + = Corrente compensada Fundamental pura September 2, 2010 Slide 32
Principais tecnologias Controle de fator de potencia e harmonicos - RESUMO Com a correção de fp e a consequente redução de corrente, teremos maior disponibilidade da fonte para alimentar mais cargas e a perda pelo efeito Joule se reduz bastante = redução de corrente em 10% equivale a redução de perda em 20 % Quanto menos harmonicos, menor a corrente da carga e melhor o fator de potencia real September 2, 2010 Slide 33
Outras Tecnologias para melhorar a eficiência Motores de alta eficiência Um motor de alta eficiência (3% a mais do que o padrão de eficiência*) pode economizar 23,000 kwh, valor que corresponde a 11.5 tons de CO2, em um ano de operação contínua Acionamentos de velocidade variável Um drive pode reduzir o consumo de energia de motores que acionam bombas, ventiladores e transportadores em até 50% base instalada de acionamentos da ABB impediu a emissão de até 140 milhões de tons de CO2 em 2008 September 2, 2010 Slide 34
Principais Tecnologias Automação predial Tecnologia que monitora as atividades humanas e controla a temperatura: luz; persianas; aquecimento; ventilação e ar condicionado; segurança e vigilância; gerenciamento de energia O consumo de energia para iluminação de prédios pode ser reduzido em até 30% ( lampadas de menor consumo, uso de iluminação natural) O consumo de energia para aquecimento e ventilação pode ser reduzido em até 20% September 2, 2010 Slide 35
Principais Tecnologias Automação predial Tecnologia que monitora as atividades humanas e controla a temperatura: desligamento de cargas em determinado horário ( HORARIO DE PONTA ), sensores de presença e fotoelétricos, temporização de funcionamento, controle PID, programaçào horária. September 2, 2010 Slide 36
Outras Tecnologias para melhorar a eficiência Robótica Os robôs da ABB têm aplicações energeticamente eficientes (p/ex.: lavadores, pintura) Os robôs aumentam a produtividade, reduzem a quantidade de recursos necessários incluindo energia por unidade produzida Os robôs são cada vez mais utilizados na produção de painéis fotovoltaicos, ajudando a indústria solar a tornar-se mais competitiva Os próprios robôs tornaram-se energeticamente eficientes: têm peso reduzido, reutilização da energia de frenagem September 2, 2010 Slide 37
Outras Tecnologias para melhorar a eficiência HVDC e FACTS HVDC (corrente contínua de alta tensão ) Entre 7-8% da energia elétrica é perdida no aquecimento durante a transmissão e distribuição Aumentar a tensão da transmissão num fator 2 pode, teoricamente, reduzir as perdas elétricas num fator de 4 FACTS (sistema de transmissão de corrente alternada) Aumentar a capacidade das linhas de transmissão, reduzindo a necessidade de desenvolver nova infraestrutura Melhorar a qualidade da tensão September 2, 2010 Slide 38
Outras Tecnologias para melhorar a eficiência Gerenciamento de Redes O desafio das concessionárias é produzir apenas a quantidade de energia que é necessária e manter a tensão mais alta possível Distribuir o excesso de energia, ou permitir que a tensão reduza as perdas de energia O gerenciamento da rede permite que as concessionárias façam o monitoramento e controle de suas redes de apenas uma sala de controle, em tempo real Concessionárias podem definir o comportamento das redes para promover a operação de forma mais eficiente e segura As perdas são minimizadas pelo controle dos níveis de tensão na rede de transmissão September 2, 2010 Slide 39
Matriz Energética Primária Brasileira No Brasil, mais de 45% da oferta interna de energia, provém de fontes renováveis, enquanto a média mundial é de 14% e a média dos países desenvolvidos é de apenas 6% Nota: * Inclui lenha, carvão vegetal e outras renováveis. Fonte: EPE / MME 2009 September 2, 2010 Slide 40
Energia Renovável Energia Eólica Oportunidades em energia eólica tecnologia ABB Transformadores Subestação Compacta (também pode ser usada offshore). Conversores (converte energia intermitente para armazenamento, altera frequência das redes convencionais) Eletrônica de Potência (controle dos fluxos de energia instáveis ) HVDC Light (conexão subterrânea ou subaquática com a rede) Painéis e disjuntores Produtos de controle Transformadores Geradores de imã permanente (sem manutenção) Compensação estática VAR September 2, 2010 Slide 41
Energia renovável - Energia solar Todas as energias renovaveis são derivadas de uma forma ou outra da energia solar. Portanto o sol tem um potencial enorme para se tornar a fonte mais direta de energia renovavel.ele fornece, em tres dias, a energia equivalente a toda a reserva fossil subterranea Tem sido a fonte de energia renovavel a milhões de anos e agora tem um papel de liderança em fornecer esta energia a toda a sociedade num futuro proximo. September 2, 2010 Slide 42
Energia renovável - Energia solar No coração do sistema e gerenciando seu uso, está um eficiente inversor que converte a corrente continua para corrente alternada de alta qualidade e livre de impactos ambientais, para ser conectadas na rede elétrica. Soluções : Grandes fabricas Predios comerciais Predios residenciais September 2, 2010 Slide 43
Objetivo cumprido Quais seriam as soluções aplicáveis: Controle do fator de potencia Controle de harmonicos Controle de demanda Automação predial focando na economia ( iluminação, consumo de água, programação horária ). Motores mais eficientes Bombas e ventiladores com velocidade variável Energias alternativas September 2, 2010 Slide 44