Conceitos_Bsicos_Energia_

Prévia do material em texto

Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
26
 
 
CAPÍTULO 3 � CONCEITOS BÁSICOS DE ENERGIA 
 
O quê é eficiência energética? Tem algum benefício? 
Como saber se nossa empresa é eficiente? 
Temos os conceitos necessários para tornar nossa 
empresa eficiente? 
 
Conceito de energia 
A definição mais usual afirma que �a energia é a medida da capacidade 
de efetuar trabalho�. Entretanto, a rigor, esta definição, aplica-se apenas 
a alguns tipos de energia, como a mecânica e a elétrica, que em 
princípio, são totalmente conversíveis em outras formas de energia. 
Em 1872, James Maxwell9 propôs uma definição que poderia ser 
considerada mais correta do que a anterior: �
 esta definição refere-se a 
mudanças de condições e a alterações do estado de um sistema. Assim, 
para elevar uma massa até determinada altura, transformar uma 
semente em planta, converter minério em ferramentas, sorrir, falar, 
enfim, qualquer processo que se associe a alguma mudança, implica em 
se ter fluxos energéticos (HADDAD, 2004). 
Um conceito frequentemente associado à energia é o da potência, que 
corresponde ao fluxo de energia no tempo, de enorme importância ao se 
tratar de processos humanos e econômicos, onde o tempo é essencial. 
Em geral, estamos preocupados em atender uma dada demanda 
energética, medida em kWh, kJ ou kcal, mas sob uma imposição de 
tempo, ou seja, com dado requerimento de potência, avaliada em kW. 
9
 James Clerk Maxwell (1831-1879): físico escocês que contribui para integração da eletricidade, 
magnetismo e ótica. 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
27
A energia elétrica 
A eletricidade é uma forma de energia que pode ser imediata e 
eficientemente transformada em qualquer outra, tal como em energia 
térmica, luminosa, mecânica, química etc. Ela pode ser gerada a partir 
de quedas de água, queima de combustíveis fósseis e biomassa, força 
dos ventos etc. 
A energia elétrica é transportável, com vantagens econômicas, a longas 
distâncias, até regiões nas quais possa ser mais bem utilizada, como em 
núcleos populosos, centros industriais, núcleos rurais etc. A 
conveniência do emprego da energia elétrica está no fato de sua 
facilidade de aplicação nos mais numerosos e variados fins, com em uso 
doméstico, público, comercial e industrial (HADDAD, 2004). 
As principais aplicações da energia elétrica são: iluminação; força motriz, 
referenciada por meio dos motores elétricos, pode-se dizer que estes 
significam 2/3 de todo o uso da eletricidade; aquecimento; refrigeração e 
eletrônica de escritório e residencial. 
Eficiência Energética 
Segundo o PROCEL - Programa Nacional de Conservação de Energia 
Elétrica: 
O uso racional e eficiente de energia elétrica tem como paradigma a 
implementação de ações que otimizem o uso de energia elétrica através 
da redução do consumo ou do deslocamento de cargas para fora do 
horário de ponta do sistema elétrico, sem comprometer o desempenho 
dos sistemas de cada uso final ou o nível de conforto proporcionado aos 
usuários. Para os sistemas de abastecimento de água, as atividades 
implementadas para economizar água e energia podem ter um maior 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
28
impacto se planejadas de forma conjunta (ALLIANCE TO SAVE 
ENERGY, 2003). 
A principal vantagem da eficiência energética é que ela é sempre mais 
barata que a produção de energia, ainda que o investimento em 
tecnologia eficiente requererá também maiores gastos de capital e que 
sistemas e equipamentos eficientes são, geralmente, mais caros que as 
tecnologias que substituem. De modo geral, o custo de conservar 1kWh 
é, mais barato que produzi-lo (GELLER, 1994). 
Em resumo, conservar energia sem comprometer o crescimento da 
economia implica em abordar questões como a produção de 
equipamentos que apresentem consumo mais eficiente, preparar a 
população e os setores produtivos para que utilizem adequadamente as 
novas tecnologias e garantir a necessária proteção ambiental, além de 
conscientizar os atores do setor elétrico das vantagens da conservação. 
Benefícios da Eficiência Energética 
- Impactos Ambientais Positivos: Redução na Emissão de Gases que 
Contribuem para o Efeito Estufa. 
- Redução das Despesas do Consumidor com Energia: Programas de 
conservação de energia permitem aos clientes optar por serviços e 
produtos que melhor atendam suas necessidades, levando 
freqüentemente à redução de suas contas de energia elétrica.
- Redução da Taxa de Crescimento do Aumento da Tarifa de Energia 
Elétrica. 
- Transformação de Mercado: Redução dos Preços dos Equipamentos 
e Eletrodomésticos Eficientes. 
- Fortalecimento do Programa de Etiquetagem: consumidores 
procurando equipamentos eficientes e aos fabricantes melhorando 
seus equipamentos. 
- Consolidação da idéia de Combate ao Desperdício de Energia 
Elétrica: atrelado à questão da transformação de mercado. 
 
Grandezas elétricas básicas 
A intensidade de corrente elétrica é o quociente entre a quantidade de 
carga elétrica que passa por uma seção reta do condutor e o respectivo 
intervalo de tempo gasto, tal como é apresentado na equação 3.1. Ela é 
representada pelo símbolo ou e sua unidade no Sistema Internacional 
de Medidas (SI) é o Ampere (A). 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
29
tempo
rgacadequantidade
i 
(3.1)
Uma corrente que passa em apenas uma direção todo o tempo é 
denominada corrente contínua, enquanto uma corrente que se altera na 
direção do fluxo, é denominada corrente alternada. A Figura 3.1 ilustra 
esses conceitos. 
 
Figura 3.1 Ondas de corrente continua e alternada. 
 
A tensão é a unidade que acarreta a circulação da corrente elétrica no 
circuito é a diferença de potencial ou tensão, existente entre o ponto 
inicial e final do condutor ou elementos do circuito. 
As cargas elétricas se movem ordenadamente ao longo de um condutor 
ou de algum elemento do circuito, o que constitui a corrente elétrica, 
graças a uma diferença de potencial elétrico criada por algum dispositivo 
apropriado. O movimento das cargas através dos elementos do circuito é 
sempre acompanhado de fenômenos energéticos tais como, 
desprendimento de calor, transformação de energia elétrica em 
mecânica, luminosa, magnética etc. 
A grandeza é chamada de tensão ou de diferença de potencial entre os 
terminais do elemento e representada na equação 3.2. 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
30
O símbolo para a tensão é a letra ou . A unidade de tensão no SI é o 
Volt (V). 
rgaca
energia
v 
(3.2)
 
A potência é a diferença de potencial V entre dois pontos que relaciona a 
quantidade de energia necessária para transportar uma quantidade de 
carga elétrica entre esses dois pontos. A potência elétrica 
desenvolvida para realizar este trabalho é dada pelo quociente entre o 
trabalho realizado e o correspondente intervalo de tempo, tal como 
apresentado na equação 3.3. 
IV
tempo
trabalho
P
 
(3.3)
A unidade de potência no SI é denominada Watt (W). Na prática são 
muito utilizados o quilowatt (1kW=103 W) e o megawatt (1MW=106 W) 
Outras unidades de potência muito utilizadas na prática principalmente 
quando relacionadas com trabalho mecânico emotores, são o cavalo-
vapor (1 CV=735,5 W) e o horse-power (1 HP = 745,7 W). 
A energia elétrica gerada ou absorvida pelo elemento será: 
tempopotenciaW (3.4)
A unidade de medida de energia no Sistema Internacional de Medidas é 
o joule(J), mas na prática a unidade mais utilizada é o quilowatt hora 
(kWh). Um quilowattt hora corresponde à energia de 1 kW agindo 
durante uma hora. Logo: 1 kWh = 3 600 000 J 
Conceitos básicos de corrente alternada 
Praticamente, todos os modernos sistemas de distribuição de energia 
elétrica são feitos na forma de corrente alternada (ca). A preferência se 
baseia à praticidade da produção e transmissão da corrente alternada 
sobre a corrente contínua. 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
31
Em virtude de a corrente alternada variar, a tensão alternada pode ser 
aumentada ou reduzida por meio de um dispositivo denominado 
transformador, o que possibilita variar a tensão durante a transmissão e 
distribuição da energia elétrica desde o local onde a mesma é gerada até 
o local onde a mesma é consumida (HADDAD, 2004) . 
A freqüência de período: uma tensão ou corrente é chamada alternada 
periódica se ela muda de direção e intensidade de uma maneira 
repetitiva. A figura 3.2. mostra uma onda de tensão alternada periódica. 
O intervalo de tempo para que se complete um ciclo de onda alternada é 
chamada de período (T) e expresso em segundos (s). O número de 
ciclos realizados pela onda por segundo é chamado de freqüência (f) e 
expresso em Hertz (Hz). 
Tem-se que: 
T
f
1
 
 
Figura 3.2 Onda tensão alternada periódica senoidal 
A principal vantagem de se utilizar freqüências mais elevadas reside no 
fato de os geradores e transformadores necessitarem de menos ferro no 
núcleo e cobre nos enrolamentos, portanto, ficando mais leves e 
econômicos. Esta é uma das razões de se utilizar uma freqüência 
elevada nas aeronaves. Por outro lado, as quedas de tensão, e 
conseqüentes perdas na transmissão em corrente alternada e nos 
aparelhos aumentam com aumento da freqüência, e um melhor controle 
de tensão pode ser obtido com uma freqüência de valor mais baixo. 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
32
Entretanto, uma freqüência muito baixa, irá causar nos circuitos de 
iluminação efeitos de trepidação (flicker) o que acarreta sensações 
desagradáveis aos olhos, visto que a intensidade da luz nas lâmpadas 
varia com a variação da corrente. 
A potência no circuito alternado é composta em duas parcelas: 
 A , real ou watada que corresponde a energia 
fornecida de modo irreversível pela fonte ao circuito e sua unidade 
é o watt (W). É representada pela equação 3.5: 
CosIVP (3.5)
 A ou deswatada que corresponde à energia 
trocada reversivelmente entre a fonte e o circuito e sua unidade é 
o volt ampere reativo (Var). 
A Potência Ativa (P) e a Reativa (Q) podem ser representadas 
geometricamente em um triângulo chamado triângulo de potências, 
apresentado na figura 3.3. 
 
 
Figura 3.3. Triângulo de potencias. 
 
A hipotenusa recebe a denominação de potência aparente (S), e sua 
unidade é o volt ampere (VA). O termo é chamado de fator de 
potência e representado por ou pelo próprio termo 
 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
33
Parâmetros elétricos 
Os parâmetros elétricos são indicadores que expressam como a energia 
elétrica está sendo utilizada. Esses números podem ser primitivos ou 
relacionados com outras variáveis, devendo ser calculados a partir de 
algumas fórmulas. 
A energia ativa ou consumo ativo é a energia que realmente realiza 
trabalho; isto é, transforma a energia elétrica em outras formas de 
energia, tais como: energia luminosa (lâmpadas), energia mecânica 
(motores elétricos) e energia térmica (fornos e fogões). O consumo ativo 
(kWh) também aumenta com o acréscimo do número de horas 
trabalhadas (horas extra). 
A energia reativa é a parcela não transformada em trabalho. Essa 
energia é transformada em corrente de magnetização, necessária para 
que diversos equipamentos funcionem: motores (possam girar), 
transformadores, reatores utilizados nas lâmpadas de descarga 
(fluorescentes, vapor de mercúrio, etc.) e fornos de indução. 
A energia aparente é a composição dessas duas formas de energia 
(ativa e reativa) denomina-se �energia aparente� ou �energia total�. O 
fator de potência (fp) é o índice que indica o quanto da energia aparente 
ou total é transformada em energia que realiza o trabalho. 
O consumo específico relaciona o consumo ativo do mês, em kWh, com 
a produção física do mesmo mês. É o resultado da divisão do consumo 
mensal (kWh) pela quantidade de itens produzidos ou serviços 
realizados no mês. A fórmula é apresentada a continuação. 
i
i
i
QP
CA
CE
 
CA: o consumo mensal de energia dado em kWh/mês 
QP: a quantidade de produto ou serviço produzido no mês 
pela unidade consumidora; 
i: índice referente ao mês de análise do histórico de dados 
Para entender o conceito, pense numa fábrica como um aparelho 
elétrico que consome energia a fim de produzir determinados produtos. 
O consumo específico medirá o consumo total da fábrica em relação à 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
34
quantidade de produtos fabricados, ou seja, kWh/produção física. Se a 
empresa for de abastecimento de água firma comercial, pode-se 
procurar outro tipo de indicador. Por exemplo: kWh/m3 de água tratada. 
A demanda é a medida da potencia elétrica expressa em kW. Este 
parâmetro indica a soma da potencia de vários aparelhos elétricos 
utilizados em um intervalo de tempo (15 minutos). A legislação 
estabelece que será considerado, para efeito do faturamento, o maior 
valor entre: a demanda registrada e demanda verificada por medição e a 
demanda fixada em contrato de fornecimento com a concessionária. 
O fator de carga é um parâmetro elétrico que expressa o grau de 
utilização da demanda máxima de potencia. Este indicador varia de zero 
a um; próximo de um indica que as cargas elétricas foram utilizadas 
racionalmente ao longo do tempo. Em geral pode ser calculado da 
seguinte forma: 
)(730
)(
kWdemandahoras
kWhmensalconsumo
FC
 
Um baixo fator de carga indica que houve concentração no consumo de 
energia elétrica em um período curto de tempo, isto é, se a empresa ligar 
quase todas as máquinas, luminárias e demais aparelhos por um 
pequeno intervalo de tempo, o fator de carga será baixo. O ideal é 
trabalhar com a menor demanda (kW) no maior intervalo de tempo. 
Quanto mais alto for o fator de carga, menor será o preço médio. O custo 
de energia elétrica decresce exponencialmente em relação ao 
crescimento do fator de carga. Pode ser calculado da seguinte forma: 
O fator de carga pode aumentar: reduzindo a demanda e limitando-a ao 
mínimo necessário, evitando a ligação simultânea de cargas de grande 
porte, programando e organizando melhor a produção, com 
funcionamento escalonado dos equipamentos ao longo da jornada. 
O fator de potência (FP) é um número que indica o quanto a energia 
elétrica é transformada em outras formas de energia (relação entre 
energia ativa e reativa) e quanto da potência total fornecida (kVA) é 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamentoRecesa 
35
utilizada como potência ativa (kW). O fp demonstra o grau de eficiência 
de uso dos sistemas elétricos e varia de 0 a 100%. Pode ser calculado 
aplicando a seguinte fórmula: 
aparentePotencia
ativaPotencia
FP 
A legislação que regulamenta os critérios para fornecimento de energia 
elétrica, ANEEL Nº 456, estabelece que o fator de potência deve ser 
mantido acima de 0,92. Quando o fator de potência for menor do que 
0,92, a concessionária aplica multa à unidade consumidora. 
Algumas das causas mais comuns do baixo FP são: motores operando 
em vazio, isto é, máquinas que ficam ligadas sem estar trabalhando; 
motores e transformadores superdimensionados; transformadores de 
muita potência para atender pequenas cargas por muito tempo; grande 
quantidade de motores de pequena potência; lâmpadas de descarga 
fluorescentes, vapor de mercúrio e vapor de sódio sem reatores de alto 
teor de potência; excesso de energia capacitiva ou excesso de 
capacitores na rede elétrica. 
O baixo fator de potência mostra que a energia está sendo mal 
aproveitada, o que, como conseqüência, provoca problemas de ordem 
técnica nas instalações, tais como: variação de tensão, que pode 
ocasionar a queima de motores; maior perda de energia dentro da 
instalação; redução do aproveitamento da capacidade dos 
transformadores e dos circuitos elétricos; aquecimento dos condutores; e 
redução do aproveitamento do sistema elétrico (geração, transmissão e 
distribuição). 
O baixo FP pode ser corrigido eliminando os motores que operam em 
vazio, verificando os motores superdimensionados e redistribuindo-os 
com ajuste de suas cargas. Também, fazendo uso de banco de 
capacitores (capacitores são equipamentos destinados a suprir a energia 
reativa, liberando, assim, parte da capacidade da unidade consumidora). 
 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
36
Dentre as vantagens da correção do FP podemos citar: redução da 
conta de energia elétrica; liberação de capacidade elétrica no sistema 
para adicionar novas cargas (motores, lâmpadas, etc.); elevação do nível 
de tensão; redução nas perdas de energia; aumento na vida útil dos 
equipamentos elétricos. 
Sistema Tarifário de Energia Elétrica 
O sistema tarifário de energia elétrica é um conjunto de normas e 
regulamentos que tem por finalidade estabelecer o preço da eletricidade 
para os diferentes tipos de consumidores (COMITÊ DE DISTRIBUIÇÃO, 
1994). No Brasil, o órgão regulamentador do sistema tarifário vigente é a 
ANEEL. O instrumento legal mais recente que estabelece e consolida as 
Condições Gerais de Fornecimento de Energia Elétrica é a Resolução 
ANEEL N 456 de 29 de novembro de 2000. 
Na Figura 3.4. é dada uma visão geral da tarifação adotada pelo Sistema 
Elétrico Brasileiro. 
Figura 3.4. Sistema Brasileiro de Tarifação de Energia Elétrica 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
37
Classificação dos Consumidores 
Segundo a Resolução ANEEL N 456 e o PROCEL (2001), os 
consumidores são classificados de acordo com o nível de tensão em que 
são atendidos, e podem ser classificados em dois grupos principais: 
 Grupo A: composto por unidades consumidoras com fornecimento 
em tensão igual ou superior a 2,3 kV ou, ainda, atendidas em tensão 
inferior a 2,3 kV a partir de sistema subterrâneo de distribuição. O 
grupo é caracterizado pela estruturação tarifária binômia, isto é, são 
cobrados tanto pela demanda quanto pela energia que consomem. 
Os consumidores do Grupo A podem enquadrar-se em uma das duas 
alternativas tarifárias, Tarifação Convencional e Tarifação Horo-
Sazonal. O Grupo A é subdividido de acordo com a tensão de 
atendimento, tal como é apresentado na Tabela 3.1. 
 
Tabela 3.1. Consumidores Grupo A 
 
 
 Grupo B: conhecidos também como consumidores secundários, o 
grupo está composto de unidades consumidoras com fornecimento 
em tensão inferior a 2,3 kV, geralmente em 127 ou 220 volts, ou, 
ainda, atendidas em tensão superior a 2,3 kV. O grupo é 
caracterizado pela estruturação tarifária monômia, isto é, são 
cobrados apenas pela energia que consomem. O Grupo B é 
subdividido em subgrupos de acordo com a atividade do consumidor, 
tal como é apresentado na Tabela 3.2. 
 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
38
Tabela 3.2. Consumidores Grupo B 
 
 
Estrutura Tarifária 
É um conjunto de valores (lista de preços) aplicáveis aos componentes 
do consumo de energia elétrica e/ou à demanda de potência ativa, que 
deve estar de acordo com a modalidade de fornecimento de energia 
elétrica. As tarifas de energia elétrica não têm um mesmo valor para 
todos os consumidores, pois se diferenciam entre grupos tarifários, de 
acordo com a tensão de fornecimento, o momento do consumo, o tipo de 
tarifa e a classe do consumidor (HADDAD et al., 2001). 
A nova estrutura tarifária, implementada pela Resolução ANEEL N 456 
permitiu a implantação de um sinal econômico para os consumidores, 
incentivando-os à maior utilização de energia durante os períodos de 
menor demanda ou de maior disponibilidade de oferta pelo sistema 
elétrico, levando assim a uma utilização mais racional da energia. 
As duas modalidades tarifárias estabelecidas pela a Resolução ANEEL 
N 456 são: 
 Tarifa Convencional: estrutura tarifária caracterizada pela aplicação 
de tarifas de consumo de energia elétrica e/ou demanda de potência, 
independentemente, das horas de utilização do dia e dos períodos do 
ano. A tarifa é aplicada aos consumidores dos grupos A e B. Para os 
consumidores do grupo A, somente aqueles que possuírem tensão 
inferior a 69 kV e demanda inferior a 500 kW, a tarifa estabelece um 
preço único para demanda e consumo. Para os consumidores do 
grupo B, é cobrada apenas o consumo. Essa modalidade tarifária, 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
39
exige um contrato específico com a concessionária, no qual se 
pactua um único valor da demanda pretendida pelo consumidor, 
denominada de "Demanda Contratada". O custo da energia elétrica 
desses consumidores é composta pela soma das parcelas referentes 
ao consumo de energia, à demanda de potência e ao ultrapassagem 
de demanda medida se houver. 
 Tarifa Horo-Sazonal (THS): Esta tarifa permite um melhor 
aproveitamento da energia elétrica disponível, pois objetivam manejar 
os horários de consumo de forma mais adequada, reduzindo as 
necessidades de investimento para atendimento a novos 
consumidores. Do ponto de vista do consumidor, pode-se reduzir o 
valor da tarifação, pois o consumo diminui nos horários de ponta e 
períodos secos do ano. O cálculo desta tarifa é influenciado pelos 
horários do dia (ponta e fora de ponta) e pelos períodos do ano (seco 
e úmido), tendo-se preços diferenciados para consumo e demanda. 
Existem dois tipos de tarifas horo-sazonais: THS Azul e THS Verde. 
Contudo, o consumidor deve realizar o cálculo de ambas tarifas horo-
sazonais (azul e verde), e optar por aquela que fornecer um menor 
custo. 
A Tabela 3.3. apresenta os itens de faturamento por tipo de tarifa. 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
40
 
Evolução das tarifas para o setor saneamento 
A retirada gradativa do subsidio, que era concedido nas tarifasde 
energia elétrica para os serviços públicos de saneamento, e o aumento 
das tarifas acima dos índices inflacionários, foram as principais causas 
para o aumento de despesas com esse item. Até 1968 era concedido um 
subsidio de 80% nas tarifas de energia elétrica, toda via desse desconto, 
Sistema de Abastecimento de Água 
Curso de Eficiência Energética no Saneamento 
 Guia do profissional em treinamento 
Recesa 
41
com o passar do tempo, foi gradualmente reduzido, chegando a 15% em 
1990, e mantendo-se nesse valor desde essa data (TSUTIYA, 2001). 
A figura 3.5. mostra a diminuição do desconto, com o passar dos anos, 
para as tarifas de energia elétrica cobradas pela CESP e Eletropaulo no 
Estado de São Paulo. 
 
Figura 3.5. Subsídios nas tarifas de energia elétrica para os serviços 
de saneamento (TSUTIYA, 2001).