Oportunidades de Racionalização de Consumos Parte I Humberto Jorge Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Oportunidades de Racionalização de Consumos Redes de distribuição Compensação do factor de potência Controlo de consumos 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Redes industriais Redução de perdas Redes de distribuição Redes industriais Redução de perdas 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Redes de distribuição Suportam a alimentação das diferentes cargas a partir do PT A transmissão de potência é feita através de cabos cuja selecção e dimensionamento é essencial para o projecto 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Factores de escolha do tipo de cabos Tensão nominal Condições de utilização Isolamento Flexibilidade Resistência a acções mecânicas Resistência à corrosão Blindagem eléctrica (Interferências) Temperatura ambiente 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Perdas por efeito de Joule P = R I2  - resistividade do condutor (.mm2/km) S - secção do condutor (mm2) L - comprimento do condutor (km) 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Resistividade dos condutores A resistividade dos metais cresce com a temperatura (um aumento de 25ºC no cobre aumenta as perdas em 10%) 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Dimensionamento da secção dos cabos Funcionamento à corrente nominal sem sobreaquecimento (protecção das canalizações) Queda de tensão admissível não excedida Em regime de curto-circuito não há sobreaquecimento Optimização das perdas do ponto de vista económico 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Secção técnica O maior dos três valores encontrados definidos pelos critérios anteriores é designado por secção técnica do cabo 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Optimização económica Compromisso óptimo entre os encargos de exploração e os encargos de investimento Aumento da secção do cabo: menores perdas maior investimento Encargo anual associado às perdas N - número de condutores percorridos pela corrent; L - comprimento do cabo (km); S - secção de um condutor (mm2);  - resistividade do condutor, à temperatura de funcionamento; I - valor eficaz da corrente (A); a - custo da energia (€/kWh); H - número de horas de funcionamento por ano 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Optimização económica Processo simples de estimação Calcular secção técnica e escolher valor superior Avaliar tempo de recuperação de investimento Secção deverá ser maior se recuperação de investimento inferior a 3-4 anos Instalações com elevado número de horas SE superior a ST (às vezes atinge valores 4x superior) Vantagem adicional de um aumento de secção: diminuição das quedas de tensão 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Localização do ponto de distribuição de potência (QG/PT) No centro de gravidade das cargas Situação mais desfavorável: U = 1,51%, Perdas = 368 W, L = 198m Fora do centro de gravidade das cargas Situação mais desfavorável: U = 4,26% , Perdas = 885 W, L = 245 m 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Perdas nos transformadores Perdas no ferro (correntes de magnetização) Correntes de Foucault Perdas por histerese Perdas no cobre (dependem da carga) Rendimento actuais são elevados (>95%) 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Perdas nos transformadores 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Rendimento dos transformadores 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Variação do rendimento e das perdas num transformador de potência Um transformador de potência é uma máquina eléctrica com um elevado rendimento (>95%), sujeito no entanto a um conjunto de parâmetros de funcionamento, que devem ser tidos em conta quer para uma escolha acertada em fase de projecto, quer para a sua correcta gestão em fase de funcionamento. Um transformador apresenta perdas de dois tipos: Perdas no Ferro e no Cobre. As primeiras, também designadas perdas em vazio, são devidas às correntes de magnetização do núcleo e podem-se considerar constantes. As perdas no cobre são devidas à passagem de corrente nos enrolamentos do transformador, variando com a carga (proporcionais ao quadrado da corrente). Na figura é apresentada a variação típica das perdas, em percentagem da potência nominal do transformador, em função do Índice de carga. Estes valores podem variar ligeiramente em função da qualidade construtiva dos transformadores. O rendimento máximo de um transformador verifica-se para um regime médio ideal de carga de aproximadamente 45% do seu valor nominal (figura). Neste ponto as perdas no ferro igualam as perdas no cobre, sendo considerado o índice óptimo de carga, aumentando a partir daqui, até atingir cerca de 1 a 2% à carga nominal. 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Compensação do factor de potência Penalização tarifária Redução de perdas nas redes 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Potência reactiva Conceitos básicos Factor de potência Factores de potência dos receptores mais usuais Efeitos da energia reactiva nas redes eléctricas Compensação do factor de potência 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Conceitos básicos Corrente absorvida pelas cargas Componente activa (em fase com a tensão) Componente reactiva (atrasada de 90º em relação à tensão) Potência activa P = Vef x Ief x Cos (W) Potência Reactiva Q = Vef x Ief x Sin (VAr) Potência Aparente S = Vef x Ief (VA) 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Efeitos da energia reactiva Aumentos das perdas na rede Redução da vida útil dos equipamentos (dispositivos de comando) Penalizações tarifárias Subutilização da capacidade instalada Transformador de maior potência Aparelhagem sobredimensionada Cabos de maior secção 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Aumento das perdas 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Cabos de maior secção 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Principais responsáveis pelo consumo de energia reactiva Motores eléctricos Equipamento de iluminação (balastros) Transformadores Soldadura eléctrica Equipamento de rectificação com semicondutores Forno de Indução 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Valores típicos do factor de potência Chamar a atenção para a redução de corrente nos circuitos com a compensação de um factor de potência 0.4 para 0.8. P=VI cos f 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Factor de potência dos Motores de indução Característica construtiva Característica de utilização 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Cálculo da potência de Compensação 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Formas de compensação Individual Por grupos de receptores Geral Combinada, utilizando conjuntamente os métodos anteriores 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Compensação individual Vantagens Reduz perdas em toda a instalação Diminui a carga sobre os circuito de alimentação Melhora níveis de tensão Desvantagens Despesas maiores de instalação Difícil de ajustar potências de compensação para as potências disponíveis 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Compensação combinada 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Compensação com regulação automática 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Controlo do Factor de Potência Exemplo: WC = 4.175.658 kWh; WP = 1.722.683 kWh; RC = 3.641.256 kVAr cosf = (WC+ WP) / ((WC+ WP)2 + RC2)1/2 = 0,85 Medida: Correcção do factor de potência p/ 0,95 Redução de custos = 18300 euros/ano Investimento = 12500 euros/ano pay-back = 8 meses 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Desvios de consumo Limitação da ponta Controlo de consumos Desvios de consumo Limitação da ponta 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Desvio de Consumos Gestão do arranque e paragem de cargas em função da hora do dia Transferir consumos de horas de ponta para horas cheias e/ou horas de vazio. Armazenamento de energia A redução da ponta, através do aproveitamento das oportunidades oferecidas pelo esquema tarifário, poderá ser atingida por um conjunto de processos, que se podem agrupar nos seguintes: Gestão do arranque e paragem de cargas Controlo automático de ponta Armazenamento de energia 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Redução nos custos de PHP Por cada kWh deslocado para foras das horas de ponta corresponde a uma redução de: (1/120)* 7,770 = 0,0648 Euros(*) (*) Considerando a opção tarifária MT, MU, ciclo diário (2004) 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Redução da Ponta Gestão do arranque e paragem de cargas Controlo automático de ponta Armazenamento de energia A redução da ponta, através do aproveitamento das oportunidades oferecidas pelo esquema tarifário, poderá ser atingida por um conjunto de processos, que se podem agrupar nos seguintes: Gestão do arranque e paragem de cargas Controlo automático de ponta Armazenamento de energia 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Meios de Controlo de consumos e diminuição da ponta diferimento temporal de utilizações de electricidade controlo automático de consumos armazenamento de energia 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Interruptores horários sem calendário, os esquemas de comutação continuam válidos nos feriados falhas de alimentação obrigam a reprogra-mação (se não houver salvaguarda por bateria) número limitado de ciclos de comutação falta de flexibilidade para coordenação de acções falta de flexibilidade para adaptação a novas condições de utilização da energia eléctrica 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Cargas elegíveis para controlo com constante de tempo elevada as que não funcionam ininterruptamente equipamento não essencial exemplos: aquecedores de água, aparelhos de de ar condicionado, iluminação não essencial, aquecedores de ambiente, carregadores de baterias, moinhos, fornos de indução, equipamento de refrigeração, compressores, ventiladores, separadores electrolíticos, etc.. 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Armazenamento de energia 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria Armazenamento Aplicações aquecimento de água directo indirecto aquecimento ambiente arrefecimento ambiente Exige opções tarifárias adequadas 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Armazenamento Exº climatizarão aquecimento 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Comparação de sistemas de armazenamento 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria

Comparação de Diagramas 2003/04 MEEC - Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria