Hipótese 2.2: alimentação do barramento DC com o ascensor em movimento

Descrição da solução técnica:

Antes de analisar em detalhe esta hipótese de trabalho, convém recordar brevemente o dimensionamento de um supercondensador (Attaianese, et. al. 2007):

O primeiro passo no dimensionamento do supercondensador passa pela definição do objectivo pretendido, que pode ser um de três:

a. fornecimento parcial da energia necessária pelo motor durante a fase de aceleração; b. fornecimento total da energia necessária pelo motor durante a fase de aceleração; c. fornecimento da energia necessária pelo motor para assegurar a operação steady

state durante um intervalo de tempo T limitado.

Figura 20 – Solução sem recuperação de energia Figura 21 – Solução com recuperação de energia

Fonte: Oyarbide et. al., 2011 Fonte: Oyarbide et. al., 2011

O sistema de controlo do conversor de frequência pode ser completado com um sistema de armazenamento de energia. Dependendo da carga, do número de pisos servidos e de outros factores, o sistema de controlo determina a energia a trocar com o sistema de super- condensadores. Este sistema requer uma comunicação permanente entre o conversor de frequência do ascensor e o dispositivo de armazenamento de energia, conforme é indicado na figura 21.

Para obter uma elevada flexibilidade e eficiência do sistema de conversão de frequência, a bateria de supercondensadores é interligada ao conversor através do barramento DC. O sistema de controlo do conversor depende dos requisitos do sistema: controlo da tensão do barramento DC, controlo do estado de carga do supercondensador e a partilha activa de energia entre o conversor e o supercondensador.

Melhoria da eficiência energética nos ascensores: a recuperação de energia

Oyarbide et. al. (2011) propõem um sistema stand-alone de armazenamento de energia por super-condensadores plug & play com as seguintes características:

1. Aplicação generalizada: isto é, o sistema deve poder ser operado com qualquer conversor de frequência existente;

2. Capacidade plug & play, não sendo necessária uma reprogramação ou modificação do conversor de frequência existente. Apenas 2 cabos eléctricos terão de ser interligados e o sistema deverá funcionar por si;

3. Capacidade de modernização: existem vários milhares de ascensores não eficientes instalados. Uma abordagem plug & play permite, sem a substituição de qualquer componente, um up-date destas instalações tornando-as mais eficientes.

O conceito básico do conversor de frequência regenerativo baseado em supercondensadores é dado por um conversor de frequência (constituído por rectificador, barramento DC e um inversor) e por um sistema de armazenamento de energia ligado em paralelo e que é composto por uma bateria de supercondensadores e por um conversor de potência DC-DC bidirecional.

O sistema completo opera em diferentes modos:

1. Sistema em modo motor alimentado a partir da rede: a tensão do barramento DC é ligeiramente inferior à tensão de pico fase-fase de input. O conversor DC-DC controla a tensão do supercondensador de forma a evitar o fluxo de energia entre o supercondensador e o barramento DC.

2. Sistema em modo gerador: dado que a carga no barramento DC é negativa (a potência do conversor é negativa), o condensador existente no barramento DC é carregado até atingir a sua tensão máxima. Quando esta é atingida, passa a haver um fluxo de energia com o supercondensador: a corrente do supercondensador é positiva e a sua tensão vai crescendo: a energia recuperada está a ser armazenada na bateria de condensadores. Não existe, por isso, qualquer consumo de energia a partir da rede. O supercondensador foi concebido e dimensionado para armazenar uma dada quantidade de energia durante a fase de recuperação de energia. Quando a energia armazenada superar a energia máxima dimensionada, a energia remanescente é canalizada para a resistência de dissipação.

3. Sistema em modo stand-by. Não existe qualquer fluxo de energia entre o conversor, a rede e a bateria de supercondensadores. A tensão da bateria de supercondensadores é mantida constante, bem como a tensão do barramento DC.

Melhoria da eficiência energética nos ascensores: a recuperação de energia

4. Sistema em modo motor alimentado a partir da bateria de supercondensadores. O controlador da tensão do barramento DC actua sobre o conversor dc-dc por forma a manter a tensão do barramento DC constante. O supercondensador é descarregado alimentando o motor, e a sua tensão decresce até um nível intermédio previamente fixado. A partir deste ponto, o sistema começa novamente a ser alimentado a partir da rede de alimentação e o supercondensador é desactivado. O ciclo recomeça.

A empresa Michael Koch, GmbH desenvolveu um sistema de armazenamento dinâmico de energia por supercondensadores, o modelo DES 2.0, que pode ser instalado em qualquer ascensor que já seja dotado de um conversor electrónico de frequência (ver figura 22). O equipamento será interligado com o barramento DC do conversor e está dimensionado para trabalhar até uma tensão máxima de 850 V DC. A tensão de funcionamento é determinada automaticamente pelo sistema. Toda a energia que levaria a que a tensão do barramento DC subisse acima desse valor de funcionamento é armazenada nos supercondensadores. Em sentido contrário, quando a tensão cai abaixo desse nível de tensão de funcionamento, os supercondensadores injectam a energia armazenada no barramento DC do conversor. Quando o nível de energia nos supercondensadores desce abaixo do nível de tensão dinâmico definido, após fornecimento de energia ao motor, o sistema é desligado, ficando à espera da próxima fase em que o motor seja novamente operado em modo gerador, para voltar a carregar os supercondensadores.

O módulo central tem uma capacidade máxima de 1600 Ws para uma potência máxima de 18 kW. Caso seja necessário, é possível expandir a capacidade através de módulos de expansão de 1600 Ws ou de 3200 Ws, ligados em paralelo. Estes módulos de expansão podem ser facilmente interligados com o módulo central através de um cabo adequado (ver figura 23).

Fig. 22 – Esquema DES 2.0 Fig. 23 – Interligação DES 2.0 Fonte: Michael Koch, GmbH (2012) Fonte: Michael Koch, GmbH (2012)

Melhoria da eficiência energética nos ascensores: a recuperação de energia

Os gráficos seguintes pretendem demonstrar a poupança que se pode obter se se instalar um sistema de recuperação com supercondensadores DES 2.0:

Figura 24 – Poupança de energia com o DES2.0 Figura 25 – Curva de tensão barramento DC Fonte: Michael Koch, GmbH (2012) Fonte: Michael Koch, GmbH (2012)

Figura 26 – Diagrama Flutuação energética / ciclo temporal Figura 27 – Aspecto do supercondensador DES 2.0 Fonte: Michael Koch, GmbH (2012) Fonte: Michael Koch, GmbH (2012)

Vantagens e desvantagens da solução:

Vantagens desta solução:

+ Recuperação de energia: a energia excedentária é armazenada no sistema de super-condensadores e pode ser reutilizada quando o sistema necessita de consumir energia, sendo a troca de energia realizada pelo barramento DC.

+ Mitigação do pico de potência de rede: mantendo uma reserva mínima de energia, o dispositivo permite reduzir o pico de potência consumido a partir da rede.

+ Back-up de energia para uma viagem de emergência: é possível armazenar energia necessária para a operação de emergência, em caso de falha de energia da rede. Segundo Grbović, et. al (2012) a bateria de supercondensadores pode fornecer

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energia assumindo uma função de fonte de energia de emergência. Esta solução permite aumentar a eficiência global do sistema de conversão de frequência.

+ O alisamento da potência de input permite um melhor dimensionamento da instalação de todo o sistema a nível da cablagem, fusíveis / protecções e contactores.

+ A estratégia de plug & play é desenvolvida de forma a que caso o sistema de armazenamento de energia não consiga fornecer toda a energia necessária ele não interfira com a normal operação do conversor, isto é, a potência é absorvida a partir da rede de forma normal. Caso o sistema de armazenamento esteja plenamente carregado, este pára de armazenar energia, a tensão no barramento DC aumenta e a resistência de dissipação é activada.

+ Se a necessidade de potência do ascensor for superior à potência disponível no conversor de frequência, apenas a diferença será absorvida a partir da rede de alimentação, minimizando desta forma o consumo energético do sistema.

+ Não existe qualquer interferência na rede eléctrica pública. Desvantagens desta solução:

+ Elevado custo da solução: para cada ascensor serão necessários vários módulos. + Dimensão de cada módulo: 100 mm x 201 x 300 (Largura x Profundidade x Altura) + Peso de cada módulo: unidade central 6,9 kg; módulo adicional 4,1 kg

Custos / investimento:

O sistema de supercondensadores plug & play DES 2.0 da Koch a instalar num ascensor terá um custo variável em função do número de módulos a instalar (e que resultará da energia recuperada). O custo para o módulo base DES 2.0 será de 1190 €, para o módulo de expansão (referência EM 2.0 A2020) de 3.200 Ws será de 1170 € e para o módulo de expansão (referência EM 2.0 A20) de 1.600 Ws será de 675 €.

Avaliação do investimento:

Utilizando as medições realizadas e apresentadas no ponto 3., calculou-se para cada um dos ascensores, e aplicando a metodologia definida, a energia recuperada previsional ao longo de um ano, em função do número de manobras que serão realizadas. Pressupondo que toda a energia recuperada e armazenada no supercondensador pode ser reinjectada

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na máquina quando esta estiver a operar em modo motor, então esta energia total reinjectada na máquina será o benefício que se obterá com esta solução.

O cash-flow anual será então dado pela energia reinjectada (que se traduz em energia que não é comprada à rede) multiplicado pelo preço de compra de cada kWh à rede eléctrica pública.

Com base nos cash-flows de exploração calculados e no cash-flow de investimento, é calculado o VAL, a TIR e o PRA. Apresentam-se na tabela 11 os resultados obtidos para cada um dos ascensores da amostra.

Conclusões:

A partir dos dados obtidos com as medições realizadas em todos os ascensores da amostra é possível apresentar as seguintes conclusões:

1. Apesar de ser tecnicamente execuível, esta solução não é viável para nenhum dos ascensores estudados, atendendo ao estudo económico-financeiro realizado.

2. Quanto mais elevada a categoria de utilização a que pertence o ascensor, e logo maior o número de viagens realizadas ao longo de um ano, menos desvantajosa se torna a instalação desta solução. Contudo, para todos os ascensores estudados o período de recuperação do investimento é muito superior ao período de vida útil do próprio ascensor (que normalmente varia entre 20 e 25 anos).

Melhoria da eficiência energética nos ascensores: a recuperação de energia

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