Estratégias de eficiência energética aplicáveis à indústria das madeiras e mobiliário

Estratégias de Eficiência Energética Aplicáveis à Indústria

das Madeiras e Mobiliário

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

EM ENGENHARIA ELETROTÉCNICA

E DE COMPUTADORES

David Antony Mezia Vicêncio

Orientador: Professor Doutor José Manuel Ribeiro Baptista

Co-orientador: Professor Doutor Salviano Filipe Silva Pinto Soares

Estratégias de Eficiência Energética Aplicáveis

à Indústria das Madeiras e Mobiliário

Por

David Antony Mezia Vicêncio

Orientador: Doutor

José Manuel Ribeiro Baptista

Co-orientador: Doutor Salviano Filipe Silva Pinto Soares

Dissertação submetida à UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obtenção do grau de

MESTRE

em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I série–A, Decreto-Lei n.º 74/2006 de 24 de Março e no

Regulamento de Estudos Pós-Graduados da UTAD

DR, 2.ª série – N.º 149 – Regulamento n.º 470/2011 de 4 de agosto de 2011

Estratégias de Eficiência Energética Aplicáveis

à Indústria das Madeiras e Mobiliário

Por

David Antony Mezia Vicêncio

Orientador: Doutor

José Manuel Ribeiro Baptista

Co-orientador: Doutor Salviano Filipe Silva Pinto Soares

Dissertação submetida à UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obtenção do grau de

MESTRE

em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I série–A, Decreto-Lei n.º 74/2006 de 24 de Março e no

Regulamento de Estudos Pós-Graduados da UTAD

DR, 2.ª série – N.º 149 – Regulamento n.º 470/2011 de 4 de agosto de 2011

Orientação Científica:

Doutor José Manuel Ribeiro Baptista Professor Auxiliar do

Departamento de Engenharias

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Doutor Salviano Filipe Silva Pinto Soares Professor Auxiliar do

Departamento de Engenharias

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Acompanhamento do Trabalho:

Eng.º Luís Manuel Pereira Almeida Manager of

Maintenance Department Case Study Enterprise

"A tarefa não é tanto ver aquilo que ninguém viu, mas pensar o que ninguém ainda pensou

sobre aquilo que todo o mundo vê."

Arthur Schopenhauer (1788 -- 1860)

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Os membros do Júri recomendam à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro a

aceitação da dissertação intitulada “Estratégias de Eficiência Energética Aplicáveis à

Indústria das Madeiras e Mobiliário” realizada por David Antony Mezia Vicêncio

para a satisfação parcial dos requisitos do grau de Mestre.

Fevereiro 2013

Presidente:

Doutor António Luís Gomes Valente,

Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias

C/Agregação da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Vogais do Júri:

Doutor João Rafael da Costa Sanches Galvão,

Professor Adjunto do Departamento de Engenharia

Eletrotécnica da Escola Superior de Tecnologia e Gestão

Instituto Politécnico de Leiria

Doutor José Manuel Ribeiro Baptista,

Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Doutor Salviano Filipe Silva Pinto Soares,

Direção de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de

Computadores do Departamento de Engenharias da

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Estratégias de Eficiência Energética

Aplicáveis à Indústria das Madeiras e Mobiliário

David Antony Mezia Vicêncio

Submetido na Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obtenção do grau de

Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Resumo

A política energética, nas suas diversas vertentes, é um fator importante de crescimento sustentado da economia de um país e da sua competitividade, quer pela sua capacidade em criar condições concorrenciais favoráveis ao desenvolvimento de empresas modernas, eficientes e bem dimensionadas, quer pelo seu efeito potencial na redução do preço nos fatores e, também, pela sua capacidade de gerar novo investimento em áreas com uma elevada componente tecno-lógica. Juntando-se a isto o aumento da forte dependência energética nas sociedades modernas, e consequente consumo elétrico, são cada vez mais fatores conducentes a preocupações associa-das à escassez dos recursos naturais utilizados na sua produção. Torna-se, assim, um imperativo nacional a racionalização e eficiência na forma como a energia elétrica é, hoje em dia, produzi-da e utilizaproduzi-da, contribuindo dessa forma para um menor gasto de recursos, mas ao mesmo tempo satisfazendo as mais diversas necessidades. Paralelamente, a política energética deve articular-se de modo estreito com a política do ambiente, integrando a estratégia do dearticular-senvolvimento sustentável do país.

A presente dissertação tem como principal objetivo aliar conceitos e ferramentas de gestão de energia, aprendidos à realidade industrial, mostrando como é possível criar e gerir um siste-ma de gestão de energia industrial, em linha com os objetivos legais, económicos e ambientais, corroborando a viabilidade de exemplos práticos de redução energética, tendo como fundo e exemplo uma empresa Consumidora Intensiva de Energia (CIE). Será aqui traçado, de forma detalhada, o perfil de consumo energético da empresa em estudo, através de uma auditoria ener-gética, de acordo com a legislação em vigor, o Decreto-Lei n.º 71/2008, de 15 de Abril, e assen-te na Estratégia Nacional para a Energia (ENE), RCM 169/2005, de 24 de Outubro, no Progra-ma Nacional para as Alterações Climáticas (PNAC), RCM 104/2006, de 23 de Agosto, e no Plano Nacional de Ação para a Eficiência Energética (PNAEE), aprovado pela RCM 80/2008,

de 20 de Maio. Foram aqui enumeradas e elucidadas algumas aplicações: produção eficiente

através de um sistema de miniprodução fotovoltaica, de acordo com o disposto no Decreto-Lei

n.º 34/2011, de 8 de Março; sistemas de ar comprimido; sistemas de ventilação; sistemas de

força motriz; minimização das perdas nas redes de distribuição de energia elétrica; qualidade da energia elétrica e energia reativa.

Energy Efficiency Strategies

Applicable to the Wood and Furniture Industry

David Antony Mezia Vicêncio

Submitted to the University of Trás-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical Engineering and Computers

Abstract

Energy policy, in its various forms, is an important factor for a country economic sustained growth and its competitiveness, both for its ability to create competitive conditions favorable to the development of modern companies, efficient and well sized, either by its potential effect in the reduction of factors price, and also by their ability to generate new investment in areas with a high technological component. Joining this increasing strong dependence of energy in modern societies, and hence electric consumption, are increasingly factors associated with the scarcity of natural resources used in their production. In this sense, the rationalization and efficiency in the way electricity is nowadays produced and used becomes a national imperative, thus contrib-uting to a lower spend of resources, but, at the same time, satisfying the most diverse needs. In parallel, energy policy must be coordinated closely with the environmental policy, integrating the strategy of sustainable development of the country.

The main objective of this dissertation is to combine concepts and tools of energy man-agement learned, at the reality industrial living, showing how can it be possible to create and manage an industrial electric power system management, in line with the legal objectives, eco-nomics and environmental, corroborating the viability of practical examples of energy rationali-zation, taking as example an Intensive Consuming Energy (CIE) enterprise. The energy con-sumption profile, of the under study company, will be delineate here, in a detail way, through an energy audit, according to the legislation, the Decree-Law n. º 71/2008 of 15 April, and based in the National Energy Strategy (ENE), RCM 169/2005 of 24 October, the National Program for Climatic Changes (PNAC), RCM 104/2006 of 23 August, and the National Action Plan for En-ergy Efficiency (PNAEE) approved by the RCM 80/2008 of 20 May. Here were enumerated and elucidated some applications: efficient production through a minigeneration photovoltaic sys-tem, in accordance with the provisions of Decree-Law n. º 34/2011 of 8 March; compressed air systems; ventilation systems; driving force systems; minimizing losses in the electricity distri-bution networks; power quality and reactive power.

In brief, the principal objective of this dissertation is to show, in some degree, lessons learned from a CIE enterprise which can be taken by example and applied in companies with an identical energy consumption profile.

Agradecimentos

Um trabalho deste tipo pressupõe todo um conjunto de apoios que o autor vai recebendo ao longo da sua execução. Assim, posso afirmar que a conclusão desta dissertação não teria sido possível sem os diversos contributos que fui recebendo ao longo desta caminhada. Seria injusto, da minha parte, se não ficassem aqui mencionadas as influências diretas e indiretas das seguin-tes pessoas (e que me perdoem os atingidos por traições de memória), por terem contribuído para a realização de mais um sonho, e ao fecho de mais um ciclo da minha vida:

Ao Professor Doutor Salviano Filipe Silva Pinto Soares, Diretor do Mestrado em Engenha-ria Eletrotécnica e de Computadores da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, na qua-lidade de co-orientador desta dissertação, e também fora dela, pela motivação, auxílio, disponi-bilidade que sempre teve, pelos seus sempre sábios ensinamentos, por não me ter deixado baixar os braços nos momentos difíceis, por nunca ter negado um conselho amigo, pelo voto de con-fiança, esperando, sinceramente, não ter desapontado.

De igual modo ao Professor Doutor José Manuel Ribeiro Baptista, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, na qualidade de orientador desta dissertação, que me ensinou com o seu saber e prática. Por me ter apontado o caminho da qualidade da energia, pelos ensinamentos pessoais e o seu contínuo interesse no meu trabalho, pois, muito influenciaram o meu espirito durante a realização desta dissertação. Agradeço toda a documentação, equipamentos e apoio prestados, em tudo serviram de base ao trabalho desenvolvido. Agradeço ainda a sua disponibilidade, ideias inovadoras, sugestões e críticas construtivas

Os meus agradecimentos a todo o Departamento de Manutenção, onde o autor teve especial intervenção durante estes últimos meses, em especial aos Engenheiros Luís Almeida e Márcio Neves, pela oportunidade que me foi concedida para demonstrar o meu valor, pelo acolhimento, por sempre se terem disponibilizado a ajudar em tudo o que lhes fosse possível, foi sem dúvida uma experiência fantástica.

Aos meus amigos, por todo o tempo que passamos juntos ao longo desta caminhada, pelos momentos de risos, mas também pelos momentos mais difíceis. A todos vocês o meu sincero obrigado, ficarão para sempre uns bons e verdadeiros amigos.

Por último, mas nunca esquecida, toda a minha família, em especial os meus pais, por sem-pre me terem incentivado à busca de um conhecimento maior, por muito se terem sacrificado em meu benefício. A vós tudo devo, e aqui vinco a minha gratidão.

Índice Geral

Resumo ... xiii

Abstract ... xv

Agradecimentos ... xvii

Índice Geral ... xix

Índice de Tabelas ... xxiii

Índice de Figuras ... xvii

Acrónimos e Abreviaturas ... xxxi

Lista de Acrónimos ... xxxi

Lista de abreviaturas ... xxxii

1 Introdução (Capítulo 1) ... 1

1.1 Enquadramento estratégico ... 1

1.1.1 Contexto atual do setor energético em Portugal ... 1

1.2 Âmbito ... 1

1.3 Organização da dissertação ... 3

2 Estado da Arte (Capítulo 2) ... 5

2.1 Gestão de Energia... 5

2.1.1 Auditorias Energéticas (AEs) ... 6

2.2 Força Motriz ... 10

2.2.1 Impacto energético dos motores de indução trifásicos na indústria ... 10

2.2.2 Motores de elevado rendimento (Energy Efficient Motors - EEMs) ... 10

2.2.3 Modelização do motor de indução trifásico ... 14

2.3 Transformadores... 17

2.3.1 Necessidades da utilização de transformadores ... 17

2.3.2 Perdas nos transformadores ... 18

2.4 Acionamentos elétricos de velocidade variável ... 19

2.4.1 Princípios ... 19

2.4.2 Caraterização dos VEV ... 20

2.4.3 Principais topologias e técnicas de comando nos VEV... 20

2.4.4 Efeitos dos retificadores sobre a rede elétrica ... 25

2.5 Energia Reativa ... 29

2.5.4 Compensação ... 34

2.6 Qualidade da Energia Elétrica ... 34

2.6.1 Problemas da qualidade da energia elétrica... 34

2.6.2 Distorção harmónica ... 52

2.6.3 Análise matemática dos harmónicos ... 52

2.6.4 Problemas de manutenção ... 56

2.6.5 Efeitos de harmónicas ... 56

2.6.6 Diferença entre e FP ... 58

2.7 Análise de Indicadores Económicos... 63

2.7.1 Valor Atual Líquido (VAL) ... 63

2.7.2 Taxa Interna de Rentabilidade (TIR) ... 64

2.7.3 Período de Recuperação do investimento (PRI) ... 65

3 Caracterização da Empresa em Estudo (Capítulo 3) ... 67

3.1.1 Regime de funcionamento ... 67

3.1.2 Processo Fabril ... 67

4 Auditoria Energética na Empresa em Estudo (Capítulo 4) ... 70

4.1 Introdução ... 70

4.2 Auditoria Energética ... 71

4.2.1 Utilização da Energia ... 71

4.2.2 Dados de Produção ... 77

4.2.3 Análise dos Serviços Auxiliares ... 78

5 Dimensionamento e Análise de Estratégias de Racionalização de Energia e Eficiência Energética (Capítulo 5) ... 89

5.1 Sistemas de Ventilação/Extração de Pó ... 89

5.1.1 Introdução... 89

5.1.2 Objetivos ... 90

5.1.3 Monitorização do sistema antes da implementação do VEV ... 91

5.1.4 Monitorização do sistema após a implementação do VEV ... 93

5.1.5 Avaliação económica ... 94

5.2 Implementação de EEM ... 99

5.2.1 Avaliação económica do investimento ... 99

5.3 Sistema de Ar Comprimido ... 103

5.3.1 Electroválvulas ... 103

5.4 Qualidade da Energia Elétrica ... 104

5.4.1 Objetivos ... 104

5.4.3 Estudo de viabilidade técnico-económica para filtros ativos ... 123

5.5 Energia Reativa ... 125

5.5.1 Objetivos ... 125

5.5.2 Enquadramento com a legislação ... 125

5.5.3 Correção do FP ... 126

5.5.4 Avaliação económica ... 128

5.6 Sistema Solar Fotovoltaico ... 131

5.6.1 Definição do local da implementação ... 131

5.6.2 Radiação solar e temperatura ... 132

5.6.3 Sistema de simulação HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric renewavles) ... 132

5.6.4 Modelização das tecnologias utilizadas no caso de estudo ... 132

5.6.5 Análise técnica ... 133

5.6.6 Dimensionamento dos condutores e proteções ... 136

5.6.7 Estimativa orçamental, mapa de medições ... 143

5.6.8 Análise de resultados e avaliação económica ... 144

5.7 Termografia ... 149

5.8 Ação de formação e sensibilização de Recursos Humanos (RH) ... 151

6 Conclusões e Trabalho Futuro (Capítulo 6) ... 153

6.1 Conclusões ... 153

6.1.1 Considerações preliminares ... 153

6.1.2 Considerações técnicas ... 154

6.2 Perspetivas de trabalho futuro ... 156

Referências Bibliográficas ... 157

Lista de Teses, Dissertações e Relatórios científicos ... 157

Lista de livros técnicos e artigos científicos ... 158

Legislação e normas concernentes ... 160

Lista de sites web ... 161

A – Esquema unifilar SE 60/15 kV e rede em anel de MT ... 163

B – Projeto de infraestruturas de engenharia civil da empresa em estudo ... 165

Índice de Tabelas

Tabela 2.1 – Classificação de motores de indução trifásicos de 2 e 4 pólos [fonte: (CEMEP, 1999)]. ____________________________________________________________________ 12 Tabela 2.2 – Comparação entre normas da CEMP e IEC 60034-30 para classificação do

rendimento de motores ________________________________________________________ 12 Tabela 2.3 – Classes de rendimento IEC 60034-30: 2008 para motores a 50 Hz [fonte: (ABB, 2007)]. ____________________________________________________________________ 13 Tabela 2.4 – Variação da potência útil máxima (em regime permanente) que um transformador de 2000 kVA pode absorver ____________________________________________________ 32 Tabela 2.5 – Variação da secção relativa nos condutores em função do FP, de forma a se manter as perdas mínimas [fonte: (Jorge, 2000)]. _________________________________________ 32 Tabela 2.6 – Variação do FP de um motor assíncrono em função do regime de carga [fonte: Merlin Gerin] _______________________________________________________________ 33 Tabela 2.7 – Características de transformadores 15/0,4 kV [fonte: Merlin Gerin] __________ 34 Tabela 4.1 – Consumos e custos anuais de energia na empresa em estudo (global efetivo) ___ 71 Tabela 4.2 – Consumos e custos de energia na empresa em estudo (global) _______________ 71 Tabela 4.3 – Repartição global do consumo de energia, e respetivos custos, na empresa em estudo _____________________________________________________________________ 73 Tabela 4.4 – Repartição mensal global de energia elétrica na empresa em estudo __________ 73 Tabela 4.5 – Repartição mensal global de gás propano na empresa em estudo _____________ 74 Tabela 4.6 – Repartição mensal global de gasóleo rodoviário na empresa em estudo________ 74 Tabela 4.7 – Repartição mensal global de gasóleo não rodoviário na empresa em estudo ____ 75 Tabela 4.8 – Repartição mensal global de gasolina na empresa em estudo ________________ 75 Tabela 4.9 – Repartição efetiva mensal de biomassa na empresa em estudo _______________ 76 Tabela 4.10 – Repartição mensal de biomassa na empresa em estudo ___________________ 76 Tabela 4.11 – VAB Vs dados de produção na empresa em estudo ______________________ 77 Tabela 4.12 – Elementos de faturação de energia elétrica para o FY 2011 ________________ 78 Tabela 4.13 – Encargos de energia reativa para o FY 2011 ____________________________ 81 Tabela 4.14 – encargos de energia reativa para FY 2012 _____________________________ 81 Tabela 4.15 – Tarifários de energia e potência em AT, tetra-horário, da EDP SU FY 2012 [fonte: (EDP, 2012)] __________________________________________________________ 82 Tabela 4.16 – Análise comparativa de tarifários em AT da EDP SU para a empresa em estudo 82 Tabela 4.17 – Consumos ao fim de semana referentes ao período de Maio a Agosto de 2012. 83 Tabela 4.18 – Características da Central de Ar Comprimido (CAC) _____________________ 84 Tabela 4.19 – Características do reservatório de ar __________________________________ 85 Tabela 5.1 – Descrição do motor/ventilador 55 kW _________________________________ 91 Tabela 5.2 – Regime de carga alusivo ao motor monitorizado. _________________________ 91 Tabela 5.3 – Quadro resumo das grandezas elétricas monitorizadas antes da aplicação do VEV __________________________________________________________________________ 92 Tabela 5.4 – Especificação técnica do VEV ACS550-01 [Fonte: (ABB, 2007)] ____________ 93 Tabela 5.5 – Quadro resumo das grandezas elétricas monitorizadas após a aplicação do VEV 94 Tabela 5.6 – Estimativa orçamental concernente à implementação de VEV no sistema de

Tabela 5.8 – Resumo de economias referentes à implementação de VEV no sistema de extração. __________________________________________________________________________ 98 Tabela 5.9 – Caraterísticas técnicas do EEM a instalar (ABB, 2012). ___________________ 100 Tabela 5.10 – Indicadores económicos referentes à substituição de um motor std de 55 kW por um EEM. _________________________________________________________________ 102 Tabela 5.11 – Economias referentes à substituição de um motor std de 55 kW por um EEM 102 Tabela 5.12 – Economias referentes à substituição das válvulas manuais por válvulas

pneumáticas. _______________________________________________________________ 103 Tabela 5.13 – Valores limite para THDV [fonte: (IEEE, 519-1992)] ___________________ 105 Tabela 5.14 – Valores limite para THDI e harmónicas de corrente individuais [fonte: (IEEE, 519-1992)] ________________________________________________________________ 106 Tabela 5.15 – Valores limite para as harmónicas individuais [fonte: (EN, 50160)] ________ 106 Tabela 5.16 – Comparação entre os valores de FP medido e pretendido _________________ 108 Tabela 5.17 – Comparação entre os valores limite e valores registados no QGBT PT01 para as THDV e THDI _____________________________________________________________ 108 Tabela 5.18 – Análise de harmónicas individuais de tensão e corrente registadas no QGBT PT01 _________________________________________________________________________ 110 Tabela 5.19 Comparação entre os valores de FP medido e pretendido __________________ 111 Tabela 5.20 – Comparação entre os valores limite e valores registados no QGBT PT02 para as THDV e THDI _____________________________________________________________ 111 Tabela 5.21 – Análise de harmónicas individuais de tensão e corrente registadas no QGBT PT02 _________________________________________________________________________ 113 Tabela 5.22 Comparação entre os valores de FP medido e pretendido __________________ 114 Tabela 5.23 – Comparação entre os valores limite e valores registados no QGBT PT03 para as THDV e THDI _____________________________________________________________ 114 Tabela 5.24 – Análise de harmónicas individuais de tensão e corrente registadas no QGBT PT03 _________________________________________________________________________ 116 Tabela 5.25 – Comparação entre os valores de FP medido e pretendido _________________ 117 Tabela 5.26 – Comparação entre os valores limite e valores registados no QGBT PT04 para as THDV e THDI _____________________________________________________________ 118 Tabela 5.27 – Análise de harmónicas individuais de tensão e corrente registadas no QGBT PT04 _________________________________________________________________________ 119 Tabela 5.28 – Comparação entre os valores de FP medido Vs pretendido no PT13 ________ 120 Tabela 5.29 – Comparação entre os valores limite e valores registados no QGBT PT13 para as THDV e THDI _____________________________________________________________ 120 Tabela 5.30 – Análise de harmónicas individuais de tensão e corrente registadas no QGBT PT13 _________________________________________________________________________ 122 Tabela 5.31 – Dimensionamento dos filtros. ______________________________________ 124 Tabela 5.32 – Estimativa orçamental referente à implementação de filtros ativos nos QGBTPT 01, 02, 04 e 13. _____________________________________________________________ 124 Tabela 5.33 – Sistema tarifário (faturação de energia reativa) nas Horas Fora de Vazio (HFV) e Horas de Vazio (HV) ________________________________________________________ 126 Tabela 5.34 – Planeamento de férias e feriados para o FY12 _________________________ 126 Tabela 5.35 – Total de horas de laboração da empresa em estudo no FY12 ______________ 127 Tabela 5.36 – Tarifas de distribuição de energia reativa fornecida e recebida em AT e MT__ 127 Tabela 5.37 – Dimensionamento de BC para os: QGBT01; QGBT02; QGBT03; QGBT04; QGBT12 __________________________________________________________________ 127

Tabela 5.39 – Resultado dos indicadores económicos referentes à implementação de BC no PT01. ____________________________________________________________________ 129 Tabela 5.40 – Resultado dos indicadores económicos referentes à implementação de BC no PT02. ____________________________________________________________________ 129 Tabela 5.41 – Resultado dos indicadores económicos referentes à implementação de BC no PT03. ____________________________________________________________________ 130 Tabela 5.42 – Resultado dos indicadores económicos referentes à implementação de BC no PT05. ____________________________________________________________________ 130 Tabela 5.43 – Caraterísticas elétricas do módulo solar STP230-Wd [fonte: (STP, 2012)]. ___ 132 Tabela 5.44 – Caraterísticas técnicas do inversor STP2000 TLEE-10 __________________ 133 Tabela 5.45 – Dimensionamento dos dispositivos de proteção e canalizações ADSPV1-PT _ 140 Tabela 5.46 – Dimensionamento dos dispositivos de proteção e canalizações ADSPV2-PT _ 141 Tabela 5.47 – Dimensionamento dos dispositivos de proteção e canalizações ADSPV3-PT _ 142 Tabela 5.48 – Estimativa orçamental e mapa de medições. ___________________________ 143 Tabela 5.49 – Custos anuais de O&M implícitos ao sistema fotovoltaico ________________ 144 Tabela 5.50 – Lucros referentes à entrega da energia produzida pelo sistema de minigeração à RESP. ____________________________________________________________________ 147 Tabela 5.51 – Resultado dos indicadores económicos referentes ao sistema PV: VAL; TIR; PRI. _________________________________________________________________________ 148 Tabela 5.52 – Economias associadas ao sistema PV ________________________________ 149 Tabela 5.53 – Economias associadas à sensibilização de RH. _________________________ 152

Índice de Figuras

Figura 1.1 – Triângulo da sustentabilidade [Fonte: (Sá, 2010)] ... 2 Figura 1.2 – Dimensão ambiental, económica e social do desenvolvimento sustentável. [Fonte: (Sá, 2010)] ... 2 Figura 1.3 – Estratégias de racionalização energética Vs. emissões de GEE até 2100 [Fonte: (Sá, 2010)]. ... 3 Figura 2.1 – Modelo de um sistema de gestão de energia [fonte: (EN, 50001:2011)]. ... 6 Figura 2.2 – Curva caraterística binário/velocidade para motores de indução trifásicos EEM Vs. STD [fonte: (CCE, 2000)]. ... 11 Figura 2.3 – Gráfico comparativo dos níveis de rendimento para motores de indução IEC 60034-30 ... 13 Figura 2.4 – Gráfico comparativo dos níveis de rendimento para motores de indução

EU/CEMEP ... 14 Figura 2.5 – Modelos matemáticos para o motor de indução [fonte: (Melo, 2004)] ... 15 Figura 2.6 – PT trifásico 20 MVA, 161:26,4 X 13,2 kV [fonte: (Harlow, 2004)]. ... 17 Figura 2.7 – Exemplo esquemático da configuração de um VEV. ... 20 Figura 2.8 – Esquema de um VEV tipo PWM [fonte: (Barnes, 2003)]. ... 21 Figura 2.9 – Tensões AC e forma de corrente numa fase obtida com um comando rudimentar do ondulador trifásico em ponte [fonte: (Palma, 1999)]. ... 22 Figura 2.10 – Comando em PWM por padrão memorizado: a – exemplo de esquema de

implementação; b – exemplo de forma (padrão) da tensão composta e de corrente na fase perante carga indutiva [fonte: (Palma, 1999)]. ... 23 Figura 2.11 – a: descrição do método de comando em PWM clássico, mostrando os sinais modulantes (U*1, U

* 2, U

*

3), a portadora (Uδ), as tensões simples (U1, U2, U3), uma tensão

composta (U12) e a corrente numa fase (i1); b, c: outros exemplos de formas de tensão composta

obtidas por variação da amplitude das modulantes [fonte: (Palma, 1999)]. ... 24 Figura 2.12 – Distorção harmónica das formas de onda da tensão provocada pelas comutações num retificador: a – esquema de inserção numa rede de um retificador com auto-indução adicional LP; b – deformação na tensão simples , à entrada do retificador, provocada pelas

comutações; c – efeito correspondente registado na tensão composta [fonte: (Palma, 1999)]. .. 26 Figura 2.13 – Exemplos de formas de onda de corrente distorcida e variação de Q1h e Ud com o

ângulo de disparo (valores normalizados na base de  = 0) em dois retificadores monofásicos em ponte, sob condições ideais: a – retificador totalmente comandado; b – retificador

semicomandado [fonte: (Palma, 1999)]. ... 27 Figura 2.14 – Exemplos de formas de onda de corrente e seus espetros harmónicos,

correspondentes a: a – retificador monofásico em ponte, sob condições ideais; b – retificador trifásico em ponte, sob condições ideais [fonte: (Palma, 1999)]. ... 28 Figura 2.15 – Diagrama fasorial de tensão e correntes. ... 29 Figura 2.16 – Diagrama fasorial de potências. ... 30 Figura 2.17 – Transitório impulsivo de corrente provocado por uma descarga atmosférica [fonte: (Dugan et al., 2004)]. ... 36 Figura 2.18 – Transitório oscilatório provocado por uma comutação de bancos de

Figura 2.22 – Cava de tensão provocada pelo arranque de motores [fonte: (IEEE, 1159-2009)]. ... 40 Figura 2.23 – Forma de onda de uma cava de tensão [fonte: (Pregitzer, 2006)]. ... 41 Figura 2.24 – Exemplo de uma swell provocada por um defeito fase-terra [fonte: (Pregitzer, 2006)]. ... 42 Figura 2.25 – Caraterística V-I de um tirístor [fonte: (Santos, 1997)]. ... 46 Figura 2.26 – Forma de onda e respetivo espetro harmónico de corrente consumida por um VEV [fonte: (IEEE, 1159-2009)]. ... 47 Figura 2.27 – Exemplo de Notching provocado por um conversor trifásico [fonte: (Pregitzer, 2006)]. ... 48 Figura 2.28 – Exemplo de um sinal de tensão com ruído de alta-frequência [fonte: (Preziger, 2006)]. ... 49 Figura 2.29 – Exemplo de flutuação de tensão, provocada pelo funcionamento de fornos a arco [fonte: (IEEE, 1159-2009)]. ... 50 Figura 2.30 – Flicker (Pst) num PT 2 MVA, bus de 230 V, nas fases: L1; L2; L3. Determinado

de acordo com o IEC std 61000-4-15. ... 51 Figura 2.31 – Variação de frequência num PT 2 MVA, bus 230 V. ... 52 Figura 2.32 – Variação do em função da THDI [fonte: (Fernandes, 2012)]. ... 62

Figura 4.1 – Representação percentual do perfil de consumo energético da empresa em estudo 72 Figura 4.2 – Representação percentual do perfil de custos energéticos da empresa em estudo .. 72 Figura 4.3 – Repartição da energia ativa nas horas de super vazio (WSV), horas de vazio normal (WVN), horas de ponta (WP) e horas de cheias (WC) para FY2011 ... 79 Figura 4.4 – Repartição mensal para FY2011 da energia ativa nas WSV, WVN, WP e WC ... 79 Figura 4.5 – Perfil de consumo de energia elétrica no ano de referência 2012. ... 80 Figura 4.6 – Perfil de custos referentes ao consumo de energia elétrica no ano de referência 2012. ... 80 Figura 4.7 – Evolução do consumo de energia ativa (por PT) ao fim-de-semana referentes ao período de Maio a Agosto de 2012. ... 83 Figura 4.8 – Evolução da potência ao longo de uma semana, referente ao compressor 1. ... 85 Figura 4.9 – Teste de fugas ao compressor 1. ... 86 Figura 4.10 – Evolução da potência ao longo de uma semana, referente ao compressor 2. ... 87 Figura 4.11 – Teste de fugas ao compressor 1. ... 87 Figura 5.1 – Imagem real de um sistema de ventilação. ... 89 Figura 5.2 – Imagem real de um sistema de ventilação, câmaras de armazenamento de serrim (filtros)... 90 Figura 5.3 – Exemplo de um ventilador monitorizado. ... 91 Figura 5.4 – Monitorização do motor de 55 kW antes da implementação do VEV ... 92 Figura 5.5 – Monitorização do motor de 55 kW após implementação do VEV ... 93 Figura 5.6 – Período de recuperação do investimento associado à implementação de VEV no filtro 1. ... 96 Figura 5.7 – Período de recuperação do investimento associado à implementação de VEV no filtro 2_1. ... 96 Figura 5.8 – Período de recuperação do investimento associado à implementação de VEV no filtro 3. ... 96 Figura 5.9 – Período de recuperação do investimento associado à implementação de VEV no filtro 3_1. ... 97 Figura 5.10 – Período de recuperação do investimento associado à implementação de VEV no

Figura 5.11 – Período de recuperação do investimento associado à implementação de VEV no filtro 5. ... 97 Figura 5.12 – Período de recuperação do investimento associado à implementação de VEV no filtro 6Fan_1. ... 98 Figura 5.13 – Período de recuperação do investimento associado à implementação de VEV no filtro 6. ... 98 Figura 5.14 – Período de recuperação do investimento associado ao EEM. ... 101 Figura 5.15 – Electroválvula utilizada. ... 103 Figura 5.16 – Período de recuperação do investimento associado à implementação das válvulas pneumáticas. ... 104 Figura 5.17 – Espetro harmónico de tensão, registado em cada uma das fases, no PT01 Vs valores norma EN50160 ... 109 Figura 5.18 – Espetro harmónico de corrente, registado em cada um das fases, no PT01 Vs valores normalizados pelo IEEE-std-519-2002 ... 109 Figura 5.19 – Espetro harmónico de tensão, registado em cada uma das fases, no PT02 Vs valores norma EN50160 ... 112 Figura 5.20 – Espetro harmónico de corrente, registado em cada um das fases, no PT02 Vs valores normalizados pelo IEEE-std-519-2002 ... 112 Figura 5.21 – Espetro harmónico de tensão, registado em cada uma das fases, no PT03 Vs valores norma EN50160 ... 115 Figura 5.22 – Espetro harmónico de corrente, registado em cada um das fases, no PT03 Vs valores normalizados pelo IEEE-std-519-2002 ... 115 Figura 5.23 – Registo dos valores de tensão por fase no PT04 (interrupção prolongada). ... 117 Figura 5.24 – Espetro harmónico de tensão, registado em cada uma das fases, no PT03 Vs valores norma EN50160 ... 118 Figura 5.25 – Espetro harmónico de corrente, registado em cada um das fases, no PT04 Vs valores normalizados pelo IEEE-std-519-2002 ... 118 Figura 5.26 – Espetro harmónico de tensão, registado em cada uma das fases, no PT03 Vs valores norma EN50160 ... 121 Figura 5.27 – Espetro harmónico de corrente, registado em cada um das fases, no PT04 Vs valores normalizados pelo IEEE-std-519-2002 ... 121 Figura 5.28 – Período de recuperação do investimento alusivo à implementação de BC no PT01. ... 128 Figura 5.29 – Recuperação do investimento alusivo à implementação de BC no PT02. ... 129 Figura 5.30 – Período de recuperação do investimento alusivo à implementação de BC no PT03. ... 129 Figura 5.31 – Período de recuperação do investimento alusivo à implementação de BC no PT13. ... 130 Figura 5.32 – Caraterística V – I e V – P do módulo fotovoltaico STP230-Wd (@ STC). ... 133 Figura 5.33 – Armário de distribuição SPV1. ... 135 Figura 5.34 – Armário de distribuição SPV2. ... 135 Figura 5.35 – Armário de distribuição SPV3. ... 136 Figura 5.36 – Interface gráfica do HOMER, inserção dos valores de radiação solar. ... 144 Figura 5.37 – Espetro de radiação anual incidente no local de instalação. ... 145 Figura 5.38 – Interface gráfica do HOMER, inserção dos valores de temperatura. ... 145

Figura 5.41 – Interface gráfica do HOMER, inserção dos principais parâmetros dos inversores. ... 146 Figura 5.42 – Potencia produzida pela unidade de miniprodução ao longo de um ano. ... 147 Figura 5.43 – Período de recuperação do investimento associado ao sistema PV ... 148 Figura 5.44 – Termografia ligação ao compressor 2 ... 150 Figura 5.45 – Termografia disjuntor corte geral ... 150 Figura 5.46 – Termografia ao PT02 (lado AT) ... 150 Figura 5.47 – Termografia Contactor ... 151 Figura 5.48 – Economias referente à sensibilização de RH, total/linha de produção de 01/03/12 até 31/10/12. ... 152 Figura 6.1 – Resumo das aplicações de eficiência energética e respetivas economias (€/Ano). ... 153 Figura 6.2 – Resumo das aplicações de eficiência energética e respetivas economias

(kgCO2e/Ano). ... 154 Figura A.1 – Esquema unifilar SE 60/15 kV e rede em anel de MT. ... 163

Acrónimos e Abreviaturas

Lista de Acrónimos

Sigla Expansão

AC Alternating Current

ADSPV Armário de Distribuição do Sistema Fotovoltaico

AE Auditoria Energética

ANSI American National Standards Institute

AT Alta Tensão

BC Baterias de Condensadores

BOF Board On Frame

BT Baixa Tensão

CAC Central de Ar Comprimido

CEMEP European Comittee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronic

CI Comunidade Internacional

CIE Consumidores Intensivos de Energia

CO2 Dióxido de Carbono

Cu Cobre

DC Direct Current

DGEG Direção Geral de Energia e Geologia

DL Decreto-Lei

EDP SU Energias de Portugal Serviço Universal

EEM Energy Efficient Motor

ENE Estratégia Nacional para a Energia

ERSE Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos

FC Fator de Carga

Fe Ferro

FP Fator de Potência

FPD Fator de Potência de Deslocamento

FPT Fator de Potência Total

FY Fiscal Year

GEE Gases de Efeito de Estufa

HFV Horas Fora de Vazio

HOMER Hybrid Optimization Model for Electric Renewables HV Horas de Vazio

IE International Efficiency

IEC International Electrotechnical Commission

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

IVA Imposto de Valor Acrescentado

LU Longas Utilizações

MAT Muito Alta Tensão

MDF Medium Density Fiberboard

MT Média Tensão

NEMA National Electrical Manufacturers Association

O&M Operation and Maintenance (measures)

ORC Oportunidade de Racionalização de Consumos

PAC Pistola de Ar Comprimido

(cont.)

Sigla Expansão

POC Plano Oficial de Contas

PREn Plano de Racionalização de Energia

PRI Período de Recuperação do Investimento

PT Posto de Transformação

PV Photovoltaic (fotovoltaico)

QGBT Quadro Geral de Baixa Tensão

QREN Quadro de Referência Estratégico Nacional

RAC Rede de Ar Comprimido

RESP Rede Elétrica de serviço Público

RMS Root Mean Square (valor eficaz)

RTIEBT Regras Técnicas das Instalações Elétricas de Baixa Tensão SE Subestação

SGCIE Sistema Geral dos Consumos Intensivos de Energia

STC Standard Test Conditions

TEP Toneladas Equivalentes de Petróleo

TIR Taxa Interna de Rentabilidade

TDD Total Demand Distortion

THD Total Harmonic Distortion

THDI Current Total Harmonic Distortion

THDV Voltage Total Harmonic Distortion

UE União Europeia

UPS Uninterruptible Power Supply

UTAD Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

VAB Valor Acrescentado Bruto

VAL Valor Atual Líquido

VEV Variador Eletrónico de Velocidade

WC Energia Ativa (W for Watt [potência ativa]) nas horas de Cheias

WSV Energia Ativa nas horas de Super Vazio

WVN Energia Ativa nas horas de Vazio Normal

WP Energia Ativa nas horas de Ponta

Lista de abreviaturas

Abreviatura Significado(s) cont. continuação cf. conferir

eq. equação

et al. e outros (autores) etc. etecetera, outros f.e.m. força eletromotriz fig. figura

f.m.m. força magnetomotriz i.e. isto é (de id est) p.ex. por exemplo p.u. por unidade q.d.t. queda de tensão vid. veja-se, ver

pg. páginas

Vs. versus, por comparação com Sw. software

1 Introdução (Capítulo 1)

A presente dissertação foi desenvolvida em ambiente empresarial, em contexto de traba-lho numa indústria das madeiras e do mobiliário, ao abrigo dum protocolo promovido pela dire-ção de MEEC (Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores) e a UTAD (Univer-sidade de Trás-os-Montes e Alto Douro).

Dada a atual conjetura nacional, existe hoje em dia um forte incentivo à promoção da efi-ciência energética, à racionalização de energia e à produção descentralizada de energia via fon-tes de energia renováveis. É nesta perspetiva que se enquadra a presente dissertação, nunca des-prezando também os aspetos ambientais e financeiros, que deverão articular-se sempre de modo estreito à política energética.

Neste capítulo será feito um enquadramento do trabalho desenvolvido, justificativo quanto à pertinência desta dissertação. São aqui apresentados os objetivos desta dissertação, bem como uma descrição da estrutura e conteúdos da mesma.

1.1 Enquadramento estratégico

1.1.1 Contexto atual do setor energético em Portugal

Desde 1973, aquando da primeira crise petrolífera mundial, a Comunidade Internacional (CI), e em particular a Europa, começou a tomar consciência da existência de uma forte depen-dência energética. No sentido de reduzir os elevados níveis de consumo que se verificam nos países industrializados, a par dos gravíssimos problemas ambientais que entretanto foram sendo detetados, efetuaram-se avultados esforços em quase todas as áreas relacionadas com consumos de energia, com vista uma utilização mais racional.

1.2 Âmbito

A gestão de energia é hoje em dia um fator a não menosprezar no setor industrial. As atuais exigências do mercado nacional têm feito com que o consumo e o custo da energia atual sejam fatores chaves de sucesso para as empresas nacionais. Torna-se, assim, essencial maximizar a eficiência na produção da eletricidade e racionalizar o seu consumo de modo a que as empresas possam vir a ser economicamente competitivas, ambientalmente mais racionais e socialmente mais equilibradas.

sus-Figura 1.1 – Triângulo da sustentabilidade [fonte: (Sá, 2010)].

O objetivo será otimizar o triângulo para que este seja equilátero. Este triângulo é cons-tituído pelos seguintes vértices (Sá, 2010):

 Ambiental, uma vez que a utilização da energia é a principal causa de stress ambiental;

 Económico, é justificado pelo facto da energia ser um fator chave para o cresci-mento macroeconómico;

 Social, dado que a energia é um principal pré-requisito às necessidades básicas humanas.

Figura 1.2 – Dimensão ambiental, económica e social do desenvolvimento sustentável. [fonte: (Sá, 2010)].

Segundo (Brundtland, 1987) a sustentabilidade pode ser definida como sendo a capaci-dade de satisfazer as necessicapaci-dades das gerações atuais sem comprometer as possibilicapaci-dades das gerações futuras. Atualmente o paradigma energético está voltado para a liberalização dos mer-cados de energia, descentralização, eficiência energética, adequação ambiental, qualidade de serviço, gestão de procura e participação.

Sócio-económico Eco- eficiência Susten- tabilidade Sócio ambiental Equilíbrio ambiental Progresso social Crescimento económico

Figura 1.3 – Estratégias de racionalização energética Vs. emissões de GEE até 2100 [Fonte: (Sá, 2010)].

Pode então definir-se a eficiência energética como sendo toda a redução do consumo de energia sem por em causa os serviços. Está diretamente relacionada com a utilização racional de energia (Ferreira, 1993).

Para identificar e implementar medidas de Oportunidade de Racionalização de Consumos (ORC) é necessário:

1. Conhecer as opções necessárias para intervir; 2. Conhecer os seus principais consumidores; 3. Conhecer as soluções existentes no mercado; 4. Garantir uma correta implementação;

5. Efetuar uma correta fiscalização das condições de operação e manutenção.

As reduções dos consumos de energia são conseguidas através da: 1. Eliminação de consumos supérfluos;

2. Recuperação de energia e perdas;

3. Adaptação funcional de equipamentos existentes; 4. Utilização de equipamentos de rendimento elevado.

Existem variadas formas de economizar energia: na sua produção; no seu transporte; na sua distribuição; na sua comercialização e no seu consumo.

A presente dissertação tem como principal objetivo evidenciar algumas potenciais aplica-ções de gestão de energia e de eficiência energética.

 Capítulo 1 – Introdução – Elucida as principais motivações e objetivos da disserta-ção, bem como a sua constituição;

 Capítulo 2 – Estado da Arte – Pesquisa bibliográfica que procura englobar o con-teúdo teórico base estudado para esta dissertação, legislação, normas europeias e programas de apoio;

 Capítulo 3 – Caracterização da Empresa em Estudo – Pretende dar a entender o regime de funcionamento da empresa em análise, bem como o processo fabril implementado, no entanto, sempre mantendo uma postura sigilosa, de forma a manter secreta a identidade da instituição em causa;

 Capítulo 4 – Auditoria Energética na Empresa em Estudo – Primeira abordagem ao caso de estudo desenvolvido, através da realização de uma auditoria energética, de acordo com o (DL, 71/2008). Apresentação dos valores de utilização por forma de energia, intensidade energética, carbónica e consumos específicos, bem como a análise dos serviços auxiliares.

 Capítulo 5 – Dimensionamento e Análise de Estratégias de Racionalização de

Energia e Eficiência Energética – Tendo por base os resultados obtidos no capítulo

4, apresentam-se os estudos de viabilidade técnico-económica de algumas tecnolo-gias existentes no mercado, na tentativa de ser reduzida a fatura energética, sem nunca esquecer as questões ambientais associadas;

 Capítulo 6 – Conclusões e Trabalho Futuro – Esclarece as principais ilações que, sob o ponto de vista do autor, justificam a pertinência das tecnologias tratadas no capítulo 5; tendo por base as tecnologias tratadas, “ficam no ar” algumas propostas de trabalho futuro.

2 Estado da Arte (Capítulo 2)

2.1 Gestão de Energia

A diversidade de formas de energia que são utilizadas numa instalação consumidora, como o caso de um estabelecimento industrial, e a complexidade das diferentes transformações que podem intervir na utilização da energia, justificam a necessidade de uma rigorosa gestão da energia nas empresas.

Existem inúmeros métodos de gestão que poderão ser aplicados e cada um deles pode ser desenvolvido com níveis de complexidade diferentes. Em qualquer circunstância o método e o nível de gestão deverá poder, sempre, dar satisfações às seguintes questões fundamentais:

 Conhecer os consumos de energia;  Contabilizar os consumos de energia;  Dispor de dados para decidir;

 Agir para otimizar;  Controlar as situações.

Nesse sentido, torna-se essencial que a escolha do método utilizado permita:

 A medida e a valorização da energia consumida, seja ao nível global, seja por setor produtivo da empresa;

 O cálculo do valor de energia transformada no seio da empresa;

 A determinação da parte de energia no preço de custo dos produtos fabricados;  A análise da situação existente para determinar as possibilidades de ação e fixar

as prioridades e as metas a atingir;

 A avaliação e o acompanhamento da rentabilidade dos investimentos em eficiên-cia energética.

Qualquer que seja o sistema adotado de gestão de energia a sua aplicação deverá sempre passar por uma fase prévia que corresponde ao conhecimento energético da instalação consumi-dora. Esta fase corresponde à elaboração de uma auditoria energética que deverá fornecer um conjunto muito importante de informações ao sistema organizado de gestão de energia, ou seja, ao método de gestão idealizado para implementar na instalação consumidora.

A auditoria energética, para além de determinar um conjunto importante de dados e parâmetros energéticos, deverá, ainda, quantificar para o ano de referência, ano zero, o valor das principais grandezas, parâmetros e indicadores que irão ser controlados no decorrer do processo de gestão de energia na empresa.

O modelo de gestão implementado deverá ser capaz de, a partir de informação recebida pela auditoria energética, desenvolver um conjunto de ações de controlo, associadas ao estabe-lecimento de metas a serem atingidas, que deverão permitir, basicamente:

 O tratamento da informação para produzir os indicadores energéticos convenien-tes ao método de gestão e ao seu nível de execução, como sejam, e.g. os consu-mos específicos;

 A valorização, em unidades monetárias (u.m.), dos consumos de energia determi-nados, ou medidos, com vista quantificar as despesas pelas várias formas de energia final utilizadas;

 A implementação de uma contabilidade energética que permita determinar, para cada centro de custos, a contribuição da energia na formação do custo final do produto;

 O estabelecimento de planos de racionalização dos consumos de energia com vis-ta a serem atingidas as mevis-tas previamente definidas, não esquecendo os planos de investimento necessários à concretização dos objetivos da gestão energética da empresa.

A figura 2.1, adaptada da norma EN 50001:2011, demonstra um exemplo de um sistema de gestão de energia.

Figura 2.1 – Modelo de um sistema de gestão de energia [fonte: (EN, 50001:2011)].

2.1.1 Auditorias Energéticas (AEs)

Tendo em consideração o aumento constante do consumo energético a nível nacional, a gestão de energia tornou-se, assim, um imperativo, através da criação de legislação que rege o

Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia (SGCIE), o Decreto-Lei n.º 71/2008, de

15 de Abril.

O SGCIE é aplicável a toda e qualquer instalação Consumidora Intensiva de Energia (CIE) que no ano civil imediatamente anterior tenha tido um consumo energético superior ou igual a 500 toneladas equivalentes de petróleo (tep). Este sistema tem como principais objetivos o incentivo à promoção da eficiência energética e a monitorização dos consumos energéticos de instalações CIE.

Nesse âmbito, todas as empresas do setor industrial deverão efetuar um levantamento energético às suas instalações de forma a verificar, numa primeira fase, se estas se tratam de CIE e se estão abrangidas pelo SGCIE.

Esta análise permitirá, entre outros aspetos:

 Identificar as possibilidades de melhoria dos rendimentos energéticos;  Analisar técnica e economicamente as soluções encontradas;

 Estabelecer metas de consumo sem efetuar alterações de processos;  Propor um programa para as ações e investimentos a apreender.

2.1.1.1 Âmbito de uma AE

As AEs permitem fornecer informação específica e identificar as possibilidades reais de economizar energia, consistem, basicamente, num exame crítico da forma como é utilizada a energia, com base no registo, tanto quanto possível rigoroso, dos consumos e custos.

Assim, uma AE tem por objetivos:

 Determinar as formas de energia utilizadas;

 Examinar o modo como a energia é utilizada e os respetivos custos;  Estabelecer a estrutura do consumo de energia;

 Determinar os consumos por processo, operação ou equipamento;

 Relacionar o consumo de energia com a produção e/ou como nível de funcio-namento da instalação;

 Identificar as possibilidades de melhoria dos rendimentos energéticos;  Analisar técnica e economicamente as soluções encontradas;

 Estabelecer metas de consumo de energia sem alterações de processo;  Propor um programa para as ações e investimentos a apreender;  Propor, se inexistente, um sistema organizado de gestão de energia.

ações a realizar de modo a que seja garantido o sucesso desta, ou seja, obter um conhecimento profundo do sistema energético em análise.

São vários os autores com estudos publicados sobre a metodologia de uma AE. No entanto, considera-se a AE a quatro fases como sendo a mais consensual pelos entendidos na área:

1. Planeamento e preparação da AE;

2. Intervenção no local da instalação a auditar; 3. Análise e tratamento da informação;

4. Elaboração do relatório da AE.

Assim, de acordo com (Ferreira, 1993) e (Thunmman et al., 2008), segue uma descrição mais detalhada sobre cada uma das fases de intervenção de uma AE.

2.1.1.2.1 Planeamento e preparação da AE

Esta fase é crucial para o bom desenrolar da AE, sendo normalmente constituída pelas seguintes tarefas:

 Visita prévia às instalações a auditar;

 Recolha dos dados correspondentes aos registos históricos dos últimos 24 meses de atividade;

 Estudo e análise do processo produtivo implementado nas instalações a auditar;  Levantamento das tecnologias de processo e das tecnologias energéticas,

dis-poníveis no mercado, caracterizadas por uma elevada eficiência.

A visita prévia permite um primeiro contacto com a instalação devendo ser feita, nesta fase, uma análise profunda sobre o/s processo/s produtivo/s da empresa a auditar. Nesta primei-ra visita deverão ser também analisados, caso existam, os pontos onde deverão ser realizadas medições e registos energéticos, permitindo, assim, uma previsão da duração da auditoria e a preparação de equipamentos de medição necessários.

2.1.1.2.2 Intervenção no local da instalação a auditar

Dada por concluída a primeira fase, deverá ser iniciada a fase de trabalho de campo que deverá, essencialmente, incidir na análise das condições de utilização da energia na instalação a auditar, procedendo a um conjunto de medições, registos e análises que deverão possibilitar:

 Caraterizar os equipamentos produtores e consumidores de energia, quanto ao seu consumo e à sua eficiência energética;

 Determinar os consumos de energia final, por forma de energia utilizada, em cada um dos setores produtivos da empresa;

 Quantificar as perdas de energia, controlando os fluxos de energia que entram, circulam e saem da instalação;

 Elaborar os balanços energéticos: térmicos; de massa; de energia, dos equipa-mentos ou processos com maior importância energética;

 Determinar os consumos específicos;

 Análise dos serviços auxiliares: Instalação de Ar Comprimido (AC), de frio e de vapor; Rede elétrica; Sistema de iluminação; Climatização;

 Verificação do estado das instalações de transporte e distribuição de energia;  Propor soluções técnicas, ou de gestão, conducentes à redução dos consumos de

energia, mantendo o mesmo nível de prestações;

 Propor, caso inexistente, a instalação de equipamentos de medida, de grandezas energéticas, em pontos estratégicos que permitirão fazer uma monitorização adequada à instalação consumidora quer na sua globalidade quer por setores produtivos da empresa.

2.1.1.2.3 Análise e tratamento da informação

Após a conclusão da segunda fase, deverá ser organizada toda a informação recolhida, nas fases anteriores, com vista ao seu adequado tratamento.

2.1.1.2.4 Apresentação de resultados / Elaboração do relatório da AE

Findo todo este processo, torna-se indispensável a elaboração de um relatório onde conste, de forma organizada, clara e concisa, toda a informação recolhida, a análise crítica sobre a situação energética da empresa, as situações encontradas, a identificação de anomalias e pro-postas de ações a executar consideradas mais convenientes de forma a anulá-las ou eliminá-las.

O relatório em causa deverá ser constituído da seguinte forma: 1. Sumário executivo;

2. Objetivos e enquadramento da auditoria; 3. Identificação da instalação;

4. Contabilidade energética;

5. Análise dos equipamentos de produção, distribuição e utilização da energia; 6. Cálculo dos consumos específicos de energia por produto fabricado e a sua

comparação com os valores legislados para o ramo/subsetor de atividade em causa.

7. Conclusões dos resultados obtidos;

8. Propostas de melhoria e custo/benefício das mesmas.

Nesta fase é também definido, no âmbito das propostas de melhoria, um plano de racio-nalização de consumo, no qual conste uma avaliação técnico-económica das soluções a

imple-2.2 Força Motriz

2.2.1 Impacto energético dos motores de indução trifásicos na indústria

O aumento da utilização de motores elétricos em larga escala verificado nos últimos anos, nos mais variados setores de atividade, são um fator conducente para um aumento do con-sumo de energia elétrica. De facto, de acordo com (Almeida et al., 2001) e (Hanitsch, 2002), estima-se que mais de 60% do consumo de energia elétrica, na maior parte dos países industria-lizados, esteja associado a aplicações de força motriz.

Segundo dados de (Keulenaer et al., 2004) a utilização de motores elétricos é responsá-vel por cerca de 65% do consumo de eletricidade verificado no setor industrial na União Euro-peia (UE), sendo, portanto, o principal tipo de carga elétrica a considerar.

Relativamente ao tipo de motores mais utilizados, considera-se que cerca de 90% sejam de Corrente Alternada (AC) de indução trifásicos, (Hanitsch, 2002). A estas máquinas está associado um grande número de vantagens, sendo de destacar a sua ampla versatilidade de apli-cações, uma gama de potências nominais que praticamente abrange todos os escalões e uma constituição relativamente simples, o que lhe confere grande robustez e baixos custos de fabri-co, em termos relativos.

É de salientar que a sua utilização, em grande escala, nos principais setores económicos torna evidente que, em termos energéticos, bastarão alguns pontos percentuais na melhoria do seu rendimento nominal para serem obtidas elevadas poupanças nos consumos de energia elétri-ca anualmente registados.

2.2.2 Motores de elevado rendimento (Energy Efficient Motors - EEMs)

Os EEMs têm um aspeto semelhante aos motores convencionais, no entanto, distin-guem-se dos outros por apresentarem custos de funcionamento mais baixos, devido a:

 Economia de energia – Perdas ativas mais baixas e aumento do FP;

 Maior tempo de vida – Devido às perdas reduzidas, os EEMs possuem uma temperatura de funcionamento mais baixa;

 Aumento da fiabilidade;

 São mais silenciosos, devido à menor potência de ventilação;  Suportam melhor as variações de tensão;

 Suportam melhor a presença de harmónicos.

No entanto os EEMs têm também os seus inconvenientes, tais como:  Diminuição do binário de arranque;

 Aumento da corrente de arranque;

 Diminuição do escorregamento, ou seja, um pequeno aumento da velocidade;  Maior volume;

 Mais caros, entre 25 a 30% do custo inicial de um motor convencional com as mesmas características, pois usam melhor qualidade e quantidade de matérias-primas.

Figura 2.2 – Curva caraterística binário/velocidade para motores de indução trifásicos EEM Vs. STD [fonte: (CCE, 2000)].

Pela análise da figura 2.2 constata-se que o ponto de funcionamento é dado pela interse-ção do das curvas caraterísticas referentes ao motor e à carga, neste caso trata-se do acionamen-to de um ventilador. De salientar que a velocidade de funcionamenacionamen-to do EEM é ligeiramente superior ao do motor standard, como anteriormente referido.

2.2.2.1 Classificação dos níveis de rendimento em motores de indução trifásicos

Os principais fabricantes europeus de motores elétricos, através do European Comittee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronic (CEMEP) e da Comissão Euro-peia (CE), chegaram a um acordo em relação a um sistema de classificação de motores, em fun-ção da sua eficiência energética.

Este acordo, assinado em 1998, refere-se, efetivamente, a motores de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo, do tipo blindado (IP54 e IP55), potências nominais entre 1,1kW e 90kW, 2 e 4 pólos, tensão e frequência nominais de, respetivamente, 400V e 50Hz. Os moto-res são do tipo N (IEC), com funcionamento em modo contínuo – S1 (IEC).

Mais recentemente, em Outubro de 2008, a International Electrotechnical Commission (IEC) estabeleceu novos standards relacionados com o rendimento dos motores, International

A determinação do rendimento está de acordo com as especificações da CEMEP, onde, de acordo com este sistema de classificação, os motores são agrupados em três classes; EFF1, EFF2, EFF3, apresentadas na tabela 2.1:

Tabela 2.1 – Classificação de motores de indução trifásicos de 2 e 4 pólos [fonte: (CEMEP, 1999)].

EFF3 EFF2 EFF1 EFF3 EFF2 EFF1

1,1 <76,2 ≥76,2 >82,8 1,1 <76,2 ≥76,2 >83,8 1,5 <78,5 ≥78,5 >84,1 1,5 <78,5 ≥78,5 >85,0 2,2 <81,0 ≥81,0 >85,6 2,2 <81,0 ≥81,0 >86,4 3 <82,6 ≥82,6 >86,7 3 <82,6 ≥82,6 >87,4 4 <84,2 ≥84,2 >87,6 4 <84,2 ≥84,2 >88,3 5,5 <85,7 ≥85,7 >88,6 5,5 <85,7 ≥85,7 >89,2 7,5 <87,0 ≥87,0 >89,5 7,5 <87,0 ≥87,0 >90,1 11 <88,4 ≥88,4 >90,5 11 <88,4 ≥88,4 >91,0 15 <89,4 ≥89,4 >91,3 15 <89,4 ≥89,4 >91,8 18,5 <90,0 ≥90,0 >91,8 18,5 <90,0 ≥90,0 >92,2 22 <90,5 ≥90,5 >92,2 22 <90,5 ≥90,5 >92,6 30 <91,4 ≥91,4 >92,9 30 <91,4 ≥91,4 >93,2 37 <92,0 ≥92,0 >93,3 37 <92,0 ≥92,0 >93,6 45 <92,5 ≥92,5 >93,7 45 <92,5 ≥92,5 >93,9 55 <93,0 ≥93,0 >94,0 55 <93,0 ≥93,0 >94,2 75 <93,6 ≥93,6 >94,6 75 <93,6 ≥93,6 >94,7 90 <93,9 ≥93,9 >95,0 90 <93,9 ≥93,9 >95,0 Potência (kW) Rendimento nominal (%)

Motores de 2 pólos Motores de 4 pólos Potência

(kW)

Rendimento nominal (%)

A tabela 2.2 compara o acordo voluntário da CEMEP com a norma IEC 60034-30.

Tabela 2.2 – Comparação entre normas da CEMP e IEC 60034-30 para classificação do rendimento de moto-res

CEMEP IEC Acordo voluntário 60034-30

1999 2008 1,1 - 90 0,75 - 315

Super Premium - IE4

Premium - IE3

Alto EFF1 IE2

Standard EFF2 IE1

Baixo EFF3 -Rendimento Gama de potências (kW) Ano Norma Organismo

O âmbito do novo standard é maior que o acordo CEMEP. A norma IEC 60034-30 abrange uma maior gama de motores:

 Motores de 2, 4 e 6 pólos;

 Potência nominal de 0,75 a 375 kW;  Tensão nominal até 1000 V;

Tabela 2.3 – Classes de rendimento IEC 60034-30: 2008 para motores a 50 Hz [fonte: (ABB, 2007)].

IE1 IE2 IE3 IE1 IE2 IE3 IE1 IE2 IE3

0,75 72,1 77,4 80,7 0,75 72,1 79,6 82,5 0,75 70 75,9 78,9 1,1 75,0 79,6 82,7 1,1 75,0 81,4 84,1 1,1 72,9 78,1 81 1,5 77,2 81,3 84,2 1,5 77,2 82,8 85,3 1,5 75,2 79,8 82,5 2,2 79,7 83,2 85,9 2,2 79,7 84,3 86,7 2,2 77,7 81,8 84,3 3 81,5 84,6 87,1 3 81,5 85,5 87,7 3 79,7 83,3 85,6 4 83,1 85,8 88,1 4 83,1 86,6 88,6 4 81,4 84,6 86,8 5,5 84,7 87,0 89,2 5,5 84,7 87,7 89,6 5,5 83,1 86 88 7,5 86,0 88,1 90,1 7,5 86,0 88,7 90,4 7,5 84,7 87,2 89,1 11 87,6 89,4 91,2 11 87,6 89,8 91,4 11 86,4 88,7 90,3 15 88,7 90,3 91,9 15 88,7 90,6 92,1 15 87,7 89,7 91,2 18,5 89,3 90,9 92,4 18,5 89,3 91,2 92,6 18,5 88,6 90,4 91,7 22 89,9 91,3 92,7 22 89,9 91,6 93,0 22 89,2 90,9 92,2 30 90,7 92,0 93,3 30 90,7 92,3 93,6 30 90,2 91,7 92,9 37 91,2 92,5 93,7 37 91,2 92,7 93,9 37 90,8 92,2 93,3 45 91,7 92,9 94,0 45 91,7 93,1 94,2 45 91,4 92,7 93,7 55 92,1 93,2 94,3 55 92,1 93,5 94,6 55 91,9 93,1 94,1 75 92,7 93,8 94,7 75 92,7 94,0 95,0 75 92,6 93,7 94,6 90 93,0 94,1 95,0 90 93,0 94,2 95,2 90 92,9 94 94,9 110 93,3 94,3 95,2 110 93,3 94,5 95,4 110 93,3 94,3 95,1 132 93,5 94,6 95,4 132 93,5 94,7 95,6 132 93,5 94,6 95,4 160 93,8 94,8 95,6 160 93,8 94,9 95,8 160 93,8 94,8 95,6 200 94,0 95,0 95,8 200 94,0 95,1 96,0 200 94 95 95,8 220 94,0 95,0 95,8 220 94,0 95,1 96,0 220 94 95 95,8 250 94,0 95,0 95,8 250 94,0 95,1 96,0 250 94 95 95,8 300 94,0 95,0 95,8 300 94,0 95,1 96,0 300 94 95 95,8 330 94,0 95,0 95,8 330 94,0 95,1 96,0 330 94 95 95,8 375 94,0 95,0 95,8 375 94,0 95,1 96,0 375 94 95 95,8 Motores de 6 pólos Potência (kW) Rendimento nominal (%) Potência (kW) Rendimento nominal (%)

Motores de 2 pólos Motores de 4 pólos Potência

(kW)

Rendimento nominal (%)

Figura 2.3 – Gráfico comparativo dos níveis de rendimento para motores de indução IEC 60034-30 [fonte: (ABB, 2007)].

Figura 2.4 – Gráfico comparativo dos níveis de rendimento para motores de indução EU/CEMEP [fonte: (ABB, 2005)].

2.2.3 Modelização do motor de indução trifásico

A modelização de qualquer sistema físico é sempre uma forma aproximada de represen-tar uma realidade. Quanto melhor for essa aproximação menos limitações serão conotadas ao modelo utilizado e, portanto, os resultados obtidos estarão mais próximos da realidade. Inevita-velmente, a aplicação destes princípios conduzirão a modelos matemáticos cada vez mais com-plexos, com um maior número de equações, bem como, um acréscimo de parâmetros a determi-nar. Deste modo, aumentam também os tempos de processamento necessários para obtenção de resultados.

Considerando as máquinas elétricas rotativas, a sua modelização pode ser feita através do cálculo da evolução temporal e espacial do seu campo magnético, ou através da análise das transferências de energia entre o rotor e o estator da máquina, por via do seu campo mag-nético.

A primeira hipótese referida, pelo elevado esforço computacional que exige, embora permita obter um conjunto de resultados mais detalhados, é, normalmente, utilizada na fase do projeto das máquinas elétricas.

A segunda hipótese é assente nas relações eletromagnéticas existentes entre os vários enrolamentos da máquina que traduzem os fenómenos energéticos existentes na mesma. No caso de um motor haverá a considerar a energia elétrica absorvida, perdas internas, energia acumulada nos campos magnéticos e energia convertida em mecânica.

Na figura 2.5 são representados os principais modelos matemáticos utilizados para o motor de indução trifásico com rotor em gaiola.

Figura 2.5 – Modelos matemáticos para o motor de indução [fonte: (Melo, 2004)]

Desta forma, na secção seguinte é apresentado o modelo do motor referido a um sistema de eixos ortogonal (d-q). Para tal, foi escolhido o método dos fasores especiais, pelas seguintes razões:

1. O conceito de fasor é particularmente atrativo na formulação matemática de equações elétricas e magnéticas em sistemas polifásicos;

2. É notória a passagem direta do modelo em termo de fasores especiais para o sis-tema de eixos (d-q).

2.2.3.1 Método dos fasores especiais

Pretende-se, neste ponto, apresentar as principais considerações teóricas em que assenta o método dos fasores especiais, bem como, as suas principais limitações (Kovacs, 1984) e (Melo, 2004).

1. Qualquer que seja a forma de onda da variação temporal das correntes que per-correm os enrolamentos da máquina, a distribuição espacial da f.m.m. resultante ao longo do entreferro é, em cada instante, do tipo sinusoidal;

2. Os enrolamentos de cada fase, no estator e no rotor, encontram-se distribuídos de forma simétrica, ao longo da circunferência respetiva. Genericamente, os m enrolamentos das m fases do estator ou do rotor, estão afastados entre si de