ANÁLISE DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM UMA INDÚSTRIA DE PALITOS

ANÁLISE DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM UMA INDÚSTRIA DE

PALITOS

Kleber David Belinovski, Décio Bispo, Sérgio Ferreira de Paula Silva Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia – UFU

Avenida João Naves de Ávila, 2121 – Campus Santa Mônica – Uberlândia – MG CEP- 38400-902

Abstract: This work presents an energy efficiency study performed in a wooden artifacts industry, aimed to minimize the waste and cost of energy without any energy rationing. The methodology that was used is based on the development of diagnostic energy for each type of equipment constituent of the complex electric of this industry. Moreover, it is also based on the subsequent economic analysis, in order to check the viability of actions and necessary investments for an efficient use of electricity. At the end of this work general indicators of consumption and of energy cost are presented before and after of the program implementation. Copyright © 2005 CBEE/ABEE.

Keywords: energy efficiency, factory, economic analysis, energy diagnostics.

Resumo: Este trabalho apresenta um estudo de eficiência energética realizado em uma indústria de artefatos de madeira, visando minimizar o desperdício e o custo da energia sem que haja racionamento energético. A metodologia utilizada baseia-se na elaboração de diagnósticos energéticos para cada tipo de equipamento constituinte do complexo elétrico desta fábrica. Além disso, baseia-se também na conseqüente análise econômica, de forma a verificar a viabilidade das ações e investimentos necessários ao uso eficiente da energia elétrica. Ao final deste trabalho são apresentados indicadores gerais de consumo e de custo da energia antes e depois da aplicação do programa.

Palavras Chaves: eficiência energética, fábrica, análises econômicas, diagnósticos energéticos.

1 INTRODUÇÃO

Os indicadores relacionados ao uso final da energia mostram que a classe industrial é a de maior consumo no país, chegando a 46% do total consumido, segundo dados da Empresa de Pesquisa Energética – EPE, sendo também responsável por expressiva parcela de desperdício (MARQUES, 2006). Assim, um estudo detalhado de conservação procura verificar condições de operação dos equipamentos e especificá-los de maneira aperfeiçoada, e assim proporcionar instalações modernas, econômicas e eficientes. Esse estudo é de interesse das próprias empresas e das entidades governamentais através da minimização dos desperdícios e redução dos custos e investimentos setoriais evitando danos ao meio ambiente com a construção de outras usinas (PROCEL, 2008).

2 INFORMAÇÕES SOBRE A

EMPRESA

A “A Rela” Indústria e Comércio S/A produz os Palitos Gina e fornece os palitos de picolé à Kibon, além de fabricar prendedores de roupa, abaixadores de língua, e outros artefatos de madeira. Constitui o maior fabricante de palitos de mesa e de sorvete do país, detendo cerca de 60% do mercado nacional e já produziu mais de 100 bilhões de palitos em 61 anos de atividade. Atualmente, gera cerca de 500 empregos diretos, com mão-de-obra predominantemente feminina. O parque industrial processa grande quantidade de madeira e tem importância nacional no setor em que atua, unindo instalações antigas e modernas, permitindo assim diversas avaliações concernentes à eficiência energética.

3 AUDITORIA ENERGÉTICA

É preciso conhecer, diagnosticar a realidade energética, para então estabelecer as prioridades, implantar os projetos de melhoria e redução de perdas e acompanhar seus resultados em um processo contínuo. (MARQUES, 2006).

De forma a conhecer a realidade energética da fábrica, diferentes investigações foram realizadas, incluindo um levantamento da carga elétrica instalada e a verificação de setores com maior consumo de energia. Estas averiguações constataram que a implantação de um programa de eficiência energética na “A Rela S.A.” é economicamente viável. Esta conclusão está fundamentada na grande quantidade de motores, na presença de uma extensa linha de distribuição de ar comprimido, e em indícios de gestão energética inadequada. Pode-se observar na Fig. 1 um diagrama que demonstra uma estimativa dos principais fluxos de potência dentro da indústria, sendo este basicamente composto pelos motores, compressores e sistema de iluminação. Diante do exposto, foram então propostas ações de forma a identificar e quantificar o potencial de economia de energia em cada um dos setores.

Figura 1: Principais fluxos de potência na indústria.

4 DIAGNÓSTICOS ENERGÉTICOS

Os diagnósticos energéticos devem analisar todos os pontos que apresentem possibilidade de economia, e identificar e quantificar todos os valores estimados de redução de energia e/ou custos (MARQUES, 2006). Assim, foram estudados os contratos de fornecimento de energia, os motores, e o sistema de ar comprimido.

4.1 Contrato de fornecimento de

energia elétrica

A empresa possui dois alimentadores, um para a serraria e outro para fábrica de palitos, ambos enquadrados no subgrupo A4. Em um dos alimentadores a demanda máxima raramente se aproximava da demanda contratada, enquanto que no outro havia frequentemente cobrança de multa por ultrapassagem. O fator de carga de ambos é pouco elevado, e a empresa pagava cerca de 50% do faturamento relativo ao horário de ponta, sendo que esse período equivale a apenas aproximadamente 10% do tempo de fornecimento de energia. Foram então criadas situações onde o contrato de demanda fosse adequado e o perfil de carga fosse alterado com o deslocamento de cargas do horário de ponta (HP). O deslocamento consiste em interromper o funcionamento

das principais máquinas no HP, e transferir o seu consumo para outros horários fora de ponta (HFP) como turnos de madrugada ou finais de semana, onde o custo seja menor. Assim procedendo, deve-se utilizar das tarifas aplicadas pela concessionária responsável (nesse caso a CEMIG), e simular o importe utilizando-se das equações gerais para cada modalidade tarifária. Cabe ressaltar que a “A. Rela” utilizava a tarifa verde e, com o novo perfil, verificou-se a aplicabilidade da tarifa azul, que permite a contratação de dois valores de demanda, diminuindo assim os custos do HP, aumentando os valores de fator de carga e consequentemente diminuindo o custo unitário da energia (R$/kWh). Os resultados obtidos indicam o consumo mensal antes, e depois da alteração. Para o alimentador da Fábrica esses indicadores podem ser observados na Fig. 2.

Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr 30000 40000 50000 60000 70000 80000

Custo da Energia na Fábrica

Tarifa Verde Tarifa Azul

R

$

Figura 2: Custo da energia na fábrica de palitos.

A figura permite verificar que, mesmo sem reduzir o consumo da energia, apenas realizando o deslocamento de cargas, pode-se conseguir uma economia de 35,06% no custo da energia anual, o que equivale a R$ 261.092,89. Esses mesmos indicadores podem ser observados para o alimentador da serraria na Fig. 3

Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr 7000 9000 11000 13000 15000 17000

Custo da Energia na Serraria

Tarifa Verde Tarifa Azul

R

$

Figura 3: Custo da energia na serraria.

Novamente, verifica-se que o deslocamento de cargas resulta em uma economia de 19,33% no custo da energia anual, o que equivale a R$ 31.268,58. Considerando-se ambos alimentadores, a economia chega a R$ 292.361,47 anuais, não exigindo nenhum investimento inicial.

4.2 Motores

Os motores de indução trifásicos processam cerca de 25% da energia elétrica consumida no Brasil (PROCEL, 2008). A importância destes equipamentos na matriz energética induziu o governo brasileiro a

investir no aperfeiçoamento do projeto destes motores. A melhoria de rendimento está associada ao uso de materiais magnéticos mais desenvolvidos e mais caros, implicando em altos custos (MARQUES, 2006). Após vários estudos, surgiram em diversos fabricantes os motores de alto rendimento.

Esses motores em geral apresentam características específicas que fazem com que acionem a mesma carga, porém absorvendo uma potência elétrica menor da rede. Consequentemente ele funcionará sob uma menor temperatura de trabalho resultando numa vida útil maior e menor necessidade de manutenção. Teoricamente, qualquer substituição de motor da linha padrão por alto rendimento traz economia de energia, mas nem sempre a troca é viável economicamente. Quanto maior o tempo de funcionamento, e maior a potência, mais rápido acontecerá o retorno dos investimentos. Haverá casos, porém, em que o retorno acontecerá em um tempo muito grande, maior do que a vida útil do equipamento, caracterizando assim a inviabilidade da troca (FREITAS, 2008).

Entre os problemas mais comuns nas indústrias, há o superdimensionamento dos motores, sendo que para cargas abaixo de 70% da nominal os motores apresentam rendimento consideravelmente menor. Por esses motivos, foi proposta uma análise do carregamento dos motores da indústria, e posteriormente um estudo de substituição dos motores da linha padrão por motores da linha de alto rendimento. O estudo consiste em realizar a leitura de corrente de linha nas três fases do motor, obter a média e assim determinar o carregamento dos motores (MEDEIROS, 2008), através das curvas de desempenho fornecidas pelo fabricante, conforme a Fig. 4.

Entrando-se com o valor da corrente verificada (Ponto I) na curva de corrente, é possível determinar o Ponto II, que está relacionado com a potência que está sendo acionada no eixo do motor. Dependendo do carregamento do motor, deve-se prosseguir com a análise de eficiência energética. Portanto, a partir do Ponto II, eleva-se uma reta vertical interceptando as curvas de fator de potência e de rendimento, conforme Fig. 5.

Figura 4: Determinação do carregamento.

Figura 5: Determinação do fator de potência e rendimento.

A escolha de um motor mais adequado pode ser feita através do cálculo da potência real solicitada pela carga, que é calculada multiplicando-se a potência nominal do motor pelo seu carregamento.

A partir desse valor, escolhe-se o motor imediatamente superior ao mesmo. Em seguida, calcula-se o rendimento do novo motor, dado pela relação entre a potência real e a potência deste último. E utilizando a curva característica a partir do carregamento do novo motor encontra-se a corrente, o rendimento e o fator de potência do mesmo (MEDEIROS, 2008).

Sendo assim, foi realizada esta análise para todos os motores da fábrica de potência nominal maior ou igual a 5 cv, perfazendo um total de 58 máquinas. Dessas, 15 estavam superdimensionadas (carregamento entre 0 e 50%), 17 apresentavam necessidade de diagnóstico energético (carregamento entre 50 e 75%), 13 estavam bem dimensionadas, e outras 13 restantes estavam subdimensionadas.

4.3 Ar Comprimido

Nos diversos processos industriais, os sistemas de ar comprimido desempenham papel fundamental na produção e representam parcela expressiva do consumo energético das instalações. Porém, nem sempre estas instalações recebem os cuidados devidos, passando a ser uma fonte constante de desperdícios (ZAPPELINI, 2008).

Seus principais componentes incluem compressores, motores e acionamentos, equipamentos de tratamento de ar, reservatório e acessórios. A distribuição transporta o ar comprimido dos reservatórios alimentados pelos compressores aos pontos de uso final, devendo ser fornecido na pressão adequada às aplicações de uso final. Sistemas de ar comprimido são largamente utilizados em quase todos os setores industriais e seu campo de aplicação é bastante grande e cresce dia a dia (MARQUES, 2006). Tal como ocorre com os equipamentos eletromecânicos, os sistemas de ar comprimido industriais necessitam de manutenção periódica para operar com eficiência elevada e minimizar as paradas não programadas. Muitos problemas são secundários e podem ser corrigidos com

simples ajustes, limpeza, substituição de peças ou eliminação de condições adversas.

Para o caso em estudo, as máquinas são novas e de qualidade. A sala de compressores possui boas condições e é coberta, mantendo ventilação, e temperatura ideais. Porém, observa-se que a tubulação que distribui o ar comprimido da fábrica é muito extensa e apresenta grande quantidade de curvas que provocam elevadas perdas. Além disso, há uma quantidade significativa de vazamentos de ar, que contribuem ainda mais com o desperdício de energia elétrica, pois solicitam maior potência dos motores para manter a pressão desejada. Já que os parâmetros como pressão e temperatura de entrada foram considerados ideais, o único problema a ser observado está relacionado aos vazamentos.

O caudal de vazamento é dado por (ZAPELLINI, 2008): total i i c V

t

t

V

V

∑

=

⋅

=

5 1 ₍₁₎ Onde: V

V

- Caudal do Vazamento; c

V

_{- Vazão nominal do compressor;}

∑

= 5 1 i i

t

- Tempo de funcionamento em carga;

total

t

- Tempo de medição total.

O custo anual da perda por vazamento é calculado utilizando-se a expressão apresentada adiante:

100 % V ac V V C C _{= ⋅} (2) Onde: V

C

_{- Custo da perda por vazamentos;}

ac

C

_{- Custo anual de geração de ar}

comprimido; % V

V _{- Percentual de perdas por vazamento.}

ac

C

_{é dado por:} kWh c m ac

P

t

C

C

=

⋅

⋅

₍₃₎ Onde: m P _{- Potência média;} c

t _{- Tempo de carga do compressor;}

kWh

C

_{- Custo unitário da perda por vazamento.}

Através desse método pode-se então determinar as perdas por vazamentos dos compressores da fábrica. Há dois compressores de 30 cv, com vazão nominal de 3,511 m³/min cada, regulados para entrar em funcionamento quando a pressão estiver entre 6,8 bar e 7,5 bar. Os valores de tempo medidos podem ser observados adiante: 142 1 = t s, t2=92 s, t3=92 s, t4=91 s, t5=91 s. Logo: min 467 , 8 508 91 91 92 92 142 5 1 = = + + + + =

∑

= s t i i

O tempo total verificado foi de: min 38 , 10 623 = = s ttotal

Sendo assim pode-se então determinar a vazão decorrente dos vazamentos:

864 , 2 38 , 10 467 , 8 511 , 3 5 1 = = =

∑

= total i i c Vaz _t t V V [_m3/min_]

O percentual das perdas por vazamento é dado por: % 79 , 40 511 , 3 511 , 3 864 , 2 100 % = + = = total Vaz Vaz V V V

O custo anual da perda por vazamento é dado por: 71 , 394 . 14 $ 100 79 , 40 81 , 35289 100 % R V C C Vaz anual Vaz = = = Onde, 81 , 289 . 35 $ 22 , 0 . 3360 . 925 , 0 736 , 0 . 30 2 R C t P Canual = m c kWh = =

Portanto, anualmente os vazamentos estão consumindo uma quantidade de energia equivalente a R$14.394,71 ou R$1.199,56 mensais. Devido à impossibilidade de correção de 100% dos vazamentos na prática, admite-se que os vazamentos sejam de até 5%. Sendo assim, orienta-se para a correção de pelo menos 95% dos vazamentos, o que causará economia também de 95% de C_VAZ. Esse procedimento pode provocar, portanto

economia de R$ 13.674,02/ano, ou 62154,63 kWh/ano.

5 ANÁLISE ECONÔMICA

Esse estudo visa determinar diversos fatores gerados pela aquisição de um equipamento mais eficiente, como tempo de retorno (simples e capitalizado), energia economizada na vida útil, e valor retornado.

5.1 Tempo de retorno simples

É o tempo necessário para que o capital investido na aquisição de um equipamento mais eficiente seja retornado na forma de parcelas mensais que deixarão de ser pagos na conta de energia (economia mensal). O tempo de retorno simples não considera a capitalização do valor da economia mensal (taxa de juros zero) e é dado pela seguinte expressão:

$ RS R mensal

C

t

Eco

∆

=

(4) Onde: RS

t

- Tempo de retorno simples; C

∆ - Custo do investimento;

$

R mensal

Eco - Economia por mês em reais;

5.2 Tempo de retorno capitalizado

O tempo de retorno capitalizado considera uma determinada taxa de juros devido ao fato de que a economia será auferida em parcelas mensais, cujo valor presente será menor. Considerando uma taxa de juros i em valores percentuais e considerando k períodos pode-se pode-ser calcular o tempo de retorno capitalizado através da expressão abaixo: $ $ log 100 log 1 100 R mensal R mensal RC Eco i Eco C t i        _{− ∆ ⋅}    = _{ } +     (5) Onde: RC

t

- Tempo de retorno capitalizado;

i

- Taxa de juros;

5.3 Energia Economizada ao longo da

vida útil

A energia economizada ao longo da vida útil do equipamento é dada por:

VU ano U

Eco =Eco ⋅V (6)

Onde:

VU

Eco - Economia de energia na vida útil; ano

Eco - Economia de energia anual;

U

V

- Vida útil do equipamento em anos.

5.4 Valor líquido capitalizado

retornado ao longo da vida útil

O valor capitalizado retornado ao longo da vida útil é dado pela equação (7), a seguir:

$ 1 1 100 1 100 100 m LC R mensal ir ir V Eco ir _{ }  + −            = +  ⋅   (7) Onde: ' _RC m Vu t= − (8)

ir

- Taxa de rendimento ao mês.

m

- Quantidade de meses depois de pago o

custo do investimento.

'

Vu

- Vida útil do equipamento em meses.

5.5 Aplicação da análise econômica

para o sistema de ar comprimido

e os motores

Como exemplo de aplicação da análise econômica, utilizar-se-á um motor de 1,5cv. Assim, utilizando as expressões descritas acima, e as seguintes estimativas:

• Custo do motor da linha padrão (1,5cv): R$200,00;

• Custo do motor alto rendimento (1,5cv): R$260,00;

• Taxa de juros de 1% ao mês; V_esp=R$0,30;

• Vida útil média de motores: 13,3 anos;

Tem-se que: 173,6 ano Eco ₌ kWh e Eco =% 4, 2%; $ $52, 08 R anual

Eco =R e EcoR mensal$ =R$ 4,34;

14 meses RS t = , i =_L 0,7984%, t =_RC 15 meses, 2308,88 VU Eco = kWh, VLS=R$632,66, V =LC R$1409,57.

Para a análise econômica dos motores da fábrica, foram verificados 58 motores, e o estudo indicou que apenas 12 deles retornariam o capital investido na troca durante a vida útil. Os resultados da análise econômica podem ser observados na Tabela 1.

Tabela 1: Resultado para análise de motores

Fábrica e Serraria

Investimento Inicial estimado: R$13.084,33;

Tempo de retorno simples: 2,64 anos;

Tempo de retorno capitalizado: 2,68 anos;

Energia anual economizada: 22556,38 kWh;

Valor retornado capitalizado na vida útil:

R$42.778,60

Para o sistema de ar comprimido, a correção poderá ser realizada por empresa especializada terceirizada, ou por funcionários da própria empresa. Esses custos envolvem mão-de-obra e materiais. O custo relativo à mão de obra consiste na determinação do custo homem-hora e da quantidade necessária de homem-homem-hora para a realização da manutenção. Admitindo que o gasto de materiais seja de R$1.000,00, e que sejam necessários 360 homem-hora, e que ainda, o custo do homem hora seja de R$7,22, estima-se que para a correção dos

vazamentos, o investimento total seja de

aproximadamente R$3.600,00. Foi realizada então uma análise econômica para o sistema de ar comprimido considerando o investimento necessário para a correção dos vazamentos, que pode ser observada na Tabela 2.

Tabela 2: Resultado da análise econômica para os compressores

Fábrica

Investimento Inicial estimado: R$3.600,00;

Início do retorno: Imediato;

Tempo de retorno simples: 4 meses;

Tempo de retorno capitalizado: 4 meses;

Energia anual economizada: 62154,63 kWh;

Energia economizada na vida útil; 654305,454kWh;

Valor retornado capitalizado na

vida útil: R$393.165,92

Economia anual estimada: R$13.674,02

É possível verificar que com um valor de investimento de R$3.600,00 é possível recuperar rapidamente o capital, pois o retorno nesse caso é elevado, e também pode-se perceber que a economia anual estimada de R$13.674,02 supera em muitas vezes o valor do investimento inicial.

6 INDICADORES ENERGÉTICOS

Considerando a economia devido ao novo faturamento e à economia de energia proporcionada pelas ações nos motores e compressores, pode-se determinar os indicadores de consumo e custo global para a fábrica e serraria, considerando os períodos antes e depois da aplicação do programa de eficiência energética. A Fig. 6 e a Fig. 7 ilustram esses indicadores.

Antes do Programa Depois do Programa

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2290,78 _2206,07

Consumo Anual Antes e Depois da Aplicação do Programa de Eficiência Energética

M

W

h

Figura 6: Consumo anual antes e depois da aplicação do programa de eficiência energética.

Antes do Programa Depois do Programa

0 200 400 600 800 1.000 907 596 Custo Anual Antes e Depois da Aplicação

do Programa de Eficiência Energética

R $1 .0 00 ,0 0

Figura 7: Custo anual antes de depois da aplicação do programa de eficiência energética.

7 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Todos esses aspectos mostram que a aplicação da eficiência energética é totalmente viável, tendo como exemplo o estudo energético presente, onde com um baixo investimento é possível conseguir redução nos custos em energia de aproximadamente 35% (o que equivale a cerca R$311.000,00 anuais), apresentando benefícios tanto para a fábrica quanto para o setor energético brasileiro. Sugere-se que em futuros estudos sejam realizados os diagnósticos energéticos dos equipamentos restantes, que exigem maior quantidade de recursos, aumentando ainda mais os resultados já obtidos nesse trabalho.

8 REFERÊNCIAS

Marques, M. S. C. e Outros (2006). Conservação de

Energia: Eficiência Energética de Equipamentos e instalações. 3. ed. Itajubá: FUPAI.

Procel, Centrais Elétricas Brasileiras. Programa

Nacional de Conservação de Energia Elétrica. Disponível em: <www.eletrobras.com/procel>. Acesso em: 29 maio 2008.

Freitas, P. C. F. e Outros. (2008). Análise comparativa

dos rendimentos dos motores da linha padrão e de alto rendimento sob o enfoque da eficiência energética. In: Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, Belo Horizonte, p. 1 - 4.

Medeiros, A. H. P. e Outros. (2008). Estudo da

eficiência energética e dimensionamento de motores de indução trifásicos a partir da plotagem de suas curvas características. In: Conferência de Estudos em Engenharia Elétrica, Uberlândia, p. 1 - 4.

Zappelini, A. B. (2008)Análise de eficiência energética

em sistemas de ar copmprimido. 2008. 158 f. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia-MG.