BENEFÍCIOSAMBIENTAISEENERGÉTICOSDAUTILIZAÇÃODATECNOLOGIALEDEM SISTEMADEILUMINAÇÃOPÚBLICA
MARCELAC.F.SILVEIRA,OSCARA.MALDONADOA.,SAULO G.P.CARVALHO,JOSÉL.SILVEIRA Laboratório de Eficiência Energética em Sistema de Iluminação Pública - LESIP, Departamento de
Engenharia Elétrica, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”
Av. Ariberto da Cunha, 333 – Pedregulho, 12.516-410, Guaratinguetá, SP, BRASIL
E-mails: marcelacassia@gmail.com, oscarama@feg.com.br, saulogpcar@hotmail.com, joseluz@feg.com.br
Abstract - This paper presents the results of the analysis of a scenario for the street lighting system where the mercury vapor lamps are replaced by solid-state LED technology. The lighting tends to expand with the growth of cities, and to meet this growth with sustainability, it is necessary to use new technologies that incorporate energy benefits, environmental and social. In the sector of Street Lighting, LED technology is presented as the best alternative current and future as demonstrated in this pa- per. In Brazil there are about 15 million points of street lighting being 5 million mercury vapor lamps. The results showed that these replacements have environmental benefits such as reducing greenhouse gases and the elimination of environmental conta- mination by improper disposal of mercury vapor lamps. The replacement also has energy benefits and quality of lighting: low power consumption, better index of color reproduction and reduced light pollution.
Keywords - environmental, street light, LED lamp, mercury vapor lamp, energy efficiency.
Resumo - Este trabalho apresenta os resultados da análise de um cenário para o sistema de iluminação pública onde as lâmpadas a vapor de mercúrio são substituídas por lâmpadas de estado sólido com tecnologia LED. A iluminação pública tende a expan- dir-se com o crescimento das cidades, e para atender a este crescimento com sustentabilidade, é necessária a utilização de novas tecnologias que incorporem benefícios energéticos, ambientais e sociais. No setor de Iluminação Pública, a tecnologia LED se apresenta como a melhor alternativa atual e futura como demonstrado neste trabalho. No Brasil existem cerca de 15 milhões de pontos de iluminação pública sendo que 5 milhões são de lâmpadas de vapor de mercúrio. Os resultados mostram que estas substituições apresentam benefícios ambientais tais como a redução dos gases de efeito estufa e a eliminação da contaminação do meio ambiente pelo descarte inapropriado das lâmpadas a vapor de mercúrio. A substituição também apresenta benefícios energéticos e de qualidade de iluminação: menor consumo de energia elétrica, melhor índice de reprodução de cores e diminui- ção da poluição luminosa.
Palavras-chave - meio ambiente, iluminação pública, LED, lâmpada vapor de mercúrio, eficiência energética.
1 Introdução
A preocupação com o uso racional dos recursos e- nergéticos vem aumentando a cada dia e a busca por alternativas ecologicamente correta e economicamen- te viáveis tornou-se uma prioridade para os setores diretamente envolvidos.
O governo brasileiro visando à eficiência energética no setor de iluminação pública promove o programa RELUZ do PROCEL/ELETROBRAS que realiza a substituição de lâmpadas de vapor de mercúrio por lâmpadas de vapor de sódio que são mais eficientes.
De acordo com o programa (Eletrobrás, 2010), existe cerca de 15 milhões de pontos de iluminação pública, sendo que 5 milhões são lâmpadas de vapor de mer- cúrio (LVM).
Este trabalho apresenta o estudo da substituição des- tes pontos de iluminação publica com lâmpadas de vapor de mercúrio por lâmpadas a Diodos emissores de luz, conhecidos pela sua sigla em inglês LED (li- ght emitting diode).
A tecnologia LED é escolhida em função do melhor desempenho e capacidade de atender as atuais neces- sidades ambientais, energéticas, luminotécnicas e econômicas. O cenário analisa a substituição basean-
do-se no projeto pioneiro do laboratório de eficiência energética em sistemas de iluminação pública - LESIP da instalação de lâmpadas LED na Ponte Ro- sinha Fellipo na cidade de Guaratinguetá SP.
A empresa de pesquisa energética do governo federal estima a redução do consumo de energia de 21 TWh até 2028, equivalente a instalação de usinas com ca- pacidade de 4.500 MW, (1,5 vezes a de Jirau que está sendo construída na Amazônia), em conseqüên- cia do aumento da eficiência dos eletroeletrônicos, investimentos industriais em redução de consumo de energia e a adequação de um código ambiental mais restritivo (Revista Sustentabilidade, 2010).
Se o governo incentivar a tecnologia LED para o sistema de iluminação pública ocorrerá uma maior redução do consumo de energia e também a redução de gás de efeito estufa, visto que serão poupados a construção de novas usinas geradoras de energia elé- trica.
Os LEDs são dispositivos opto-eletrônicos formados por uma junção de cristais semicondutores que, ao serem diretamente polarizados, emitem energia na forma de luz visível (Damato, et al.,2009)
As características apresentadas por um sistema de iluminação a LED como melhor cromaticidade da fonte de luz, redução da emissão de CO2 e vida útil longa, faz com que seja uma alternativa ambiental-
mente correta em sistemas de iluminação pública eficientes, como demonstrado neste trabalho.
2 Análises dos benefícios ambientais As lâmpadas de vapor de mercúrio apresentam os seguintes impactos negativos no meio ambiente: des- carte de mercúrio, emissão de radiação ultravioleta, radiação infravermelha e contribuição com a emissão de CO2 (dióxido de carbono) que é um dos gases que provoca o efeito estufa.
2.1 Contaminação por mercúrio
O mercúrio é um metal tóxico e é o único que volati- liza a temperatura ambiente. A lâmpada de vapor de mercúrio contém em média 0,013g a 0,080g de mer- cúrio.
A disposição inadequada deste material em lixões, aterros sanitários e outros causam prejuízo ao meio ambiente e ao homem. Ao final da sua vida útil as lâmpadas são, na maioria das vezes, destinadas aos aterros sanitários, contaminando o solo e, mais tarde cursos d’ água.
O vapor de mercúrio em contato com o ar tende a precipitar no solo e na água. Sendo que no solo pode fixar-se em matérias orgânicas (plantas, microorga- nismos, insetos); pode-se reduzir a sais ou formas orgânicas (extremamente perigosa); na água, mesmo em pequenas quantidades, representa um problema ecológico devido a sua bioconcentração, ou seja, a concentração de mercúrio aumenta nos organismos animais com a passagem através da cadeia alimentar, devido ao deposito do metal em vários tecidos vivos.
O mercúrio interage com compostos químicos e mi- croorganismos e gera metil-mercúrio com facilidade, a qual é a sua forma mais tóxica.
Além do mercúrio a lâmpada ainda contém: estrôn- cio, bário, ítrio, chumbo e vanádio. De acordo com a NBR 10.004 a lâmpada de mercúrio se enquadra co- mo Resíduo Classe I, ou seja, resíduo tóxico (Apli- quim, 2009).
Considerando uma quantidade média de 0,047g de mercúrio por lâmpada, a substituição pode evitar que 232,50 kg de mercúrio cheguem à natureza e que 705 kg de mercúrio se considerasse a vida útil do LED.
De acordo com a Apliquim o valor para descontami- nação da lâmpada vapor de mercúrio por unidade varia de R$ 1,00 a 1,20 sem considerar os custos de transporte.
Considerando o valor médio de R$ 1,10, o custo de descarte dos 5 milhões de pontos de iluminação pú- blica com lâmpada de vapor de mercúrio seria de R$
5.500.000,00 e se considerasse o período de 11 anos de vida útil do LED, a LVM seria substituída 3 ve- zes, e o custo total do descarte dessas lâmpadas seria de R$ 16.500.000,00.
2.2 Radiação Ultravioleta e Infravermelho
Nas lâmpadas de vapor de mercúrio a luz é produzida pela combinação de excitação e fluorescência. A des- carga de mercúrio no tubo de arco produz uma ener- gia visível na região do azul e do ultravioleta. O fós- foro, que reveste o tubo, converte o ultravioleta em luz visível na região do vermelho (Rodrigues, 2002).
A luz ultravioleta faz parte do espectro eletromagné- tico, com comprimentos de onda entre 100 e 400 nanômetros (nm). Quanto menor o comprimento de onda, maior a energia produzida.
Os raios ultravioleta, embora invisíveis, são seme- lhantes à luz visível, e abrangem vários comprimen- tos de onda e propriedades. UV-A e UV-B fazem parte do espectro ultravioleta e somos normalmente expostos a cada uma destas faixas todos os dias.
Tabela 1. Comprimento de onda dos raios ultravioleta Comprimento de Onda (nm) Denominação
100 a 280 UV-C
280 a 315 (320) UV-B
315 (320) a 400 UV-A
A figura 1 (Philips, 2009) mostra que a lâmpada de vapor de mercúrio emite radiação ultravioleta e in- fravermelho.
Na figura 2 essas radiações são demonstradas em forma de potencia, ou seja, 39 W (15,6%) da potên- cia de 250 W da lâmpada de vapor de mercúrio são convertidos em radiação ultravioleta e outros 39 W (15,6%) são convertidos em radiação infravermelha.
A radiação ultravioleta emitida da lâmpada de vapor de mercúrio atrai os insetos como os transmissores de doença leishmaniose e a doença de Chagas provo- cando o contágio da população (Bernardes, 2010).
A radiação infravermelha é absorvida pelo gás CO2
aquecendo o ambiente ao seu redor e contribuindo para o efeito estufa, já que este gás retém a radiação infravermelha na atmosfera (Jr. & Laçava, 2003).
Figura 1. Distribuição espectral de energia da lâmpada de mercú- rio de 250 W
Figura 2. Balanço energético da lâmpada de vapor de mercúrio de 250 W
A figura 3 (Bright LED Electronics CORP., 2009) mostra que a lâmpada LED não emite radiação ultra- violeta e infravermelha. Na figura 4 a ausência destas radiações é demonstrada, pois a potencia de entrada não é transformada em radiação ultravioleta e infra- vermelha.
Figura 3. Distribuição espectral de energia da lâmpada LED de 200 W
Figura 4. Balanço energético da lâmpada LED 200 W. Al*: Ali- mentação e Mt**: Manutenção
2.3 Emissão de Dióxido de Carbono
A produção de energia elétrica emite CO2 para a atmosfera, seja por origem térmica ou hidrelétrica.
De acordo com o relatório “Emissões de dióxido de carbono e de metano pelos reservatórios hidrelétricos brasileiro” (Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós- Graduação e Pesquisa em Engenharia COPPE, 2006),
a emissão de CO2 para a atmosfera é de 24,573 kg por MWh gerado.
A substituição de 5 milhões de pontos de iluminação pública com lâmpadas vapor de mercúrio por lâmpa- das LED reduziria 26.907,43 t por ano de CO2 emiti- do para a atmosfera.
E com a substituição destas lâmpadas, o Brasil pode beneficiar-se com a venda dos créditos de carbono e obter $ 269.074,30 por ano, supondo o preço de
$10.00 por tonelada de CO2.
A Fundação Clinton (2009) apóia um programa na cidade de Los Angeles – USA de substituição em 5 anos de 140.000 mil lâmpadas convencionais na ilu- minação pública para a tecnologia LED que é mais eficiente. E resultará na redução de 40.500 toneladas de CO2, uma vez que o projeto está completamente implantado.
3 Análise dos benefícios energéticos A substituição das lâmpadas vapor de mercúrio por LED é baseado nas análises realizadas pelo LESIP na implantação de um projeto pioneiro de instalação de um sistema de iluminação pública com a tecnologia LED na cidade de Guaratinguetá SP.
A lâmpada LED considerada por substituir a lâmpada vapor de mercúrio apresenta as seguintes característi- cas: boa cromaticidade, inibe a criminalidade e pro- move a valorização das áreas urbanas, do turismo e do lazer noturno, destacando monumentos, prédios, praças, área de lazer e parques, contribuindo para o desenvolvimento social e econômico da cidade e fa- cilitando a organização do sistema viário das cidades (Gianelli, et al., 2009), e eficiência energética.
3.1 Eficiência Energética
Uma lâmpada incandescente transforma apenas 5%
da energia que consome em luz. Uma lâmpada a vapor de mercúrio aproxima-se dos 15%, mas à custa da utilização de vapor de mercúrio em seu interior.
Os LEDs, por seu lado, têm taxas de eficiência entre 30 e 50%, dependendo da tecnologia com que são fabricados (Xie , et al., 2006). A eficiência luminosa do LED é em torno de 60 lm/W enquanto da lâmpada de mercúrio é de 50,8 lm/W.
O LED tem expectativa longa de vida mais de 50.000 mil horas enquanto a lâmpada de vapor de mercúrio tem em média 16.000 mil horas (Philips, 2009), com isso há redução do custo de manutenção.
4 Luminotécnica
O Índice de Reprodução de Cor (IRC) da lâmpada LED é 71 enquanto da lâmpada de vapor de mercúrio é 40, isto significa que enxergamos um objeto sob a luz da lâmpada LED com as cores mais próximas da luz natural do sol.
A poluição luminosa (PL) é o efeito produzido pela luz exterior mal direcionada, que é dirigida para ci-
ma, ou para os lados, em vez de iluminar somente as áreas pretendidas, e invade locais próximos aos pon- tos de iluminação acarretando em desconforto pela privação da escuridão absoluta.
A luz emitida para as regiões superiores e laterais reflete-se e difunde-se nas poeiras em suspensão no ar, tornando o céu noturno mais claro (Vrugt &
Verwimp, 1980), o que acontece com a lâmpada de vapor de mercúrio, pois a lâmpada LED emite luz na direção principal da região a ser iluminada, não oca- sionando a poluição luminosa.
As figuras 5 e 6 mostram a Distribuição de Iluminân- cia de ambas as lâmpadas.
Figura 5. Distribuição de Iluminância da lâmpada LED 250W
Figura 6. Distribuição de Iluminância da lâmpada Vapor de Mer- cúrio 250W
Figura 7. Escala de Curva de Iluminância
Um ensaio realizado no Laboratório de alta tensão, qualidade de energia e eficiência energética (LATQEEE) da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá (FEG – UNESP), utilizando um luxí- metro Chroma meter CL-200 Konica Minolta, le- vantou-se a distribuição de luz de uma luminária LED em relação ao centro da mesma (Gráfico 1).
Gráfico 1. Iluminância média (LUX) x distância ao centro da luminária (m)
Através do mesmo, constatou-se que para distâncias inferiores a 6,0 metros do centro da luminária, a iluminância média (Lux) atende a norma NBR 5101 (Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2010), que trata da iluminância das vias para trá- fego de veículos, de forma mais que satisfatória, tendo em vista que para vias de tráfego intenso a iluminância média mínima requerida é de 30 Lux (Gianelli, et al., 2009).
5 Viabilidade econômica
A vida útil da lâmpada LED é de aproximadamente 11 anos, com 12 horas de iluminação diária, enquan- to a lâmpada de vapor de mercúrio tem 3,65 anos.
Isso implica em uma grande redução no custo de ma- nutenção dessas lâmpadas, assim como na quan- tidade de resíduos na natureza.
A Tabela 2 apresenta uma comparação entre uma lâmpada LED e uma lâmpada de vapor de mercú- rio (Bright LED Electronics CORP., 2009 e Philips, 2009), ambas empregadas em iluminação pública, pela mesma é possível notar que mesmo sendo o custo de implementação da tecnologia LED relati- vamente superior ao das atuais tecnologias, é pos- sível notar que no decorrer de sua vida útil, 11 anos, a mesma acaba por se amortizar, tornando-se assim competitiva.
Tabela 2. Dados comparativo para análise de retorno de investi- mento
Descrição LED Vapor de
Mercúrio
Potência (W) 200 250
Lumens (lm) 12.000 12.700
Durabilidade (h) 50.000 16.000 Necessita reator/ignitor Não Sim
Operação da Tecnologia Consumo de energia mensal (kWh) por unidade
2,4 3
Consumo mensal, conside- rando 12h de iluminação diária (kWh)
72 90
Custo de energia elétrica
mensal, considerando R$ 36,00 45
0,50 por kWh por unidade (R$)
Custo da energia elétrica
para 50.000h (R$) 5.000,00 6.250,00 Trocas em 50.000h ou 139
meses 0 3
Valor total estimado das trocas: lâmpada, reator, igni- tor e luminária (R$)
0,00 395,00
Custo da implementação da tecnologia (Lâmpada e acessórios por unidade)
1.692,00 165,00
Custo total (operação e
implementação) 6.692,00 6.810,00 A tabela 3 mostra o comparativo dos valores da substituição dos 5 milhões pontos de iluminação pública.
Tabela 3. Vantagem e economia do LED Economia de po-
tência 50 W por unidade de lâmpa-
da Economia de ener-
gia em 1 ano 1.095.000 MWh
6 Conclusão
Neste trabalho é apresentado uma análise de cenário da substituição de LVM por lâmpadas a LED, basea- do em dados de laboratório e de campo de um pri- meiro projeto de Iluminação Pública com Tecnologia a LED desenvolvido e implantado pelo LESIP do da UNESP, campus de Guaratinguetá. Com base no que foi apresentado, conclui-se que o cenário sugerido é uma alternativa a ser considerada dentro do programa RELUZ do PROCEL-ELETROBRÁS.
Os resultados deste cenário mostram que, a substitui- ção dos 5 milhões de pontos ainda existentes na ilu- minação pública do Brasil com LVM por lâmpadas com tecnologia LED além de viável do ponto de vista econômico, apresenta uma importante contribuição no esforço global de melhoria do meio ambiente.
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