Relatório Final
Estudo de Atualização - 2014
CONTRIBUIÇÕES DO COBRE AO
COMBATE AS MUDANÇAS CLIMÁTICAS
ESTIMATIVAS PARA PAÍSES DA AMÉRICA LATINA
Equipe International Energy Initiative (IEI) Coordenador prof. Dr. Gilberto M. Jannuzzi Consultor técnico Dr. Conrado A. Melo
Conteúdo
1. Sumário Executivo ... 4
2. Objetivos da atualização ... 6
3. Metodologia ... 7
3.1. Tecnologias de uso final ... 8
3.2. Condutores elétricos aplicados em edificações ... 8
4. Eficiência energética e conteúdo de cobre ... 12
4.1. Motores elétricos ... 12
4.2. Refrigeradores ... 13
4.3. Condicionadores de ar ... 14
4.4. Transformadores de distribuição ... 14
4.5. Aquecedores solares de água ... 15
4.6. Condutores elétricos ... 15
5. Resultados ... 17
6. Considerações finais ... 20
7. Referências ... 21
8. Anexos ... 22
8.1. Anexo 1 – Período de avaliação e fatores de emissão ... 22
Lista de Tabelas
Tabela 1– Resultados de conservação de energia: eletricidade e GLP ... 5
Tabela 2– Resultados de mitigação de emissões de CO2 ... 5
Tabela 3– Condutores elétricos: resultados de conservação de energia e mitigação de emissões de CO2 ... 6
Tabela 4– Escopo do projeto: equipamentos, países e tipos de estudo ... 6
Tabela 5– Parâmetros de rendimento e cobre adicional nos casos Baseline e Eficiente ... 13
Tabela 6– Mercado de motores elétricos no Brasil e no México ... 13
Tabela 7– Uso adicional de Cobre por componente em um refrigerador de 480 litros .. 13
Tabela 8- Perdas medias dos transformadores monofásicos e trifásicos conforme revisão NBR5440/2010 ... 14
Tabela 9- Conteúdo de cobre nos transformadores representativos monofásicos e trifásicos ... 14
Tabela 10- Premissas adotadas para caracterização de edifícios representativos ... 16
Tabela 11– Resultados de conservação de energia: eletricidade e gás ... 18
Tabela 12– Resultados de mitigação de emissões de CO2 ... 18
Tabela 13 – Indicadores médios de energia conservada e mitigação por cobre adicional e por equipamento ... 19
Tabela 14– Períodos de avaliação* dos impactos dos programas de eficiência energética ... 22
Tabela 15– Resultados de mitigação de CO2 do programas desenvolvidos pela ICA LA ... 23
Lista de Figuras
Figura 1 - Brasil: Indicador Z (gCO2/mh) em função de S (2,5 - 30mm2) ... 11Figura 2- Brasil: Indicador Z (gCO2/mh) em função de S (95 - 1000mm2) ... 11
1. Sumário Executivo
Este estudo de atualização visa oferecer uma perspectiva mais recente da contribuição do incremento do uso de cobre, em tecnologias energéticas, para a redução de emissões de CO2 em países da América Latina, a saber, Argentina, Brasil, Chile, Colômbia, México e Peru. No estudo realizado no ano de 2012 e intitulado “Contribuições do Cobre ao Combate as Mudanças Climáticas - Estimativas para Países da América Latina" foram avaliados motores elétricos, refrigeradores, aparelhos de ar condicionado, aquecedores solares, fontes alternativas de geração de eletricidade e transformadores de distribuição. Esta nova etapa, além de avaliar os mesmos equipamentos estudados anteriormente, também inclui o caso dos condutores elétricos de cobre aplicados em circuitos elétricos de edificações. Novamente a análise fundamenta-se no fato de que tecnologias energéticas mais eficientes no uso de energia demandam maior conteúdo de cobre em sua fabricação quando comparados a tecnologias ineficientes. Os novos impactos estimados são contabilizados com base em recentes mudanças nos mercados, tanto em relação ao volume de vendas anuais como em relação a mudança na eficiência energética das tecnologias. Também são considerados novos desenvolvimentos nos programas de eficiência energética dos países avaliados.
As economias totais de energia elétrica e de gás GLP nos países conforme os equipamentos avaliados estão mostrados na Tabela 1. Estes resultados referem-se a contabilização cumulativa da energia conservada anualmente desde o início de cada programa até o ano de 2013 (Ver Tabela 14 do Anexo 1). O Brasil é o país onde a penetração das tecnologias eficientes proporcionou as maiores quantidades de conservação de eletricidade (cerca de 125 TWh), com destaque para a penetração de motores elétricos eficientes que representou aproximadamente 99TWh de energia economizada. O país que se destaca em segundo lugar na conservação de eletricidade é o México, que contabilizou uma economia de aproximadamente 65TWh. Adicionalmente, esse país também conservou cerca de 642 mil toneladas de gás devido a substituição desse energético por aquecimento solar de água.
A Tabela 2 mostra os resultados de mitigação das emissões de CO2. O México representa cerca de 72,8% do total de redução contabilizado nos países analisados. Além da existência de um mercado maior de equipamentos nesse país em relação aos outros países (exceto Brasil), esse país apresenta a matriz de geração elétrica com o maior fator de emissões de CO2. Apesar do Brasil possuir a matriz de geração elétrica mais limpa dentre os países avaliados, esse país ficou em segundo lugar na redução das emissões (cerca de 21,9% do total). Isso reflete a grandeza do mercado Brasileiro quando comparado aos outros países. O equipamento que resultou nas maiores reduções foram os motores elétricos (84% do total). Estes foram seguidos pelos refrigeradores, os quais foram responsáveis por 8% na redução das emissões. No entanto, a substituição de gás por aquecedores solares também teve um papel muito significativo. A aplicação de desses equipamentos representou 4% do total de redução
das emissões com destaque para o México que sozinho contabilizou 72,9% deste total. Porém, no Chile e Peru os aquecedores também tiveram um papel muito expressivo. Estes foram os maiores responsáveis pela redução nas emissões desses países, alcançando 26,6% e 41,7% respectivamente.
Tabela 1– Resultados de conservação de energia: eletricidade e GLP
Energia conservada Argentina Brasil Chile Colômbia México Peru Total Motores Elétricos (GWh) 230 99.161 585 1.668 59.646 481 161.772
Refrigeradores (GWh) 645 16.208 393 432 3.380 158 21.216
Ar condicionado (GWh) 944 3.608 186 239 1.995 32 7.005
Aq. Solar (Ton de gás -exceto Brasil - kWh ) - 4.304 67.557 - 338.441 57.039 Transformadores de distribuição (GWh) 269 30 26 202 34 562 Total eletricidade (GWh) 1.819 123.550 1.194 2.365 65.224 706 194.858 Total gás GLP (T) - 67.557 - 338.441 57.039 463.038
Tabela 2– Resultados de mitigação de emissões de CO2
Redução de Emissões (Ton CO2)
Argentina Brasil Chile Colômbia México Peru Total Total (%) Mot. Elétricos 99.770 8.692.784 260.505 292.212 31.333.368 144.757 40.823.397 84% Refrigerad. 279.956 1.393.498 174.129 75.568 1.775.398 49.351 3.747.900 8% Ap de ar cond. 409.415 309.809 82.367 41.808 1.046.704 9.844 1.899.948 4% Aq. Solares - 348.947 205.002 - 1.026.994 173.084 1.754.027 4% Transf. de dist. 74.132 49.451 14.995 366.818 37.897 543.293 1% Total 789.142 10.819.170 771.453 424.583 35.549.282 414.934 48.768.565 100% Total (%) 1,6% 22,2% 1,6% 0,9% 72,9% 0,9% 100,0%
Para o caso dos condutores elétricos são mostrados na Tabela 3 os resultados das estimativas de impactos potenciais em termos de conservação de energia e redução das emissões de CO2. Neste caso, foram considerados duas tipologias de edificações ("Mínima" e "Máxima", as quais são descritas em detalhes na seção 3.6) para o desenvolvimento de um exercício ilustrativo cujo objetivo foi a determinação da magnitude dos impactos da substituição de condutores elétricos baseados no dimensionamento técnico pelo dimensionamento econômico. Os impactos da substituição da seção dos condutores foram significativos e variaram entre 618 MWh até 3.974 MWh por edifício ao longo de sua vida útil. O balanço entre a redução das emissões durante a vida útil de operação dos condutores e o aumento das emissões na fabricação destes é positivo e muito significativo, totalizando um potencial que pode variar entre 58 toneladas de CO2 e 362 toneladas de CO2 por edifício ao longo de 50
anos. A Tabela 3 também apresenta estimativas para um conjunto de 500 edifícios, sendo que neste caso os impactos variam entre 309 GWh e 1.987 GWh e 29.229 toneladas de CO2 e 181.141 toneladas de CO2.
Tabela 3– Condutores elétricos: resultados de conservação de energia e mitigação de emissões de CO2
Edifício Vida útil: 50 anos Energia conservada (MWh) Ganho ambietal (Ton de CO2) Aumento das emissões na fabricação (Ton de CO2) Emissões líquidas (Ton de CO2) Estimativa para 500 edifícios (Energia conservada MWh) Estimativa para 500 edifícios (redução de emissões Ton de CO2) "Mínimo" 618,98 58,51 0,05 -58,46 309.491,10 29.229,32 "Máximo" 3.974,52 375,72 13,43 -362,28 1.987.258,64 181.142,24
2. Objetivos da atualização
O foco desta atualização é a incorporação de dados recentes sobre os mercados dos equipamentos avaliados, o que inclui mudanças em parâmetros técnicos de eficiência energética, assim como, a incorporação da avaliação sobre condutores elétricos aplicados a circuitos elétricos de edificações. Deste modo, são apresentados resultados mais recentes relativos a contribuição do uso do cobre para a redução das emissões de CO2, que é o principal Gás de Efeito Estufa (GEE). O recorte da análise inclui: a) equipamentos elétricos mais eficientes, a saber: motores elétricos, refrigeradores e aparelhos de ar condicionado; b) a utilização de aquecedores solares de água em substituição ao uso da eletricidade e do gás GLP (gás liquefeito de petróleo); c) aplicação de transformadores de distribuição de eletricidade com menores perdas de energia e; d) redução de perda Joule com aplicação de condutores elétricos de maior seção transversal. A Tabela 4 mostra a lista de equipamentos avaliados, os países e o tipo de estudo realizado1.
Tabela 4– Escopo do projeto: equipamentos, países e tipos de estudo
Equipamentos Países avaliados
Motores elétricos Argentina, Brasil, Chile, Colômbia, México e Peru Transformadores de distribuição Brasil, Chile, Colômbia, México e Peru
Refrigeradores Argentina, Brasil, Chile, Colômbia, México e Peru Condicionadores de ar Argentina, Brasil, Chile, Colômbia, México e Peru Aquecedores solares de água Brasil, Chile, México e Peru
Condutores elétricos Brasil (exemplo ilustrativo)
1
Adicionalmente foi também estimado a provável contribuição dos programas fomentados pelo ICA LA para as economias de energia e redução de emissões (V. Anexo 3, pag 25).
Na seção 3 são apresentados os métodos de análise aplicados e os detalhamentos das informações, assim como as premissas aplicadas nas estimativas. Na seção 4 são mostrados os resultados das estimativas. Na última seção são colocadas as considerações finais do trabalho e alguns exemplos ilustrativos que evidenciam melhor os impactos contabilizados.
3. Metodologia
A metodologia aplicada no presente estudo segue em linhas gerais a metodologia aplicada no estudo anterior. Porém, devido a maior disponibilidade de dados, tanto técnicos quanto de mercado, o método para contabilização dos impactos aplicado aqui é mais desagregado e incorpora mudanças anuais das diversas variáveis e parâmetros utilizados nos modelos. Adicionalmente também foi desenvolvida metodologia específica para contabilização da redução das emissões para o caso dos condutores elétricos. Os períodos de avaliação variam para cada país e equipamento estudado. Esses períodos iniciam-se conforme o início das atividades de fomento da eficiência energética desenvolvidas pela ICA LA e Procobre e finalizam no ano de 2013. A Tabela 14 do Anexo 1 mostra uma tabela com descrição detalhada dos períodos de avaliação. Fundamentalmente são aplicadas duas etapas metodológicas. Maiores detalhes do desenvolvimento metodológico são descritos a seguir.
Etapa 1 – Análise de indicadores de eficiência energética e conteúdo de cobre
Esta primeira etapa de análise tem por objetivo avaliar para cada equipamento a relação entre a eficiência energética e o conteúdo de cobre. O desenvolvimento desta etapa é baseado na atualização da revisão da literatura nacional e internacional. Esta literatura abrange relatórios científicos, estudos oficiais, artigos indexados e livros correlatos. Os detalhes dessa avaliação para cada equipamento analisado são descritos no capítulo 4.
Etapa 2 – Contabilização dos impactos energéticos e de redução das emissões de CO2
Nesta etapa são contabilizados, a partir do mercado equipamentos (estoque em operação baseado nas vendas anuais), os impactos de conservação de energia (eletricidade e gás) devido a penetração de equipamentos eficientes no consumo de eletricidade, aquecedores solares e condutores elétricos de maior seção transversal. Para tanto, utilizou-se as informações obtidas na Etapa 1. São utilizados dois modelos para contabilização das emissões, um referente as tecnologias de uso final e outro referente aos condutores elétricos. A Figura 3 do Anexo 1 mostra os fatores anuais de emissão resultante da geração elétrica dos países avaliados.
3.1. Tecnologias de uso final
O modelo utilizado para contabilização da mitigação das emissões de CO2 para cada tecnologia de uso final de energia avaliada é dado pela Equação 1.
(1)
Onde:
- Me é a mitigação total de emissões de CO2 do equipamento e que é proporcionada pela redução na demanda por eletricidade desde o ano de início da penetração de equipamentos eficientes até o ano de 2013;
- En,e é a conservação de energia proporcionada no ano n pelo equipamento e; - Pn é a perda de energia no sistema elétricos no ano n;
- FEn é o fator de emissões de CO2 da matriz elétrica no ano n.
A energia conservada pelo equipamento e no ano n (En,e) é contabilizada pela equação 2.
(1)
Onde:
- Mn é o mercado, ou seja, as vendas o equipamento e no ano n;
- %EqEn é a porcentagem de equipamentos eficientes e vendidos no ano n - Cei é o consumo do equipamento padrão;
- Ceficiência energética é o consumo do equipamento eficiente;
Destaca-se que neste modelo, no caso de equipamentos elétricos, as emissões são contabilizadas na geração de eletricidade, logo são considerados os fatores de perdas dos sistemas elétricos de cada país considerado na análise. Apenas no caso da substituição de queima direta de gás por aquecedores solares de água as emissões são estimadas considerando o total de gás conservado multiplicado pelo fator de emissões do gás.
3.2. Condutores elétricos aplicados em edificações
Em circuitos elétricos de edificações que operam em baixa tensão a perda Joule (perda de energia elétrica por dissipação de calor no cabos elétricos) é contabilizada conforme indicam as equações 3, 4 e 5. Essas equações evidenciam alguns parâmetros e variáveis que influenciam na contabilização das perdas joule nos circuitos de uma
edificação. Para uma edificação qualquer, conforme mostra a equação 1, o número de condutores por fase, o número de circuitos, a corrente elétrica de projeto, o tempo de operação dos circuitos, além da resistência são determinantes nos cálculos das perdas joule de uma edificação. No entanto, a determinação da resistência desses circuitos depende, além do comprimento do cabo e de sua seção transversal, da resistividade, que em condições reais varia com a temperatura ambiente conforme explicitado nas equações 4 e 5.
Onde,
E = energia dissipada no condutor, [Wh];
Np = número de condutores de fase por circuito;
Nc = número de circuitos que levam o mesmo tipo e valor de carga; R = resistência elétrica do condutor, [Ω];
Imax = corrente de projeto máxima prevista para o circuito, [A]; Δt = intervalo de tempo de circulação da corrente Imax [h].
Onde,
ρ20 = resistividade elétrica do material condutor a 20°C [Ω m]; B = fator considerado igual a 1 no caso de baixas tensões;
α20 = coeficiente de temperatura para a resistência do condutor a 20ºC [K-1]; θm = temperatura média de operação do condutor [K];
S = seção condutor [mm2] L= comprimento do circuito [m];
Onde,
θ = temperatura máxima nominal do condutor para o tipo de cabo considerado [K]; θa = temperatura ambiente média [K].
Apesar da facilidade de cálculo da perda joule total de uma edificação qualquer onde são conhecidos os parâmetros e variáveis apresentados nas equações 1, 2 e 3, a estimativa dessas perdas totais no caso de um estoque diverso de edificações (prédios comerciais de escritório, shoppings, hospitais, escolas, etc..) sem o conhecimento das dimensões (comprimento e seção transversal) dos cabos, assim como de outros parâmetros de projeto como a corrente elétrica que opera em cada circuito torna o
trabalho de estimativa dessas perdas totais para o estoque um trabalho impraticável. Nesse contexto, propõe-se aqui um método para determinação de um indicador que relacione diretamente a redução das perdas joule devido ao aumento da seção transversal dos cabos elétricos de cobre com a redução das emissões de CO2 na geração de eletricidade.
A diferença de perda joule para dois cabos quaisquer de seção Sb (seção no caso base) e Sm (seção maior) mantendo os outros parâmetros constantes pode ser contabilizada pela equação 6.
Onde,
ΔE = redução de perda joule, [Wh];
Eb = energia dissipada no condutor de seção b, [Wh]; Em = energia dissipada no condutor de seção maior, [Wh];
ρp = resistividade elétrica do cobre calculada nas condições de cada país avaliado [Ω m];
I = corrente de projeto prevista para o circuito, [A];
A diferença de perda joule devido a substituição ou aplicação de cabo um cabo de seção maior em relação a um cabo de seção menor esta relacionada a redução das emissões de CO2 conforme indica a equação 7.
Onde,
Z1 = redução de emissões, [g CO2];
Fp = fator de perdas do sistema elétrico de cada país, [%]; Kp = [g CO2/Wh]
Considerando um metro de cabo operando durante uma hora e substituindo a equação 4 na equação 5 obtêm- se a equação 8.
A partir da equação 6 é possível verificar o comportamento do indicador de redução das emissões (Z) para cada metro de cabo operando durante uma hora em função da diferença de seção transversal. As Figuras de 1 e 2 mostram para o caso do Brasil o
comportamento de Z em gCO2/m.h em função da variação da seção transversal para três intensidades de corrente elétrica, 20A, 40A e 60A para seções transversais (S) variando de 2,5mm2 a 30mm2 e corrente elétrica de 100A, 150A e 200A para seções transversais (S) variando de 95mm2 a 1000mm2. As Figuras de 1 e 2 evidenciam que o comportamento de Z em função de ΔS é fortemente dependente da corrente elétrica (o que já era esperado uma vez que a equação 8 apresenta Z dependente do quadrado da corrente elétrica do projeto).
Figura 1 - Brasil: Indicador Z (gCO2/mh) em função de S (2,5 - 30mm2)
Figura 2- Brasil: Indicador Z (gCO2/mh) em função de S (95 - 1000mm2)
Adicionalmente também é contabilizado o impacto do aumento da seção dos condutores quando dimensionados pelo critério econômico no aumento nas emissões de CO2 no processo de fabricação destes. A contabilização abrange desde a fase de extração do metal condutor na mina até o descarte do produto após sua utilização (ciclo de vida do produto). Isso se deve ao fato de que seções maiores utilizam mais materiais e, consequentemente, mais energia é consumida na fabricação e demais
etapas da vida do produto. O principal aumento nas emissões de CO2 devido ao aumento da seção ocorre na produção do cobre, desde a mina até a fabricação do elemento condutor do cabo. O aumento anual das emissões de CO2 neste caso é dado pela equação 9:
Onde:
Z2 = quantidade anual de aumento de emissões de CO2, [kg- CO2];
W1 = peso do condutor por unidade de comprimento dimensionado pelo critério técnico (menor seção), [kg/km];
W2 = peso do condutor por unidade de comprimento dimensionado pelo critério econômico (maior seção), [kg/km];
L= comprimento do cabo, [km];
KF = emissões de CO2 no momento da produção do cobre por quilo de cobre, [kg- CO2/kg-Cu]. Este valor varia conforme a característica da matriz energética de cada país e do processo de extração e fabricação do metal, sendo maior nos casos onde fontes primárias de energia são mais poluentes (combustíveis fósseis) e menor onde as fontes primárias são mais limpas e renováveis (hidráulica, solar, eólica, etc.). No caso do Brasil, onde a maioria do cobre utilizado nos condutores elétricos é importada do Chile, recomenda se utilizar K2 = 4,09 kg- CO2/kg-Cu que é aquele correspondente à produção do catodo de cobre eletrolítico realizada naquele país.
4. Eficiência energética e conteúdo de cobre
4.1. Motores elétricos
A avaliação da contribuição de motores elétricos eficientes, neste estudo de atualização, considera 4 equipamentos equivalentes que representam as diversas categorias encontradas nos mercados dos países analisados. Os 4 modelos considerados possuem rendimentos (eficiência energética) médios baseados em padrões internacionais: 1) IE0 - padrão de eficiência mínima conforme estabelecido pelo decreto 4508/2002 da Lei de eficiência energética Brasileira e; 2) IE1, IE2 e IE3 - os quais correspondem a médias de rendimento ponderado baseados nos rendimentos descritos na norma internacional IEC 60034-30 da "International Electrotechnical Commission" (IEC). Os casos Baseline são caracterizados por motores de menor eficiência conforme os mercados de cada país. A Tabela 5 mostra uma síntese dos parâmetros considerados em cada país para a contabilização da energia conservada resultante da diferença entre o caso Baseline e Eficiente. A Tabela 6 mostra a participação no mercado de motores elétricos por potência nos casos do Brasil e do México. Para os demais países as estimativas consideram como equipamento representativo o mesmo aplicado para o caso do Brasil.
Tabela 5– Parâmetros de rendimento e cobre adicional nos casos Baseline e Eficiente
País Período Baseline (rendimento) Eficiente (rendimento) Cobre adicional Argentina 2007-2013 IE0 (80,5%) IE2 (85,9%) 3,6
Brasil 2002-2005 IE0 (80,5%) IE1(82,5%) 1,26
2006-2013 IE1(82,5%) IE2 (85,9%) 2,34
Chile 2007-2013 IE1(82,5%) IE2 (85,9%) 2,34
Colômbia 2006-2013 IE1(82,5%) IE2 (85,9%) 2,34
México 2006-2013 IE1(83,7%) IE3 (89,1%) 3,33
Peru 2007-2013 IE1(82,5%) IE2 (85,9%) 2,34
Tabela 6– Mercado de motores elétricos no Brasil e no México
Faixas de Potencia Participação no mercado - Brasil Participação no mercado - México
1. Até 1cv (Carcaça 63 e acima) 33,77% 7,68%
2. Acima de 1 cv até 10 cv 50,92% 82,13% 3. Acima de 10 cv até 40 cv 11,47% 8,44% 4. Acima de 40 cv até 100 cv 2,73% 1,29% 5. Acima de 100 cv até 300 cv 0,99% 0,44% 6. Acima de 300 cv 0,13% 0,02% Fonte: Garcia (2003) 4.2. Refrigeradores
Refrigeradores altamente eficientes no uso da eletricidade são fabricados com maior aplicação de cobre em diversos de seus componentes. Os compressores são os componentes com uso mais intenso do cobre e a diferença de uso desse metal condutor em um equipamento eficiente pode ser superior a 20% em relação a um equipamento menos eficiente. A Tabela 7 mostra, para o caso de um equipamento padrão o uso adicional de cobre em cada um dos componentes de um refrigerador de 480 litros. Este equipamento que tem um aumento de 22% na sua eficiência energética utiliza 386,45g de cobre adicionais.
Tabela 7– Uso adicional de Cobre por componente em um refrigerador de 480 litros
Componente Peso (g) Eficiente + 22% (g) Diferença (g)
Chicote 101,42 123,7324 22,3124
Tubo serviço compressor 25,8 31,476 5,676 Tubo serviço filtro secador 26,34 32,1348 5,7948
Filtro secador 76,12 92,8664 16,7464
Fio terra 18,32 22,3504 4,0304
Plast-plug 41,88 51,0936 9,2136
Evaporador (ponta linha de sucção + capilar) 166,72 203,3984 36,6784
Compressor 1300 1586 286
Total 1757 2143 386,45
4.3. Condicionadores de ar
Os aparelhos de ar condicionado ou condicionadores de ar são utilizados para o tratamento do ar em espaços fechados. Esse tratamento consiste em regular a qualidade do ar interior, no que diz respeito às suas condições de temperatura, umidade, limpeza e movimento. Para tal, um sistema de condicionamento de ar pode incluir as funções de aquecimento, arrefecimento, umidificação, renovação, filtragem e ventilação do ar.
Não foram encontrados estudos referenciando a relação entre o uso adicional de cobre e a eficiência energética de aparelhos de ar condicionado. Um equipamento padrão de 17.700 BTU/h contém cerca de 3,64 kg sendo que para sua instalação existe uma demanda adicional de 1,56 kg, o que totaliza 5,2 kg cobre por equipamento instalado.
4.4. Transformadores de distribuição
Transformadores de distribuição são projetados para elevar ou reduzir a tensão para atender necessidades específicas das redes elétricas. Contudo, a utilização desses equipamentos introduz perdas elétricas no sistema. Para exemplificar, essas perdas representam aproximadamente 30% das perdas totais do sistema elétrico de distribuição no Brasil CEPEL (2008). Segundo dados do CEPEL (2008) no ano de 2007, somente no Brasil o estoque de transformadores instalados era de 1,55 milhões de transformadores monofásicos e 1,10 milhões de transformadores trifásicos. Diferentemente do estudo anterior, onde foi realizada uma avaliação do potencial de conservação de energia considerando o estoque total de equipamentos somente para o caso brasileiro, neste estudo apresentamos estimativas dos impactos da penetração de transformadores de distribuição eficientes conforme a revisão NBR5440/2010 implementada no Brasil. As Tabela 8 e 9 mostram, respectivamente, as perdas médias dos modelos representativos (ponderada pela participação das vendas por categorias - kVA) e o conteúdo médio de cobre dos modelos representativos.
Tabela 8- Perdas medias dos transformadores monofásicos e trifásicos conforme revisão NBR5440/2010
Perda equivalente (W) Vazio Carga ineficiente eficiente ineficiente eficiente Monofásico 69,46 53,80 282,26 255,83
Trifásico 269,06 239,53 1204,23 1141,00
Tabela 9- Conteúdo de cobre nos transformadores representativos monofásicos e trifásicos
Conteúdo de Cobre (kg) ineficiente eficiente diferença Monofásico 10,51 12,87 2,36
4.5. Aquecedores solares de água
As placas coletoras são responsáveis pela absorção da radiação solar. O calor do sol, captado pelas placas do aquecedor solar, é transferido para a água que circula no interior de suas tubulações de cobre. Um sistema básico de aquecimento de água por energia solar é composto de coletores solares (placas) e reservatório térmico (Boiler). O reservatório térmico, também conhecido por Boiler, é um recipiente para armazenamento da água aquecida. São cilindros de cobre, inox ou polipropileno, isolados termicamente com poliuretano expandido sem CFC, que não agride a camada de ozônio. Desta forma, a água é conservada aquecida para consumo posterior. A caixa de água fria alimenta o reservatório térmico do aquecedor solar, mantendo-o sempre cheio. Em média é sabido que cada metro quadrado de aquecedor solar instalado demanda 5kg de cobre.
4.6. Condutores elétricos
O cobre é amplamente aplicado em sistemas elétricos devido sua excelente condutividade elétrica (p.e. a resistividade do alumínio é 65% mais alta que a do cobre) e por ser bem mais barato quando comparado a outros condutores como a prata e o ouro. Sistemas elétricos prediais, também chamados de instalações elétricas prediais são constituídos basicamente por dispositivos de proteção (disjuntor termomagnético e fusível), quadro de distribuição e dois tipos principais de circuitos elétricos: 1) circuitos terminais, os quais alimentam diretamente os equipamentos elétricos, por exemplo, lâmpadas, motores e tomadas; e 2) circuitos alimentadores, também chamados de circuito de distribuição principal, divisionário, circuito subalimentador. Os circuitos elétricos terminais utilizam, geralmente, cabos elétricos com área de seção transversal menores, as quais variam, na maior parte dos casos, entre 2,5 mm2 e 6 mm2, dependendo da potência instalada que deve ser alimentada pelo circuito e pelas limitações de dimensionamento dos eletrodutos e porcentagem de ocupação destes pelos cabos elétricos. Por outro lado, os circuitos alimentadores, geralmente são construídos com cabos de seção transversal maior, as quais podem variar entre 10mm2 a 1000 mm2.
Para a determinação da seção transversal necessária a cada circuito geralmente aplica-se critérios de dimensionamento técnico baseados na capacidade de condução de corrente elétrica nos circuitos. Esse tipo de método visa estimar a seção mínima de cabo para atendimento da corrente desejada. No entanto, esta análise deixa de considerar outros fatores importantes no dimensionamento dos cabos, como a resistência elétrica, a qual implica maior perda de energia através do efeito Joule, a menor vida útil dos cabos que trabalham em maiores temperaturas e o aumento dos riscos relacionados a possibilidade de curtos circuitos. Outro método que pode ser aplicado é o dimensionamento econômico e ambiental, onde são considerados
parâmetros econômicos referentes as perdas de energia ao longo da vida útil de operação das edificações e as respectivas reduções nas emissões de CO2 (Copper e Procobre, 2011).
O cálculo da perda Joule total de uma edificação requer o conhecimento de parâmetros e variáveis como: número de condutores por fase, o número de circuitos, a corrente elétrica de projeto, o tempo de operação dos circuitos e a resistência, a qual, por sua vez, depende do comprimento e da área de seção transversal dos cabos e de sua resistividade, que em condições reais varia com a temperatura ambiente. A estimativa dessas perdas totais no caso de um estoque diverso de edificações (prédios comerciais de escritório, shoppings, hospitais, escolas, etc.) sem o conhecimento dessas informações referentes as peculiaridades de cada projeto torna o trabalho de estimativa dessas perdas totais um trabalho impraticável. Nesse contexto, propõe-se aqui, em caráter ilustrativo, a resolução de um exercício para a contabilização dos impactos potenciais da aplicação de cabos com maior seção transversal em edificações com parâmetros médios descritos na Tabela 10.
Tabela 10- Premissas adotadas para caracterização de edifícios representativos
Hipóteses adotadas Edifício "mínimo" Edifício "máximo" Área total 3.000m2 40.000m2 Carga anual Constante Constante Tipo de tensão Baixa tensão (380V) Baixa tensão (380V) Número de condutores por fase 3 (trifásico) 3 (trifásico) Corrente elétrica máxima de
projeto 150A 300A
Número total de circuitos
alimentadores (seção > 10mm2) 20 60 Total de circuitos substituídos
(critério econômico) 10% 10% Mudança de seção dos cabos
(técnica»econômica) 2: 10mm
2
»25mm2 6: 95mm2»400mm2 Comprimento dos cabos 50 m 200m Perdas na cobertura e armação Desprezível Desprezível Efeito de proximidade e pelicular Desprezível Desprezível Tempo de operação dos circuitos
por ano 4000 horas 4000 horas Temperatura ambiente média 313,15 K 313,15 K Temperatura média de operação 329,82 K 329,82 K Temperatura máxima nominal 363,15 K 363,15 K Coeficiente de temperatura do
condutor elétrico (20)
0,0068K-1 0,0068K-1 Resistividade elétrica corrigida do
condutor () 2,2925*10
-8
As informações utilizadas para construção do exercício ilustrativo buscam descrever dois tipos de edifícios representativos, onde os valores dos parâmetros aplicados nos cálculos são baseados em alguns estudos de caso reais. O objetivo aqui é contabilizar a dimensão dos impactos em termos de conservação de energia e redução das emissões de CO2 em um conjunto de edifícios do tipo comercial/escritório que, por hipótese, buscam maior adequação a quesitos de eficiência energética, inclusive relativa as instalações elétricas, conforme indicam algumas normas, por exemplo, LEFICIÊNCIA ENERGÉTICA D e etiqueta PROCEL Edifica. São considerados dois casos, o caso do edifício representativo "mínimo" e o caso do edifício representativo "máximo", onde, respectivamente, os parâmetros utilizados nos cálculos são minimizados e maximizados buscando estimar uma faixa de valores referentes aos possíveis impactos potenciais. A substituição dos cabos toma por base um cenário Baseline onde o dimensionamento é baseado na NBR 5410 (dimensionamento técnico) e um cenário Eficiente onde o dimensionamento do cabo segue a Norma NBR 15920 (dimensionamento econômico).
5. Resultados
Dentre os países avaliados destacam-se os casos do Brasil e do México onde as iniciativas voltadas ao aumento da eficiência energética tiveram maiores impactos em
termos de conservação de energia e de redução de emissões de CO2. Além de serem
os países com maiores populações (199 milhões no Brasil e 119 milhões no México), o que reflete-se em maiores mercados de equipamentos elétricos e de aquecedores solares a gás, também se verifica nesses países maior atenção dada a eficiência energética, como, por exemplo, a implementação de mecanismos de políticas públicas voltados ao estabelecimento de padrões mandatórios de consumo energético que impõem indicadores mínimos de eficiência energética ou consumo máximo de energia. A Tabela 11 mostra os resultados de conservação de energia resultantes das iniciativas de eficiência energética.
A Tabela 12 mostra os resultados de mitigação das emissões de CO2. O México representa cerca de 72,9% do total de redução contabilizado nos países analisados. Esse país apresenta a matriz de geração elétrica com maior fator de emissões de CO2. Apesar do Brasil possuir a matriz de geração elétrica mais limpa dentre os países avaliados, esse país ficou em segundo lugar na redução das emissões (cerca de 22,2% do total). Isso reflete a grandeza do mercado Brasileiro quando comparado aos outros países. O equipamento que resultou nas maiores reduções foram os motores elétricos (84% do total). Estes foram seguidos pelos refrigeradores, os quais foram responsáveis por 8% na redução das emissões. Adicionalmente destaca-se que a substituição de gás por aquecedores solares também teve um papel muito significativo. A aplicação de desses equipamentos representou 3% do total de redução das emissões no México, país que sozinho contabilizou 59% do total de mitigação referente a utilização de
aquecedores solares. Porém, no Chile e no Peru os aquecedores também tiveram um papel muito expressivo. Estes foram os maiores responsáveis pela redução nas emissões desses países, alcançando 26,6% e 41,7% respectivamente.
Tabela 11– Resultados de conservação de energia: eletricidade e gás
Energia conservada Argentina Brasil Chile Colômbia México Peru Total Motores Elétricos (GWh) 230 99.161 585 1.668 59.646 481 161.772
Refrigeradores (GWh) 645 16.208 393 432 3.380 158 21.216
Ar condicionado (GWh) 944 3.608 186 239 1.995 32 7.005
Aq. Solar (Ton de gás -exceto Brasil - kWh ) - 4.304 67.557 - 338.441 57.039 Transformadores de distribuição (GWh) 269 30 26 202 34 562 Total eletricidade (GWh) 1.819 123.550 1.194 2.365 65.224 706 194.858 Total gás GLP (T) - 67.557 - 338.441 57.039 463.038
Tabela 12– Resultados de mitigação de emissões de CO2
Redução de Emissões (Ton CO2)
Argentina Brasil Chile Colômbia México Peru Total Total (%) Mot. Elétricos 99.770 8.692.784 260.505 292.212 31.333.368 144.757 40.823.397 84% Refrigerad. 279.956 1.393.498 174.129 75.568 1.775.398 49.351 3.747.900 8% Ap de ar cond. 409.415 309.809 82.367 41.808 1.046.704 9.844 1.899.948 4% Aq. Solares - 348.947 205.002 - 1.026.994 173.084 1.754.027 4% Transf. de dist. 74.132 49.451 14.995 366.818 37.897 543.293 1% Total 789.142 10.819.170 771.453 424.583 35.549.282 414.934 48.768.565 100% Total (%) 1,6% 22,2% 1,6% 0,9% 72,9% 0,9% 100,0%
A Tabela 13 mostra indicadores referentes a energia conservada (EC) por tonelada (T) adicional de cobre aplicada nos equipamentos eficientes; indicadores de emissões evitadas por kg de cobre; e emissões evitadas por equipamentos ou por unidades domiciliares (UC) para o caso dos aquecedores solares. Dentro do recorte avaliado, a aplicação mais efetiva de cobre para aumento da eficiência energética foi o caso dos motores elétricos no México, onde o indicador médio em base anual foi de 0,923 GWh/TCu. Isso é reflexo direto do maior rigor de eficiência energética para que esse equipamento seja disponibilizado no mercado. No caso, já é significativa a participação no mercado de motores com eficiência de alto rendimento conforme estabelece a norma internacional IE3 - IEC 60034-30 da "International Electrotechnical Commission" (IEC). Esse maior ganho de conservação de energia reflete-se diretamente no indicador de emissões evitadas, sendo que nesse caso, cada kg de Cu adicional
utilizado na fabricação do equipamento significa uma redução anual média de 0,485 TCO2 evitadas.
Por outro lado, os aquecedores solares no caso brasileiro (os quais substituem a eletricidade aplicada para aquecimentos de água (chuveiros, etc.) e os transformadores de distribuição apresentaram os menores indicadores de conservação de energia por aplicação adicional de cobre dentre os equipamentos avaliados. Isso ocorre principalmente devido ao fato de que esses equipamentos são mais intensivos no uso do cobre quando comparados aos outros equipamentos.
Além do maior rigor para a disponibilização no mercado de equipamentos eficientes (conservação referente ao "gap" de energia conseguido com o aumento da eficiência energética), o que impacta diretamente na conservação de energia e nas respectivas emissões, outro fator que também influência diretamente nos valores encontrados para os indicadores é a qualidade de geração elétrica dos países avaliados. Novamente, verifica-se que nos países com matrizes elétricas mais "sujas", ou seja, com maior aplicação de combustíveis de origem fóssil (principalmente petróleo e derivados, gás natural e carvão), a aplicação do cobre adicional para aumento da eficiência energética repercute em maiores reduções nas emissões de CO2, como são os casos do México, Argentina e Chile.
Tabela 13 – Indicadores médios de energia conservada e mitigação por cobre adicional e por equipamento
Motores Elétricos Argentina Brasil Chile Colômbia México Peru
EC/cobre - GWh/T 0,914 0,869 0,869 0,869 0,923 0,869 Emissões evitadas/cobre - TCO2/kg 0,397 0,080 0,383 0,148 0,485 0,251
Emissões evitadas/Equip. - TCO2/Equip. 1,238 0,153 0,831 0,291 1,396 0,534
Refrigeradores
EC/cobre - GWh/T 0,347 0,347 0,347 0,347 0,347 0,347 Emissões evitadas/cobre - TCO2/kg 0,151 0,030 0,156 0,061 0,183 0,109
Emissões evitadas/Equip. - TCO2/Equip. 0,050 0,010 0,055 0,019 0,060 0,038
Aparelhos de ar condicionado
EC/cobre - GWh/T 0,268 0,268 0,268 0,268 0,268 0,268 Emissões evitadas/cobre - TCO2/kg 0,116 0,023 0,121 0,047 0,141 0,084
Emissões evitadas/Equip. - TCO2/Equip. 0,079 0,016 0,087 0,031 0,095 0,060
Aquecedores Solares
EC/cobre - Tgás/TCu (Brasil: GWh/T) - 0,044 11,000 - 11,000 11,000 Emissões evitadas/cobre - TCO2/kg - 0,003 0,033 - 0,033 0,033
Emissões evitadas/UC - TCO2/UC - 0,066 0,668 - 0,668 0,668
Transformadores de distribuição
EC/cobre - GWh/T - 0,068 0,066 0,066 0,069 0,072 Emissões evitadas/cobre - TCO2/kg - 0,005 0,028 0,010 0,031 0,021
Emissões evitadas/Equip. - TCO2/Equip. - 0,018 0,128 0,045 0,103 0,051 Fonte: estimativas próprias EC – Energia Conservada
O Anexo 3 mostra os resultados das estimativas dos impactos em termos de redução de CO2 decorrentes das atividades de fomento a eficiência energética desenvolvidas pela ICA LA.
6. Considerações finais
A avaliação dos impactos em termos de conservação de energia e de mitigação das emissões de CO2 resultantes da difusão de tecnologias eficientes foram os propósitos do presente relatório. A partir do estudo anterior e baseado em informações e parâmetros mais atualizados foram realizadas novas estimativas de impactos do uso adicional de cobre para aumento da eficiência energética e para a redução das perdas Joule de energia em condutores elétricos e perdas totais em transformadores de distribuição. Os resultados dos esforços dos países avaliados nesse sentido mostraram-se muito significativos. Conforme mostra a Tabela 14 a ordem de grandeza das estimativas dos impactos de redução das emissões de CO2 em relação as emissões totais de CO2 derivadas da queima de combustíveis (em 2010) no países variou entre aproximadamente 0,7% na Argentina e Colômbia para 8,8% no México. Quando comparado às emissões provenientes da produção de eletricidade e calor (em 2010) os resultados são ainda mais expressivos, sendo estes entre 2,5% na Argentina e 29,9% no México. Destaca-se que são comparados os resultados para as emissões totais relativas ao ano de 2010 com a redução de emissões proporcionadas por iniciativas de eficiência energética que iniciaram em anos diferentes, entre 2002 (caso dos motores elétricos no Brasil) e 2010 (por exemplo, caso dos refrigeradores na Argentina), sendo que para todos os casos a contabilização dos impactos finalizaram no ano de 2013.
Tabela 14– Avaliação comparativa dos impactos frente as emissões derivadas da queima de combustíveis fósseis dos países
País Emissões totais de CO2 derivadas da queima de combustíveis (2010) - Milhões de Toneladas Emissões provenientes da produção de eletricidade e calor (2010) - Milhões de Toneladas
Impactos das iniciativas - Milhões de Toneladas (período de contabilização) % em relação as emissões totais % em relação as emissões provenientes da produção de eletricidade e calor Argentina 170,24 45,97 0,79 (2007 -2013) 0,46% 1,72% Brasil 387,66 44,75 10,82 (2002 -2013) 2,79% 24,18% Chile 69,71 24,76 0,77 (2005 -2013) 1,11% 3,12% Colômbia 60,67 9,98 0,42( 2006 -2013) 0,70% 4,25% México 416,91 123,25 35,55 (2005 -2013) 8,53% 28,84% Peru 41,94 10,37 0,41 (2005 -2013) 0,99% 4,00% Fonte IEA, 2011 e estimativas próprias.
7. Referências
Copper e Procobre (2011). Dimensionamento Econômico e Ambiental de Condutores Elétricos. Um caminho para economizar energia e preservar o meio ambiente Internacional Copper Association. Disponível em:
http://procobre.org/pt/media-center/biblioteca/?category=52
Garcia. A.G.P (2003). Impacto da lei de eficiência energética para motores elétricos no potencial de conservação de energia na indústria. Dissertação de Mestrado. Programas de Pós-Graduação de Engenharia da Universidade Federal do Rio De Janeiro.
IEA. 2013. International Energy Agency. CO2 emissions from fuel combustion. IEA Statistics.
8. Anexos
8.1. Anexo 1 – Período de avaliação e fatores de emissão
Tabela 14– Períodos de avaliação* dos impactos dos programas de eficiência energética
País Motores elétricos Refrigeradores Aparelhos de ar condicionado Aquecedores Solares Transformadores de distribuição Argentina 2007-2013 2010-2013 2007-2013 2007-2013 2007-2013 Brasil 2002-2013 2007-2013 2007-2013 2007-2013 2007-2013 Chile 2007-2013 2007-2013 2007-2013 2007-2013 2007-2013 Colômbia 2006-2013 2010-2013 2007-2013 2007-2013 2007-2013 México 2006-2013 2010-2013 2007-2013 2007-2013 2007-2013 Peru 2006-2013 2010-2013 2007-2013 2007-2013 2007-2013 *
Os períodos de avaliação dos programas coincidem com os períodos de atividades de fomento a eficiência energética desenvolvidas pela ICA LA
Figura 3 - Fator médio de emissões de CO2 do sistema elétrico: 2000 – 2009
Fonte: IEA (2013) – Os valores de 2013 são repetições do ano anterior
0 100 200 300 400 500 600 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Argentina 258 275 308 313 370 395 369 366 366 390 374 374 Brazil 85 79 85 84 81 73 90 64 86 68 73 73 Chile 349 279 322 318 304 408 411 373 410 441 408 408 Colombia 154 152 117 131 127 127 107 176 176 108 153 153 Mexico 559 558 495 509 482 479 431 455 457 450 454 454 Peru 146 152 212 209 183 199 240 253 290 297 280 280 Gr am as d e CO 2 p or kW h
8.2. Anexo 2 – Estimativas das contribuições dos programas ICA LA
A Tabela 15 mostra os resultados das estimativas dos impactos de mitigação das emissões de CO2 decorrentes dos programas desenvolvidos pela ICA LA. Esses resultados são cumulativos e referem-se ao mesmo período indicado na tabela 14. A partir de uma avaliação indicativa de percentuais correspondentes aos impactos da influência da ICA LA no fomento do mercado equipamentos eficientes foram estimados valores de redução das emissões de CO2 resultantes dessas atividades. Destaca-se que essas iniciativas são mais abrangentes nos casos do Brasil e México. Nos outros países, por exemplo, na Argentina, não existem ainda iniciativas da ICA LA que visem a incentivar o uso de outros equipamento além dos motores elétricos. Os impactos são muito significativos, estimou-se que cerca de 21,9 milhões de toneladas de CO2 deixaram de ser emitidas na atmosfera devido a essas iniciativas. Esse valor corresponde a 43,7% da redução total devido aos programas de EFICIÊNCIA ENERGÉTICA adotados nos países.
Tabela 15– Resultados de mitigação de CO2 do programas desenvolvidos pela ICA LA
Redução de emissões
(Ton de CO2) Argentina Brasil Chile Colombia México Peru Total Total (%) Mot. Elétricos 99.770 5.052.862 260.505 146.106 12.847.069 144.757 18.551.069 89% Refrigeradores - 69.675 87.065 - 88.770 - 245.509 1% Ap de ar condicionado - 15.490 41.183 1.254 52.335 295 110.559 1%
Aq. Solares - 348.947 205.002 - 1.026.994 173.084 1.754.027 8%
Transf. de distribuição - 74.132 9.890 750 59.024 5.361 149.157 1% Total (Ton de CO2) 99.770 5.561.106 603.645 148.110 14.074.192 323.498 20.810.321 100%
