INTRODUÇÃO

O Brasil vem passando por uma severa crise de suprimento de energia elétrica neste biênio de 2021/2022. Em regra, motores elétricos respondem por uma parcela substancial do consumo, especialmente nos setores industrial e comercial. O presente trabalho tem por objetivo estimar quão significativa é essa participação com base em recentes levantamentos internacionais. Inicialmente se apresenta um panorama global, seguido de panoramas setoriais, com estimativas das parcelas de consumo, população e potência de motores empregados nos setores industrial e comercial. Disso resulta que o uso da força motriz é muito significativo em termos de consumo de energia elétrica, tornando imperativa a busca por ações de economia de energia.

Panorama Global

Em 2011, a Agência Internacional de Energia (AIE) publicou um extenso levantamento estatístico sobre consumo de energia elétrica para os usos finais mais comuns. Esse estudo envolveu dados de 55 países que, somados, representavam mais de 90% do consumo global de energia elétrica (1). O resultado apontou que 46,2% do consumo global de energia elétrica era para uso motriz; 18,7% para aquecimento elétrico (eletrotermia) e 18,6% para iluminação. O restante, 16,5%, era para uso em equipamentos, aparelhos e dispositivos eletroeletrônicos, processos de eletrólise e outros. O consumo para uso motriz representa mais que o dobro do consumo para uso em iluminação ou aquecimento.

O valor médio de 46,2% do consumo para uso final motriz variou de 38% a 54% entre os países da amostra. Também pôde ser verificado pelo estudo que a distribuição do consumo para uso motriz entre os setores foi como segue: indústria (64%), comércio e serviços (20%), residencial (13%), transportes e rural (3%).

Esse estudo estimou a população global de motores elétricos e a participação do consumo por faixa de potência conforme sintetizado na Tabela 1.

Tabela 1: Estimativa da população de motores e percentual do consumo por faixa de potência (1).

(*) motores fracionários, P ≥ 1/6 cv (0,12 kW);

(**) especula-se que a população atual seja de 350 milhões, com 30 milhões/ano de novos motores para substituição e ampliação (P ≥ 1,0 cv).

A mesma Agência promoveu uma atualização do consumo global de energia elétrica para uso motriz em 2016 (2). A conclusão foi que, em verdade, essa participação era de 53%. Esse valor é considerado como o atualmente vigente. Publicação de 2021 (3) mostrou que a participação do consumo global para uso em iluminação era de 16,5%.

Esse estudo de 2016 (2) mostrou que o Brasil respondia por aproximadamente 2% do consumo global para uso motriz, mesmo percentual para Coréia do Sul e todo o Oriente Médio. Índia, Rússia e Japão respondiam por 4% cada um. A União Europeia (à época incluía o Reino Unido) tinha cerca de 12% do consumo para essa finalidade. Praticamente o mesmo montante da América do Norte (EUA, Canadá e México). A soma da participação desses países resultava em 42%, mesmo percentual da participação da China. O resto do mundo respondia por 16% do consumo para fins motrizes.

Panorama Setorial

O estudo da AIE de 2011 (1) mostrou que 68,9% do consumo global de energia elétrica pelo setor Industrial era para uso motriz. Nesse setor foram englobados mineração, saneamento básico e exploração e produção de petróleo e gás. Já para o setor de Comércio e Serviços, o consumo para essa finalidade era de 38,3%. Para o setor Residencial, 22%; Rural, 25% e Transporte, 60%.

Os EUA é o país que tem as melhores e mais abrangentes estatísticas sobre produção, consumo e uso final de energia. O levantamento mais recente sobre consumo de energia elétrica para uso motriz foi publicado em 2021 (4), patrocinado pelo Departamento de Energia (DOE). Esse estudo teve como foco os setores Industrial e de Comércio e Serviços. Em verdade, trata-se de uma mega análise estatística, que levou em conta o universo de motores com potência igual ou superior a 1,0 hp. Os resultados obtidos para o setor industrial estão em linha com aqueles da AIE de 2011, ou seja, o uso para fins motrizes representa 69% do consumo de energia elétrica do setor industrial como um todo. Já para o setor de Comércio e Serviços, essa participação é de 43%.

Com os dados desse detalhado estudo norte-americano (4) é possível plotar o gráfico da Figura 1, que mostra o percentual (%) do consumo para uso motriz de acordo com os segmentos do setor Industrial. Observa-se que poucos segmentos apresentam consumo inferior a 60% para fins motrizes. Entre esses se destacam os segmentos do vestuário, da siderurgia e de equipamentos eletrônicos e computadores.

do vestuário, da siderurgia e de equipamentos eletrônicos e computadores.

Figura1: Participação do consumo de energia elétrica para uso motriz.

Nota: Gráfico elaborado pelo autor com dados de (4).

O agrupamento em segmentos muito abrangentes pode produzir informações confusas. A título de exemplo, dentro do segmento “Químico” existem vários subsegmentos muito distintos e com diferentes perfis de consumo. Por outro lado, a própria classificação dos segmentos utilizada pelo DOE pode ser diferente quando comparada a outros países. No caso do Brasil, os segmentos de “Alimentos” e “Bebidas” são agrupados em um único. Para melhor ilustrar esses argumentos, são apresentadas as Tabelas 2, 3 e 4 com a participação do consumo para uso motriz (%CE) em diversos subsegmentos de “Alimentos e Bebidas”, “Químico” e “Papel e Celulose”. Os dados se referem à indústria brasileira, de acordo com (5, 6 e 7). Praticamente a totalidade do consumo para refrigeração (refrig) tem o uso motriz como base.

A totalização do percentual de consumo para uso motriz de cada segmento depende do perfil de cada país, ou seja, do balanceamento entre os subsegmentos. De qualquer forma, os dados da Figura 1 são valiosos para uma abordagem preliminar para avaliação do consumo motriz.

Tabela 2: Percentual do consumo motriz (5).

Tabela 3: Percentual do consumo motriz (6).

Tabela 4: Percentual do consumo motriz (7).

O estudo do DOE (4) traz diversas informações relevantes, entre elas: a potência média, o total dos motores instalados e o consumo por faixa de potência. A Figura 2 mostra o gráfico da potência média dos motores instalados de cada segmento industrial. A potência média para todo o setor industrial é de 27 hp.

Figura 2. Potência média dos motores por segmento industrial.

Nota: Gráfico elaborado pelo autor com dados de (4).

A Tabela 5 mostra a distribuição do consumo e do número de unidades por faixa de potência da população de quase 11 milhões de motores do setor industrial norte-americano.

Se observa que quase 70% do consumo motriz se dá nos motores com potência superior a 50 hp, cujo percentual populacional é inferior a 10%. Ao contrário do setor industrial, apenas dois segmentos do setor comercial apresentam participação no consumo superior a 60% para fins motrizes. São eles: hospedagem e unidades de saúde sem internação de pacientes. Para todo o setor, a potência média dos motores é de apenas 8 hp. Por outro lado, o total de motores instalados com potência superior a 1,0 hp chega a quase 42 milhões. A Tabela 6 tem a mesma estrutura da Tabela 5, porém com dados do setor comercial.

Tabela 5: Percentual do consumo (CE) e da população (Pop) por faixa de potência, (4). Setor industrial

Tabela 6: Percentual do consumo (CE) e da população (Pop) por faixa de potência, (4). Setor de Comércio e Serviços

O perfil do consumo de energia elétrica para uso motriz pode ser sintetizado como segue:

• 53% do consumo global de energia elétrica;
• Aproximadamente 70% do consumo industrial;
• Para diversos segmentos industriais essa proporção é superior a 80%;
• 2/3 do consumo para fins motrizes ocorre com motores com P > 50 cv;
• Aproximadamente 40% do consumo comercial 

SISTEMAS ELETROMOTRIZES

Os motores elétricos acionam máquinas dos mais variados tipos. Esses acionamentos (motor + transmissão + máquina) podem ser agrupados em dois tipos de sistemas eletromotrizes, salvo raríssimas exceções, a saber: sistemas mecânicos e fluidomecânicos, conforme ilustrado pela Figura 3. Os sistemas fluidomecânicos promovem a transferência de energia de um ponto para outro(s) por meio de fluidos (líquido, vapor ou gás). A transferência de energia térmica (frio ou calor) se dá pela movimentação dos seguintes fluídos e formas, em ordem crescente de temperatura:

• Refrigerante -> unidade de refrigeração;
• Água gelada -> chillers;
• Água fria -> torres de resfriamento;
• Água quente -> caldeira de água quente;
• Vapor -> caldeira de vapor;
• Óleo térmico -> caldeira de óleo térmico;
• Ar/gases quentes -> geradores de ar/gases quentes.

A transferência de energia mecânica (trabalho mecânico) ocorre pela movimentação de ar comprimido gerado em um compressor ou por óleo em um sistema oleohidráulico.

Figura 3. Representação esquemática de sistemas eletromotrizes.

As máquinas envolvidas nesses processos são bombas, ventiladores, sopradores (máquinas hidráulicas) e compressores (máquinas térmicas). A circulação de fluidos por tais sistemas podem ser fechada, aberta ou parcialmente fechada. No caso do ar comprimido o sistema é considerado fechado, posto que a o próprio ambiente serve com reservatório de admissão e descarga.

Sistemas para transferência de massa fluida de um ponto para outro, ou então, de simples circulação, também são classificados como sistemas fluidomecânicos. Os tipos de máquinas envolvidas também são bombas, ventiladores, sopradores e compressores.

Sistemas mecânicos são constituídos por uma miríade de máquinas para processamento de materiais metálicos, plásticos, cerâmicos, vítreos, madeiras, etc. Esses processamentos envolvem conformação, corte, extrusão, injeção, trefilação, etc. Também se encaixam nessa categoria máquinas para fragmentação, moagem, separação e mistura de produtos em pó, pastosos ou líquidos. Maquinário para manuseio e transferência de materiais, como: pontes rolantes, correias transportadoras e elevadores, entre outros, são igualmente classificados como sistemas mecânicos.

O estudo da AIE de 2011 (1) trazia uma estimativa do consumo de energia para uso motriz em sistemas fluidomecânicos no setor industrial igual a 62% e para sistemas mecânicos 32%. Para o setor de comercial esses montantes eram estimados em 83% e 17%, respectivamente.

Publicação vinculada à AIE de 2019 (8) cita que o consumo de energia para uso em bombas, ventiladores e compressores de todos os setores respondem por 35% do consumo global de energia elétrica.

A Tabela 7 mostra a participação do consumo de energia para uso motriz em sistemas fluidomecânicos e mecânicos pela indústria dos EUA em 2021 (4), bem como da correspondente população de motores.

 

Tabela 7. Percentual do consumo e da população por sistemas, (4) Setor industrial

Nota: elaborado pelo autor com dados de (4). (Ni - Não identificado).

Com o consumo industrial de energia elétrica para uso motriz de 70%, aproximadamente, e com os sistemas fluidomecânicos respondendo por cerca de 66% desse montante, se conclui que bombas, ventiladores, sopradores e compressores representam uso significativo de energia, algo da ordem de 46% (70% x 66%) para o consumo total da indústria dos EUA.

Visão geral das máquinas

A partir do estudo do DOE (4) é possível quantificar o percentual do consumo de energia e da população para cada tipo de máquina, conforme mostra a Tabela 8. A tabela também indica os dados para os sistemas mecânicos.

 

Tabela 8. Percentual do consumo e da população por tipo de aplicação (4).

Nota: elaborado pelo autor com dados de (4).

Grosso modo, as máquinas hidráulicas respondem por 42% do consumo para uso motriz e 40% da população de motores; enquanto para máquinas térmicas tem-se 24% e 9,5%, respectivamente. Isso mostra que potência média das máquinas térmicas é 2,5 vezes superior à das máquinas hidráulicas. Evidentemente que esses números variam bastante entre os diversos segmentos industriais. A título de exemplo, a Tabela 9 mostra um detalhamento da situação para alguns segmentos industriais.

Com os dados do estudo do DOE (4) é possível avaliar a participação no consumo para uso motriz não só por tipo de máquina, como também por seu princípio de funcionamento. Entre as máquinas hidráulicas (bombas e ventiladores) há um domínio absoluto das máquinas de fluxo (turbomáquinas).

 

Tabela 9. Participação (%) no consumo de energia por tipo de máquina para alguns segmentos industriais (4).

Nota: elaborado pelo autor com dados de (4).

As bombas (21,2% do consumo motriz) dividem-se em turbobombas (TB), notadamente bombas centrífugas, com 81% de participação, e bombas de deslocamento positivo (BDP) com 14,3%. Não foram identificados 4,7% do consumo com bombas.

Ventiladores e sopradores (20,6% do consumo motriz) também se dividem em turboventiladores (TV), com participação de 76,2%, sendo 61,9% para ventiladores centrífugos e 14,3% para axiais. Ventiladores para produção de vácuo representam 14,3% do consumo, enquanto sopradores de deslocamento positivo totalizam 9,5% do consumo motriz com esse tipo de máquina.

Para as máquinas térmicas (compressores) o predomínio é das máquinas de deslocamento positivo (MDP). A participação entre os compressores de ar (11,6% do consumo motriz) se divide em 83,3% para MDP, sendo 75% para compressores de parafuso e 8,3% para os alternativos. Os compressores centrífugos participam com 16,7%.

Já os compressores de vapor para refrigeração (12,4% do consumo motriz) dividem-se da seguinte forma: 41,7% para compressores de parafuso, 8,3% para compressores alternativos, 25% para herméticos e 25% para centrífugos. Assim, as MDP representam 75% de participação.

Visão geral dos sistemas

O estudo patrocinado pelo DOE (4) fornece uma estimativa sobre o consumo de energia elétrica para uso motriz em diversos sistemas. Abaixo segue uma síntese dos resultados, com breve explicação desses sistemas elaborada pelo autor.

- Sistema de AQUECIMENTO – 2,0%.

Envolve bombas de alimentação de caldeiras de vapor, bombas de circulação de água quente e óleo térmico entre as caldeiras e equipamentos de uso final. Também inclui ventiladores de tiragem forçada e induzida das caldeiras. Deve incluir ainda bombas de combustíveis líquidos, correias de alimentação de combustíveis sólidos movimentação de grelhas de combustão etc. Pode levar em conta ventiladores e sopradores para recuperação de calor.

- Sistemas OLEOHIDRÁULICOS – 2,2%.

Envolve bombas de deslocamento positivo para operação de circuitos hidráulicos a óleo. Muitas vezes esses sistemas estão integrados no interior de maquinários.

- ÁGUA E EFLUENTES – 4,4%.

Bombas para captação e tratamento de água superficial ou de poços artesianos. O tratamento de efluentes pode envolver bombas, sopradores e compressores.

- TRANSFERÊNCIA DE MASSA – 4,8%.

Bombas para carga e descarga de produtos, e movimentação de fluidos para processamento. Também pode incluir ventiladores e sopradores para transferência de gases e materiais particulados.

- Sistemas de RESFRIAMENTO – 7,3%.

Envolve ventiladores de torres de resfriamento, bombas de circulação de água entre torre e equipamentos de uso final. Leva-se em conta resfriamento de processo e de condensadores de sistemas de refrigeração em geral. Os ventiladores para resfriamento direto de processos ou equipamentos são computados nos sistemas de ventilação.

- AR-CONDICIONADO – 8,4%.

Envolve aparelhos unitários de ar-condicionado, tais como: aparelhos de janela, splits, multisplits, self contained, rooftops, unidades evaporativas, etc. Considera todos os aparelhos dos edifícios de produção e de apoio (escritórios, restaurantes, etc.). Compressores e ventiladores dessas unidades são integrados pelos próprios fabricantes. Eventualmente os condensadores são resfriados a água. Nesse caso, as bombas são computadas nos sistemas de resfriamento, salvo se de aplicação exclusiva para a unidade de ar-condicionado.

- Sistemas de AR COMPRIMIDO – 10,1%.

O compressor de ar é a máquina dominante. A secagem do ar por condensação, geralmente integrada ao equipamento é computada como do próprio sistema, bem como o sistema de resfriamento a ar do compressor. No caso de resfriamento a água, o consumo deve ser considerado como sistema de resfriamento, salvo se o resfriamento for exclusivo.

- Sistemas de REFRIGERAÇÃO – 10,8%.

Envolve todas as unidades de refrigeração (refrigeradores e congeladores). A maioria das instalações aplica a refrigeração por compressão de vapor. Chillers, mesmo que para sistemas centralizados de ar-condicionado, são computados nesta classe de sistema. Os ventiladores de circulação, sejam dos condensadores, sejam dos evaporadores, serão computados como sistemas de ventilação, desde que não sejam integrados ao equipamento. O mesmo se aplica para o caso de condensadores resfriados a água, considerando, naturalmente, nos sistemas de resfriamento, exceto quando forem de aplicação exclusiva.

- Sistemas de VENTILAÇÃO – 14,3%.

Inclui ventiladores para ventilação geral, isto é, ventilação diluidora, exaustora e para conforto térmico. Também envolve toda a ventilação de processos, como p. ex.: tiragem de fornos e fornalhas, scrubbers, secagem, resfriamento, aquecimento e limpeza de processos, etc.

Os sistemas indicados acima somam 64,3% do consumo para fins motrizes. Portanto, quase a totalidade dos 65,8% de participação dos sistemas fluido mecânicos no consumo motriz industrial total.

 O estudo do DOE (4) ainda aponta a participação do consumo motriz em sistemas mecânicos como segue: transporte de materiais – 2,7%; peneiramento, filtração e separação – 1,5%; extrusão – 3,5%; conformação – 5,3%; outros processamentos – 9,0%; outras aplicações e sem identificação – 13,2%.

Caraterísticas energéticas dos sistemas fluidomecânicos

Os sistemas fluidomecânicos são constituídos pela fonte geradora do vetor energético (fluido de trabalho), a distribuição desse vetor por meio de tubulações e os equipamentos de uso final. O motor é alimentado com energia elétrica através de um drive. Por sua vez, o motor se acopla à máquina por uma transmissão mecânica. Essa máquina promove a movimentação do fluido para distribuição e uso final. Sob o ponto de vista energético, esse conjunto apresenta uma cadeia de ineficiências. Existem perdas, desde o drive até aos equipamentos de uso final. A Figura 4 ilustra essa situação, indicando as faixas de rendimentos típicos de cada elemento para um sistema fluido mecânico de natureza hidráulica. A potência elétrica é a “entrada” do sistema, enquanto a potência hidráulica é a sua “saída”.

Figura 4. Representação esquemática da cadeia de ineficiências de um sistema fluido mecânico de natureza hidráulica.

A eficiência do sistema depende da composição das eficiências de cada elemento da cadeia. Na maioria das vezes, as maiores perdas de energia ocorrem na distribuição e no uso final, como será mostrado no próximo item. Além disso, em regra, a eficiência das máquinas é inferior à dos motores. Quaisquer ações de redução do consumo de energia precisam ser vistas sob a perspectiva do conjunto.

Existem estimativas que indicam potencial de redução do consumo em sistemas fluidomecânicos de até 20% ou 30%, aproximadamente (8).

Conforme mostrado anteriormente, as máquinas hidráulicas respondem por cerca de 42% do consumo motriz industrial. As máquinas de fluxo (turbomáquinas) representam quase 80% desse montante. Assim, tais máquinas respondem por 1/3 do consumo para fins motrizes dentro da indústria dos EUA. O rendimento de máquinas desses tipos varia acentuadamente com a descarga (vazão). Já para as máquinas de deslocamento positivo a variação do rendimento com a descarga é pouca expressiva. A Figura 5 mostra uma curva típica das características de uma bomba centrífuga a título de ilustração.

Figura 5. Curva ilustrativa das características de uma bomba centrífuga para uma rotação constante (9).

À medida que a operação se afasta do ponto BEP (Best Efficiency Point), acima ou abaixo, o rendimento () tende a diminuir acentuadamente. Máquinas de fluxo operando distantes do BEP são causa de perdas significativas no cotidiano industrial e comercial. Isso ocorre por especificação ou operação equivocada da máquina, variação de altura de elevação da instalação (H) ou variação da descarga (Q), por razões naturais ou forçadas.

A degradação energética da máquina (redução do rendimento) pela operação distante do ponto BEP pode acarretar em degradação mecânica. Por via de consequência, pode haver redução do tempo médio entre falhas da máquina, onerando a manutenção. A maior dissipação relativa de energia internamente pode acarretar em desequilíbrios hidráulicos e mecânicos com consequências para a integridade da máquina. Isso está longe de ser uma “lei”, mas é uma observação empírica relativamente frequente.

A Figura 6, conhecida como curva de Bloch (9), procura mostrar de forma ilustrativa a curva característica principal de uma bomba (H x Q) sobreposta à curva de confiabilidade (MTBF x Q). Quanto mais a operação se afasta do BEP, maior é a redução do tempo médio entre falhas (MTBF) da bomba.

Figura 6. Curva de Bloch - (H x Q; MTBF x Q).

CONSERVAÇÃO DE ENERGIA E EFICÊNCIA ENERGÉTICA

O uso racional de sistemas eletromotrizes visa a economia da energia, ou seja, menos consumo para o mesmo uso. Por mesmo uso entende-se mesmo nível de produção, atividade e conforto. O uso sempre deve ser parcimonioso.

A economia da energia se escora num tripé constituído por ações de conservação, eficiência e gestão.

Conservação de energia

As ações de conservação de energia apresentam duas vertentes para consumo e uso: a) padrões e hábitos, e b) aspectos estruturais.

Padrões e hábitos de consumo estão relacionados com o comprometimento dos grupos de indivíduos de uma organização com o consumo parcimonioso da energia.  Envolve, notadamente, as atividades de “operação” de processos, sistemas e equipamentos, bem como a “especificação” de seus componentes. Os aspectos estruturais estão mais relacionados com a “manutenção” e “administração” da estrutura de produção da organização.

De maneira muito simplista, a conservação de energia busca evitar tanto o consumo sem uso, como também o uso impróprio dos sistemas motrizes. Em regra, as ações de conservação exigem menos recursos para sua implantação em comparação com a eficiência energética e a gestão da energia.

Existem dois focos para a conservação de energia em sistemas fluidomecânicos: distribuição e uso final dos vetores energéticos, e fonte geradora. O quadro da Figura 7 mostra alguns exemplos de oportunidades de conservação na distribuição e uso final.

A vertente “padrões e hábitos” de consumo para fontes geradoras basicamente se

resume a dois tipos de ações: capacitação dos operadores e adequação da capacidade de motores e máquinas. Essa última é uma questão de especificação. Deve-se evitar sub e sobrecarregamento dos equipamentos em geral.

Com relação à vertente “aspectos estruturais”, as ações mais comuns são:

• Condições de fornecimento da energia elétrica, especialmente nível de tensão e balanceamento entre fases;
• Preparação e tratamento adequados dos fluidos de trabalho, particularmente água e ar;
• Condições gerais de manutenção: lubrificação, alinhamento, balanceamento, resfriamento, acoplamento/transmissão, etc.;
• Adequação do controle da operação dos sistemas (motores, máquinas e demais equipamentos), com particular atenção para sistemas em paralelo.

 

Figura 7. Quadro elucidativo de conservação de energia para sistemas fluidomecânicos - distribuição e uso final.

Eficiência energética

As ações de eficiência energética visam a substituição e adequação tecnológicas. Por substituição tecnológica entende-se a substituição do motor, máquina ou equipamento por outro mais moderno e eficiente, ou seja, trata-se de processo de atualização. No caso da adequação tecnológica são agregados elementos para melhorar o desempenho do sistema. Como exemplo clássico tem-se o uso de inversores de frequência para variação da velocidade de motores de indução e, por via de consequência, das máquinas acionadas. Esse expediente permite uma extraordinária economia da energia para sistemas com variação de carga, particularmente no caso das turbomáquinas. Todas as ações de automação, digitalização do controle e de medições, também se enquadram como adequação tecnológica. Óbvio que ativos para novas instalações serão os mais modernos disponíveis.

O rendimento dos motores elétricos aumenta de tempos em tempos, graças aos esforços de inúmeros agentes, começando pelos fabricantes. A título de exemplo, um motor de 5 cv teve seu rendimento aumentado de 85% para 90% nos últimos 30 anos. Desde o começo deste século XXI, países desenvolvidos têm implantado políticas públicas para exigência de MEPS (Minimum Energy Performance Standards) para uma considerável gama de equipamentos, entre eles: motores, bombas, ventiladores e compressores.

A International Electrothecnical Commission (IEC) estabelece a classe de rendimentos de motores elétricos CA pela norma IEC 60034-30-1, de 2014, conforme segue: IE1 (rendimento padrão); IE2 (alto rendimento); IE3 (premium); IE4 (super premium) e IE5 (ultra premium), (10). Grosso modo, uma classe apresenta redução de 20% das perdas internas em relação à classe imediatamente anterior.

A Comissão Europeia (EC) estabeleceu diretivas exigindo que a comercialização de motores no âmbito da União Europeia (UE) atendesse, gradativamente, níveis mais elevados de rendimento. Desde 1° de julho de 2021 está em vigor a diretiva EC 1781/2019 com as seguintes exigências mínimas para comercialização (10):

• Classe IE2 para motores entre 0,12 kW e 0,75 kW;
• Classe IE3 para motores entre 1 kW e 1000 kW (desde 2009, EC 640/2009);
• Classe IE2 para motor e inversor entre 0,12 kW e 1000 kW (EC 341/2021);
• Classe IE4 para motores entre 75 kW e 200 kW (a partir de 01/07/2023).

O Brasil, como muitos outros países, procura normatizar em linha com as instituições internacionais. De acordo com a Portaria Interministerial n°1, de 29 de junho de 2017, motores de indução trifásicos de 0,12 cv a 500 cv, com 2, 4 ,6 ou 8 polos, de classe inferior a IE3, não podem ser fabricados ou importados desde agosto de 2019. E não podem ser comercializados a qualquer título ou circunstância desde 28 de fevereiro de 2021.

Dentro da política MEPS a União Europeia estabeleceu o programa Ecodesign que abrange, além de motores e inversores, diretivas para rendimento de bombas de água até 150 kW (EC 547/2012) e ventiladores até 500 kW (EC 327/2011), (10).

Em termos de adequação tecnológica, o inversor de frequência é o maior destaque para sistemas eletromotrizes, especialmente fluidomecânicos. Os inversores são particularmente indicados para acionamentos com variação de descarga (vazão). Sob o ponto de vista mecânico, turbomáquinas apresentam curva quadrática do conjugado (C) x rotação (). Para máquinas de deslocamento positivo o conjugado resistente permanece praticamente constante com a rotação. A Figura 8 ilustra essas características. A potência mecânica (P) solicitada pela máquina é o produto do conjugado pela rotação.

Figura 8. Características mecânicas das turbomáquinas e das máquinas de deslocamento positivo.

A potência solicitada pelas turbomáquinas varia com o cubo da rotação, enquanto para as máquinas de deslocamento positivo essa variação é linear. De forma muito simplista, e aproximada, pode-se afirmar que, uma redução de 20% na descarga de uma turbomáquina, implica em uma redução de 48% da potência solicitada. Nessa mesma situação, a redução da potência para uma máquina deslocamento positivo seria de 20%. Ambos casos mostram a notável possibilidade de redução do consumo de energia para usos em sistemas fluidomecânicos com variação de descarga. Os inversores são a melhor solução frente a quaisqu er outros meios de controle de vazão, em particular aos com válvula de estrangulamento. Em alguns casos muito particulares o inversor pode ser aplicado para cargas invariáveis com vantagens. As principais ações de eficiência energética para sistemas eletromotrizes no âmbito das organizações podem ser resumidas, como segue (11, 12):

• Definição de uma política de substituição/atualização de acionamentos (motores, transmissão e máquinas), bem como equipamentos de distribuição e uso final, para médio (5 anos) e longo (10 anos) prazos;
• Listar as prioridades de substituição/atualização dos acionamentos balanceando idade, potência, horas operacionais, ganho e importância para o processo de produção;
• Identificar e listar as prioridades de adequação tecnológica com inversores, começando pelas turbomáquinas com variação de carga;
• Estabelecer programa de modernização de controle, automação, digitalização, medição, transmissão, armazenamento e análise de dados (preparação para Indústria 4.0).

Deve se ter em mente que, sob o ponto de vista orçamentário das organizações, as ações de conservação de energia costumam ser classificadas como despesas de custeio (OPEX), enquanto as de eficiência energética são consideradas como investimento (CAPEX).

Para fins de avaliação econômica recomenda-se o método do custo ao longo do ciclo de vida (LCC – Life Cycle Cost), (11). A título de curiosidade, uma bomba de água de simples estágio acionada por motor de 50 cv, com vida útil de 15 anos, tem 95,5% do custo ao longo do ciclo de vida com energia elétrica. Já para um compressor de parafuso para ar comprimido, também de 50 cv, vida útil de 10 anos, esse custo seria de 88,5%. Para ambos casos foi considerada tarifa vigente em julho de 2021, modalidade verde, A4, da Concessionária ENEL/SP.

GESTÃO DA ENERGIA

A gestão da energia visa buscar a melhoria contínua do desempenho energético 1 de uma organização. Essa melhoria é obtida mediante ações sistemáticas de conservação de energia e eficiência energética, aliadas à própria gestão. Na maioria das vezes, as organizações implantam um Sistema de Gestão da Energia (SGE), conforme normas da ABNT/ISO (13, 14). Para efeitos deste artigo, o escopo da gestão da energia é referente unicamente ao consumo da energia elétrica para uso em sistemas motrizes de instalações industriais ou comerciais.

Um dos vários requisitos dessas normas é a elaboração de uma revisão energética para identificação dos usos significativos de energia (USE) no interior de uma fronteira física estabelecida. Essa fronteira pode ser individual (equipamentos, processos, edifícios, instalações, etc.), sistêmicas (utilidades em geral, atividades específicas, etc.) ou organizacionais (matriz, filiais, unidades, etc.). Para o presente trabalho, os USE se restringem aos sistemas eletromotrizes (fluidomecânicos e mecânicos) mencionados anteriormente. Nessa revisão energética é preciso identificar as variáveis relevantes que afetam o consumo e uso, o desempenho atual e o pessoal diretamente envolvido nas operações. Entre todos os USE deve-se priorizar aqueles que apresentarem uma combinação de consumo mais elevado e maior potencial de melhoria do desempenho energético. A revisão energética é parte central do planejamento tático de um SGE (13), que conta ainda com entradas e saídas, conforme ilustrado na Figura 9.

Figura 9. Representação esquemática do planejamento de um SGE.

Nota: Figura A2, ABNT NBR 50001, (13).

Como mostrado na figura, cada sistema considerado USE precisa de medição do consumo e/ou uso da energia. Essa medição pode ser contínua ou temporária, desde que o intervalo de medição seja representativo do regime de operação. Também é possível a medição indireta, ou seja, quando é feita a medição de outro parâmetro a partir do qual o consumo ou uso possam ser inferidos. É o caso, p. ex., da medição do tempo de operação de uma carga fixa e conhecida. Por fim, é possível estimar o consumo ou uso por modelos de engenharia. Isso ocorre, p. ex., em edificações com dezenas ou centenas de aparelhos unitários de ar-condicionado, instalados em circuitos diferentes, inviabilizando a medição de todo o conjunto. Todas essas medições precisam ser arquivadas uma vez que o histórico é fundamental para a gestão.

Ainda de acordo com a Figura 9, é preciso determinar as variáveis que afetam o consumo e uso. Em regra, elas podem ser agrupadas, como segue:

• Entradas e saídas: volume de produção ou de atividades, horas trabalhadas, dias úteis, n° de clientes atendidos, etc.;
• Regime de operação: n° de turnos, n° de interrupções da produção, horas efetivas de operação, etc.;
• Condições climáticas: estação do ano, período do dia, temperatura, umidade, chuva, etc.;
• Condições da matéria-prima: características dimensionais, físicas e químicas;
• Outros fatores: equipes, turno, dia da semana, reações do próprio processo, etc. Os valores das variáveis selecionadas devem ser arquivados para formação do histórico de dados para análises de gestão.

IDE – Indicadores de desempenho energético

Os IDE são métricas para medir o desempenho energético dos USE resultantes de medições (13, 15). Cada USE tem ao menos um IDE. Os IDE são definidos pela organização e devem ser apropriados para usuários de diferentes níveis operacionais (IDE específicos) e gerenciais (IDE gerais). Eles podem ser apurados para equipamentos, processos, sistemas, plantas ou até para a organização. Os IDE podem ser dos seguintes tipos: métrica simples, razão de valores, estatísticos ou modelos de engenharia. Os IDE devem ser apurados periodicamente. IDE gerais para altos escalões gerenciais podem ser trimestrais. IDE específicos para gerência de plantas e instalações podem ser mensais. Para gerência de produção ou de energia costumam ser semanais. Para operadores podem ser diários. Existem casos muito específicos para os quais pode se aplicar periodicidade horária.

Consumo de energia (kWh) é um exemplo de IDE de métrica simples. A demanda (kW) também é considerada como IDE deste tipo. Já os IDE de uso podem ser: ar comprimido (Nm3 ), vapor (t), água e outros fluidos (m 3), carga térmica (GJ), etc. Em termos de energia elétrica pode ser recomendável a apu ração dos IDE por segmentos horários, isto é, períodos de ponta, fora de ponta indutiva e capacitiva. Muitas vezes é conveniente parametrizar o IDE por grandezas relativamente constantes no período de apuração. Exemplo: área da fronteira (kWh/m 2), capacidade instalada (kWh/capacidade), carga instalada (kWh/kW), n° de funcionários (kWh/func), período (kWh/dia útil, kWh/mês), etc. O IDE parametrizado é conveniente para comparações entre objetos distintos, porém de mesma natureza. Este tipo de IDE não é uma ferramenta das mais adequadas para gestão da energia. Entretanto, ele é muito útil para identificar sazonalidade e modulação das cargas.

Os IDE de razão de valores apresentam uma relação entre valores medidos de entradas e saídas. Os três tipos mais utilizados são: eficiência energética, consumo específico e intensidade energética, como mostram as relações a seguir. O consumo específico (Ce) é o inverso da eficiência (Ƹ).

Exemplos:

• Eficiência energética: Nm 3/kWh, m3/kWh, TRh/kWh, etc.;
• Consumo específico: kWh/Nm3, kWh/m3, kWh/GJ, etc.;
• Intensidade energética (produção): kWh/unid., kWh/t, kWh/hh, etc.;
• Intensidade energética (atividades): kWh/cliente, kWh/hóspede, kWh/aluno, etc. Vale observar que eficiência não é rendimento. O primeiro expressa uma relação de energia, e o outro, uma relação de potência. Essas três formas de IDE são muito apropriadas para sistemas fluidomecânicos, conforme esquematizado na Figura 10. Nos sistemas de transferência energética, o processo de conversão da energia elétrica em um vetor energético fluido ocorre na “fonte” (chillers, torres, caldeiras, unidades de refrigeração, compressores de ar, etc.). O IDE de eficiência energética, ou de consumo específico, é muito adequado para indicar o desempenho dessa conversão. Já para a distribuição e uso final, o IDE da intensidade energética é o mais apropriado para mostrar o desempenho dessa etapa. Dessa forma, IDE específicos podem avaliar o desempenho de cada parte do sistema, o que é muito útil para fins de gestão. Evidentemente que pode ser utilizado um IDE para indicar o desempenho do sistema como um todo. Nesse caso seria um consumo específico tendo como “entrada” o consumo (kWh) na fonte e a “saída” a produção no uso final.

 Figura 10. Representação de IDE para sistemas fluidomecânicos.

Seja um sistema de ar comprimido a título de exemplo. O IDE da “fonte” (compressor) seria kWh/Nm3 (Ce), enquanto da distribuição e uso final seria Nm3/unidade de produção. O IDE do sistema total seria kWh/unidade de produção.

Nos sistemas fluidomecânicos para simples transferência de massa os IDE de razão de valores mais comuns são: kWh/m3, kWh/kg, kWh/unidade de produção, etc. Esses IDE também se aplicam para sistemas mecânicos de transferência, tais como: correias e esteiras transportadoras, elevadores, pontes rolantes e outros similares.

O IDE de razão de valores é mais indicado para acompanhamento da evolução do desempenho energético de USE. O IDE estatístico nada mais é que uma equação de regressão. Requer dados como dos IDE já mencionados (métrica simples e razão de valores) associados com a medição de variável, ou variáveis, relevantes para o desempenho energético. Deve haver um certo grau de correlação entre o IDE e as variáveis consideradas. Essas relações causais levam a equações de regressão. A Figura 11 ilustra esquematicamente algumas situações bastante simples, ou seja, variação do consumo em função da produção (a), variação do consumo específico em função da produção (b) e variação do consumo em função da temperatura (c).

Figura 11. Exemplos de IDE estatísticos

Nos casos (a) e (b) tem-se IDE = f (Vp); e no caso (c) IDE = f(T). Nada impede a apuração de um IDE com ambas variáveis, ou seja, IDE = f(Vp, T). Em verdade, instalações com carga elevada de ar-condicionado ou refrigeração correlacionam muito mais com graus-dia de resfriamento do que com temperatura (16). Evidentemente que o IDE estatístico só pode ser obtido após um conjunto de medições pretéritas, haja vista a necessidade de pontos para a construção da equação de regressão. As equações de regressão podem ser lineares ou não-lineares, de variável simples ou múltiplas. O IDE estatístico é uma ferramenta muito poderosa para análises comparativas e previsões de desempenhos.

Linhas de base energética

Cada indicador (IDE) deve ter sua própria linha de base (LBE). A LBE é uma referência para avaliação do desempenho energético ao longo do tempo, ou seja, o

IDE medido deve ser comparado com essa referência. Portanto, a LBE é um valor de IDE para o período de base, que é um período de tempo especificado. Ela serve para calcular a economia de energia entre o ‘’antes” e o “depois” da implementação de ações de melhoria do desempenho. As LBE são dos mesmos tipos dos IDE. A Figura 12 mostra esse conceito esquematicamente.

 

Figura 12. Representação esquemática de uma LBE.

Nota: Figura 3, ABNT NBR 50006, (15).

 

Uma ferramenta muito poderosa é a utilização de séries temporais como LBE móveis. Nesse tipo de série o IDE é registrado, inclusive graficamente, ao longo do tempo (histórico), conforme representado na Figura 13. Em verdade, trata-se de uma série do tipo discreta, em que cada ponto “i” representa uma medida de IDE para um dado intervalo de tempo (mês, semana, dia). As séries temporais (IDE i ) podem ser decompostas em três componentes: tendência (T i), sazonalidade (S i ) e irregularidade (Iri ). Cada um desses componentes pode ser projetado para um período futuro e, desse modo, o valor futuro do IDE i pode ser estimado (reporte), (16)

IDE_i = T_i.S_i.Ir_i

A cada novo valor de IDE inserido na série, o último anterior é descartado. Dessa forma, tem-se uma série dinâmica, atualizada a cada intervalo de tempo “i”. As periodicidades típicas são apontadas na Tabela 11. Essa ferramenta é excelente para fins de previsão de IDE que apresente algum grau de sazonalidade, ou seja, variação cíclica. Ela é indicada para simples monitoramento do desempenho e para verificação do atendimento de metas estabelecidas.

 

Figura 13. Representação de série temporal.

Tabela 11. Periodicidades para LBE móveis (séries temporais).

 

CONCLUSÃO

Em muitos ramos de atividades industriais o consumo de energia elétrica para fins motrizes responde por mais de 80%, às vezes mais de 90%, do consumo total. Salvo pouquíssimas exceções, os motores elétricos acionam ou sistemas fluidomecânicos, ou sistemas mecânicos. Os primeiros são predominantes nas indústrias de processos, os outros nas indústrias de fabricação e montagem. Em termos globais, o consumo para uso em sistemas fluidomecânicos é da ordem de 2/3 do consumo motriz.

Qualquer intenção de economizar energia elétrica passa, necessariamente, pela melhoria do desempenho dos sistemas eletromotrizes. Muitas vezes até de forma exclusiva. O trabalho destacou as principais ações de conservação de energia envolvendo padrões e hábitos, e estrutura do consumo. Igualmente, destacou as principais ações de eficiência energética, ou seja, substituição e adequação tecnológicas. Para sistemas fluidomecânicos as ações de conservação predominam a jusante das m&a