A Engenharia é a arte da utilização de recursos naturais para atender às necessidades humanas. A noção de escassez ou limitações desses recursos faz parte da natureza do engenheiro desde que, nos primeiros arroubos de consciência, o homem primitivo viu a necessidade de se proteger da vida na natureza. A busca pela utilização racional dos recursos naturais tem sido o indutor para o aparecimento de novas tecnologias. O motor a combustão, sensação do início do século XX, convertendo em trabalho útil apenas 30% da energia consumida, foi uma evolução admirável à máquina a vapor (século XVIII, com eficiência ≤ 10%). O motor elétrico, com sua eficiência média próximo dos 90%, foi um avanço tecnológico extraordinário e intensificou a utilização de máquinas motrizes no setor produtivo e doméstico a partir da metade do século XX. Em pouco mais de um século, a eficiência das máquinas motrizes subiu de menos de 10% para cerca de 90%, explicitando o compromisso da engenharia com a utilização racional dos recursos naturais.
Este capítulo introduz o conceito de eficiência energética e de seus principais indicadores, apresenta o estágio atual do programa de padrões mínimos de eficiência (MEPS) brasileiro para equipamentos de uso final, e investiga a incerteza das medições de eficiência através do detalhamento do método de medição da eficiência de motores de indução trifásicos.
2.1 Introdução
Eficiência está relacionada a energia e perdas, na medida em que define o quanto da energia utilizada para a realização de um determinado objetivo está efetivamente sendo utilizada para este fim e o quanto está sendo desperdiçado, dissipado, perdido. As formas de medir eficiência são várias, dependendo da abrangência do processo que está sendo analisado (um equipamento, uma planta industrial, uma região, um país, etc.) e da natureza da análise (econômica, física, termodinâmica). Na sua forma mais comum, eficiência é definida pela seguinte relação (PATTERSON, 1996).
Aqui cabe uma rápida definição de energia, que em termos gerais é a maneira como se exerce uma força, força esta que, para o propósito deste trabalho, é aquela que tem o objetivo de gerar trabalho útil.
Para entender o conceito de energia, faz-se necessário definir um sistema como uma porção de matéria e/ou espaço delimitado para ser analisado, e saber que um sistema contém energia de várias formas: calorífica, cinética, elétrica, eletromagnética, mecânica, potencial, química, radiante. Além disso, é preciso definir os tipos de sistemas, que são classificados em isolado, fechado e aberto, de acordo com a troca de massa e energia com o exterior: o primeiro, sem nenhuma troca; o segundo, permitindo apenas troca de energia; e o último, permitindo troca de energia e matéria (WITTE; SCHMIDT; BROWN, 1988).
Dito isso, e considerando que a primeira lei da termodinâmica estabelece que a energia é conservada durante várias mudanças no estado da matéria, energia pode ser definida como a “propriedade de um sistema, fechado ou aberto, que lhe permite realizar trabalho e produzir calor”. A Figura 12 ilustra esta definição mostrando um sistema fechado que está recebendo um diferencial de calor (dQ) e produzindo um diferencial de trabalho (dW), o que provoca uma alteração diferencial na sua energia interna (dU).
Figura 12 – Balanço de energia em um sistema termodinâmico
Fonte: elaborado pelo autor
A primeira lei da termodinâmica define que a energia é conservada no balanço final desta troca de trabalho e calor. No entanto, a primeira lei se refere apenas a um equilíbrio geral de energia (igualdade entre entradas e saídas) de um sistema, conforme apresentado na Expressão (2.2), sem estabelecer parâmetros para os tipos de processos que podem ocorrer no interior desse sistema.
𝑑𝑈 = 𝑑𝑄 − 𝑑𝑊 (2.2)
Para a análise de dispositivos de conversão de energia, faz-se necessário recorrer à segunda lei da termodinâmica que, em sua forma mais elementar, estabelece que é impossível converter calor em trabalho sem nenhum efeito adicional; alguma perda, ou dispêndio de
dQ
dW dU
calor, necessariamente ocorre nesse processo. Em outras palavras, a segunda lei estabelece que no processo de conversão de calor em trabalho, a eficiência nunca poderá ser 100%, pois sempre haverá perdas.
A Figura 13 apresenta um resumo dos processos de conversão energética existentes no momento e suas respectivas tecnologias. A conversão se dá entre energias nas formas eletromagnética (radiação incidente solar/térmica), química, nuclear, térmica (combustíveis fósseis), cinética/mecânica, e elétrica.
Apesar do grande número de processos e de tecnologias para conversão de energia, o uso final predominante se restringe a: energia usada diretamente para geração de calor (conversão de energia química em térmica); e energia usada para produzir trabalho (força motriz, gerada pela conversão de energia elétrica ou térmica em energia cinética/mecânica). Esta informação pode ser melhor visualizada na Figura 14, que apresenta a distribuição do consumo total de energia no mundo por tipo de combustível, onde as fontes térmicas (Óleo, Gás Natural e Carvão) representam 66,5% do total, com pouca variação desde 1973 (75,8% do total). E pode ser corroborada pelo aumento da eletricidade na participação no consumo total (de 9,4% em 1973 para 18,5% em 2015), que é gerada principalmente a partir de fontes térmicas, como demonstrado na Figura 15, e que é utilizada principalmente para produzir força motriz e calor (Figura 11).
Figura 13 – Processos de conversão de energia
Figura 14 - Distribuição do consumo total de energia no mundo por tipo de combustível
Fonte: (IEA, 2017b)
1Outros incluem geotérmica, solar, eólica, solar, etc.
Figura 15 – Geração de eletricidade mundial por tipo de combustível.
Fonte: (IEA, 2017b).
2.2
Indicadores de Eficiência
Os indicadores de eficiência energética são ferramentas importantes para analisar as interações entre a atividade econômica e humana, o consumo de energia e as emissões de dióxido de carbono (CO2) e ainda revelam aos formuladores de políticas onde as economias
de energia podem ser feitas. Além de fornecerem informações sobre as tendências no consumo de energia, os indicadores de eficiência energética também podem ser usados para ajudar a modelar e prever a demanda futura de energia (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2014).
A Expressão (2.1) é uma representação genérica de eficiência energética, já que não existe uma medida quantitativa inequívoca para tal (PATTERSON, 1996), pois ela varia de acordo com a abrangência do sistema com que se trabalha. Definida a abrangência do sistema a ser analisado, o processo de definição de indicadores passa por quatro etapas, representadas na Figura 16.
Figura 16 – Processo de construção de indicadores de eficiência
Fonte: elaborado pelo autor com base em (PÉREZ-LOMBARD et al., 2012)
O objetivo principal do uso de energia é prover um serviço, que pode envolver diferentes atividades (transporte, iluminação, refrigeração, etc.) e a definição da qualidade deste serviço se apresenta como um limite para este objetivo. O ponto ideal de conforto para os ocupantes de um edifício a ser refrigerado, a iluminação adequada para um ambiente, a tonelagem a ser transportada, estes são exemplos qualitativos que devem ser definidos inicialmente para a definição posterior dos indicadores de eficiência energética. A qualidade do serviço também é chamada de Nível de Atividade.
Os Níveis de Agregação retratam uma hierarquia de abrangência do universo analisado que é representado de forma piramidal, da maior (topo da pirâmide) abrangência para o nível mais detalhado (menor abrangência, na base da pirâmide). Cada setor possui o(s) seu(s) indicador(es) de eficiência. A Figura 17 representa uma visão genérica dos níveis de agregação, passando de um nível global até o equipamento de uso final.
Esta hierarquia é importante porque mostra como as melhorias alcançadas no nível mais baixo (resultado da aplicação de programas MEPS em equipamentos, de progressos tecnológicos, reformas estruturais, ou até de mudanças de comportamento), podem ser vinculadas a uma hierarquia superior, explicitando uma cadeia de efeitos. A abrangência