produtos
O aumento dos consumos de energia eléctrica proporcionado pela elevada utilização dos sistemas de refrigeração, no armazenamento de produtos alimentares no estado refrigerado ou congelado tem merecido uma forte preocupação por parte dos investigadores.
Encontram-se estudos que analisam os consumos de energia nos estabelecimentos frigoríficos, como o de Poulsen (1986) e Singh (2008) que avaliaram os efeitos da temperatura de armazenamento, a temperatura ambiente e do volume de armazenagem sobre o consumo de energia eléctrica de um estabelecimento frigorífico e concluíram que estas variáveis têm uma forte influência sobre os consumos de energia. No mesmo sentido encontramos os trabalhos de Bosma (1995), Elleson e Freund (2004) e ETSU (1994) que analisaram o consumo da energia eléctrica em diferentes estabelecimentos frigoríficos, localizados em vários lugares do Mundo e estimaram valores de consumo específico para os estabelecimentos desses locais, e que se apresentam na tabela 1.7.
Faramarzi et al. (2002) refere que os sistemas de refrigeração dos estabelecimentos frigoríficos são responsáveis por mais de 70% do consumo de energia total. Segundo o autor, o desempenho do equipamento de refrigeração numa instalação de armazenamento pode beneficiar de soluções de eficiência energética, reduzindo assim os consumos de energia e melhorando a segurança alimentar proporcionando temperaturas desejáveis de conservação. Neste sentido, apresenta o estudo de eficiência energética de uma instalação frigorífica de um estabelecimento na Califórnia. A instalação foi submetida às seguintes intervenções: i) delimitação da área da doca de carregamento; ii) implementação de arrefecimento eficiente com desumidificação dessa zona para reduzir a carga térmica no interior do cais; iii) construção de novos equipamentos de frio com o melhor estado da arte disponível, contemplando um sistema avançado de controlo; iv) pressão de condensação flutuante; v) sub-arrefecimento dos evaporadores; vi) instalação de condensadores de alta eficiência (evaporativos) e motores com velocidade variável. Estas intervenções permitiram reduzir o consumo diário de energia em mais de 5% e reduzir o pico da potência absorvida em mais de 5% e aumentar a área de arrefecimento em 17%. Acresce ainda que o sistema de refrigeração passou a operar com pressões de aspiração mais altas e pressões de condensação mais baixas. As novas instalações permitem atingir a poupança diária de 102 kWh.
Em relação ao armazenamento em frio para conservação, Werner (2005) refere que a indústria de armazenamento na nova Zelândia conta com 460 estabelecimentos frigoríficos e apresenta um consumo de 571 GWh por ano, representando 5,2% da energia eléctrica gasta no sector indústria. A economia alcançada no conjunto do armazenamento de alimentos (refrigeração, congelação e misto) se todos os armazéns alcançassem o melhor consumo de referência, foi estimada em 22% ou seja, 125 GWh. O potencial de poupança de energia eléctrica para as categorias de armazenamento no estado refrigerado, misto e congelado seria de 26%, 23% e 15%,
respectivamente. O mesmo autor desenvolveu um conjunto de correlações preditivas para estimar o consumo de energia eléctrica de um equipamento de armazenamento de frio com base nos principais parâmetros do estabelecimento. O consumo de energia real para aquele estabelecimento foi de pelo menos 35% maior do que o previsto, sugerindo que se encontravam aí oportunidades significativas para melhorar a eficiência energética.
Para aferir o consumo específico de energia eléctrica em estabelecimentos refrigerados, na Califórnia Singh (2008) desenvolveu uma ferramenta de benchmarking baseado na Web para comparar o uso de energia eléctrica de um estabelecimento com base no levantamento de informação em vários estabelecimentos. Esta ferramenta de benchmarking permitiu comparar o desempenho energético entre estabelecimentos. Sendo uma ferramenta cuja informação foi recolhida em inquéritos, a mesma apresenta algumas limitações, como por exemplo, não inclui os efeitos das condições meteorológicas locais ou das condições de entrada dos produtos. Além disso, esta ferramenta também nada diz sobre os melhores valores possíveis, ou seja, mais eficientes sobre o consumo de energia que os estabelecimentos devem poder vir a alcançar.
Os estudos anteriores são baseados na determinação e uso do indicador do valor consumo específico de energia eléctrica por unidade de volume do espaço refrigerado (CEEV) para representar a eficiência energética de um estabelecimento. Neste caso considera-se que todo consumo de energia decorre da operação das câmaras frigoríficas do estabelecimento e que esta é de natureza eléctrica. O indicador CEEV é definido como,
3
(1.1)
m
kWh
m
armazenage
de
Volume
eléctrica
energia
de
anual
Consumo
CEEV
Estudos realizados em diversas câmaras frigoríficas industriais localizados na Europa, Nova Zelândia e EUA mostram que o valor de CEEV pode variar muito, neste caso, entre 19 kWh/m3 a
379 kWh/m3, conforme se pode observar na Tabela 1.7. Sobre este indicador, também Duiven e
Binard (2002) estimaram que os estabelecimentos frigoríficos apresentavam um consumo de energia eléctrica com valores compreendidos entre 30 e 50 kWh/m3/ano.
Tabela 1.7 - Visão geral dos estudos de benchmarking de estabelecimentos frigoríficos
Lugar ZelândiaNova 1 Reino Unido2 Holanda3 Centro Oeste dos EUA4 Califórnia5
Número de instalações de refrigeração analisadas 34 - 56 11 28 Volume de armazenamento (m3) 4640-93221 4000-230000 60000* 32000-210000 20000-171000 CEEV (kWh/m3) 26-379 34-124 35* 19-88 15-132
De acordo com Swain (2006) no Reino Unido o consumo anual de energia eléctrica no sector do armazenamento é de 900 GWh/ano sendo expectáveis poupanças da ordem dos 20 a 40%, com a aplicação de medidas de eficiência energética. Destaca ainda que, entre 1994 e 2006 já ocorreu uma redução de 7,5% no consumo anual de energia no sector e que os estabelecimentos mais eficientes utilizam cerca de menos de 78% de energia em relação aos menos eficientes.
Na Nova Zelândia, num estabelecimento de armazenamento de frio Brown e Lewis (2006) estudaram um conjunto de medidas de eficiência energética com vista a reduzir os consumos de energia. O estudo centrou-se em três áreas de oportunidade: i) pressão de condensação; ii) opções de controlo da pressão de aspiração; iii) controlo de velocidade nos ventiladores. No final, o estudo contabilizou um potencial de redução do consumo de energia em cerca de 9,5% do consumo anual do estabelecimento.
Também Evans (2007) estudou três estabelecimentos de armazenamento de frio, no Reino Unido. No estudo, efectua uma comparação entre os consumos de energia eléctrica e as cargas térmicas nos três estabelecimentos. O consumo de energia eléctrica de cada estabelecimento foi comparado com a carga térmica calculada, dividida pelo coeficiente de desempenho do sistema de refrigeração. Este foi calculado para cada ambiente, sob condições de funcionamento estáveis e incluiu o consumo de energia dos compressores e dos ventiladores, dos evaporadores e dos condensadores. Como conclusões do estudo, destaca-se que em relação às cargas térmicas as mais significativas são, por ordem de valores, as de transmissão de calor através das paredes, seguido das cargas fixas (ventiladores dos evaporadores), depois as de infiltrações através das portas e finalmente a temperatura dos produtos. Em relação à carga térmica de condução de calor através das paredes seriam alcançadas poupanças de energia da ordem de 35%, 47% e 67% se a espessura das paredes passasse de 122,5 mm (espessura inicial) para 203 mm, 245 mm e 330 mm, respectivamente. Sobre as cargas térmica fixas (Ventiladores e degelo), pouco se pode fazer, segundo o autor, a não ser conseguir manter o ventilador mais tempo parado. Relativamente à carga térmica de infiltração de ar pelas portas, o autor adianta que poderia ser conseguida uma poupança de energia eléctrica de cerca de 47% a 59% se fosse instalado uma protecção das portas (e.g., cortina com fitas de plástico, cortina de ar, portas rotativas). Em relação ao desempenho real (CEEV) dos três estabelecimentos frigoríficos analisados neste estudo, os resultados obtidos foram de 57,3 kWh/m3, 71,1 kWh/m3 e 57,9 kWh/m3,
respectivamente.
Em 2006, o Departamento de Governo do Reino Unido para o Meio Ambiente, Alimentação e Assuntos Rurais (DEFRA) financiou um projecto para "identificar, desenvolver e estimular o desenvolvimento e aplicação de tecnologias de refrigeração mais eficientes em termos energéticos e práticas de negócios para uso em todo o cadeia de alimentos sem comprometer a segurança e qualidade dos alimentos (James, 2009). O programa de pesquisa envolveu três tópicos: i) avaliação dos consumos de energia; ii) identificação de novas tecnologias energeticamente eficientes; iii) estudos de viabilidade sobre tecnologias promissoras. As dez tecnologias de refrigeração consideradas prioritárias no estudo foram a refrigeração na venda a retalho, refrigeração em catering, transportes refrigerados, armazenamento a frio,
arrefecimento nas refeições prontas, congelamento de batata quente, arrefecimento do leite, processamento de lacticínios (queijo), armazenamento de batata e finalmente o arrefecimento de carcaças. Detalhes destes processos são apresentados por Swain (2006).
Os padrões de consumo de energia das câmaras de conservação de alimentos de estabelecimentos frigoríficos foram avaliados por Singh (2008). O estudo contemplou três objectivos: desenvolvimento de um inquérito para recolha de informação; levantamento do tipo de tecnologias de conservação de energia; desenvolvimento de uma ferramenta de benchmarking baseada na Web para recepção de dados e fornecer informação aos operadores dos estabelecimentos para melhorar a sua eficiência energética. O estudo contou com 42 respostas ao inquérito e conclui que o consumo específico de energia do estabelecimento frigorífico diminui com o aumento da dimensão do estabelecimento, de acordo com a equação (1.2):
2275 , 0 Pr38,978
Volume
do
espaço
refrigerado
CEEV
ático (1.2)As unidades do CEEVPrático são em kWh/m3. Neste estudo foi ainda construída uma ferramenta de
apoio, baseada na web para os operadores poderem comparar os seus consumos com um valor de
benchmarking, dado pela equação (1.3). Esta equação resultou da equação das melhores práticas
(eq.1.2) com a subtracção do erro padrão obtido da análise da curva da regressão:
38,978(
)
0,1581
2275 , 0
o
refrigerad
espaço
do
Volume
CEEV
Benchmarking (1.3) Os resultados obtidos no estudo são consistentes com os obtidos noutros estudos realizados na Nova Zelândia, Países Baixos, Reino Unido e Estados Unidos da América, e que são apresentados na Tabela 1.7.No mesmo trabalho, são apresentadas nove medidas de poupança de energia que a ser aplicadas naquele tipo de estabelecimentos frigoríficos, podem contribuir para a melhoria da eficiência energética. As medidas avançadas são as seguintes: i) substituição do isolamento; ii) arrefecimento dos telhados ou coberturas; iii) utilização de tecnologias eficientes de iluminação; iv) utilização de condensadores evaporativos; v) arrefecimento do óleo do termossifão; vi) implementação de um mecanismo automático de controlo do sistema de refrigeração; Vii) utilização de variadores de velocidade nos ventiladores do condensador e do evaporador; viii) pressão de condensação flutuante; ix) instalação de sensores nas portas. Com a aplicação destas medidas, no seu conjunto, consegue-se melhorias de consumos de energia compreendidas entre 22% a 74%.
Também com o objectivo de desenvolver uma ferramenta de benchmarking baseado na web Prakash (2008) constrói um modelo que prevê as cargas térmicas e o uso de energia de um estabelecimento de frio, numa base mensal ou anual. Fundamentalmente o trabalho consistiu em três passos: no primeiro realiza-se a determinação das cargas térmicas do armazém refrigerado relativo a todas as fontes possíveis, tais como as paredes, infiltração de ar quente através das
portas, actividade das pessoas, actividade das empilhadoras, entrada de produtos, luzes, ventiladores do evaporador e descongelamentos; no segundo calcula-se a energia eléctrica utilizada pelos sistemas de refrigeração para remover os ganhos de calor no armazenamento, e finamente o terceiro passo consistia na quantificação dos consumos de energia eléctrica de todos os equipamentos do armazém para obtenção do consumo total de energia eléctrica gasta no estabelecimento. A ferramenta permite que o utilizador possa inserir os dados básicos, tais como, localização, dimensão do tamanho do estabelecimento e as condições de funcionamento. Como resultado a ferramenta gera estimativas do consumo eléctrico e os valores de referência do CEEV.
Este estudo permite concluir que: i) é possível estimar o consumo de energia eléctrica num estabelecimento de congelados usando o balanço teórico das cargas térmicas e que os valores teóricos de CEEV e os valores reais diferiram apenas 11% num estabelecimento de congelados que foi seleccionado para validação; ii) o sistema de iluminação, afecta os valores CEEV substancialmente. Uma iluminação mais eficiente melhora o CEEV em 20% - utilizando os níveis de iluminação de 8 W/m2 em vez de 10 W/m2, o CEEV pode ser reduzido em 2,30 kWh/m3 (±10%);
iii) a energia térmica da carga do produto pode afectar substancialmente o CEEV. Se todos os produtos entram no interior do estabelecimento a uma temperatura 20°C superior à temperatura de conservação, o CEEV pode aumentar cerca de 60%; iv) comparando com outras cargas térmicas, a carga correspondente às infiltrações é geralmente pequena. Ela contribui com menos do que 5% ao valor total do CEEV. O modelo desenvolvido foi implementado em FlashTM (Adobe Systems Inc.), em ambiente informático para poder ser acessível via on-line pelos proprietários, para eles poderem simular os seus dados dos estabelecimentos.
Evans et al. (2013) apresenta o trabalho designado ICE-E (Improving Cold Storage Equipment in Europe) destinado à criação de ferramentas que visam a redução do consumo de energia e a emissão dos gases com efeito de estufa da indústria do frio através da aplicação de equipamentos mais eficientes, tendo em conta as normas de energia e ambientais da EU. O projecto teve um conjunto de iniciativas técnicas que incluíram: i) benchmarking; ii) auditorias a estabelecimentos frigoríficos; iii) análise de informação; iv) utilização de modelos matemáticos; v) programas de educação e divulgação e finalmente, vi) aconselhamento financeiro para identificar e aplicar as iniciativas com consumos de energia eficientes.
Os principais dados recolhidos foram a temperatura do ponto de controlo (set-point), a área útil e o volume de armazenamento, a quantidade de produtos e o consumo anual de energia. Ao todo foram recolhidos dados em 329 câmaras frigoríficas e envolveu 21 países europeus incluindo Portugal.
Os volumes dos estabelecimentos refrigerados, congelação e mistas ficaram compreendidos entre os valores de 57 a 225000 m3, 100 a 291280 m3 e 9100 a 180000 m3, respectivamente.
Em resultado das auditorias foram identificadas 21 deficiências que depois de corrigidas podem contribuir para a melhoria da eficiência energética dos estabelecimentos de produtos refrigerados e congelados. Em geral, em cada estabelecimento foram identificadas entre 2 a 12 deficiências. Também foram identificados os níveis de poupança que se podem alcançar. O
potencial de economia de energia foi encontrado em todas os estabelecimentos auditados, e o nível total de economia variou entre 8-72% do consumo anual de energia eléctrica. Na figura 1.6 apresentam-se as deficiências detectadas nos estabelecimentos (lado esquerdo) e o potencial de poupança de energia correspondente à correcção dessa deficiência (lado direito).
Figura 1.6 - Deficiências encontradas nos estabelecimentos de conservação de alimentos (lado esquerdo) e potencial de poupança de cada deficiência (lado direito) Fonte: (Evans,2013).
Os resultados do projecto ICE-E mostraram que existe uma grande variabilidade na energia utilizada por estabelecimentos frigoríficos. O CEEV variou entre 4 e 250 kWh/m3/ano para
estabelecimentos refrigerados, entre 6 e 240 kWh/m3/ano para estabelecimentos de congelados
e entre 23 e 157 kWh/m3/ano para os estabelecimentos de conservação mistos. Neste estudo
foram desenvolvidos programas computacionais para estimar os consumos de energia eléctrica nos estabelecimentos (Foster et al., 2013).
As medidas de eficiência energética que foram implementadas num dos maiores estabelecimentos de refrigerados e congelados da Austrália são apresentadas detalhadamente no trabalho de Hilton (2013). Apesar da capacidade de armazenamento ter aumentado de 2009 para 2010 a eficiência energética melhorou de 53,5 kWh/m3 para 37,6 kWh/m3. As principais medidas
aplicadas foram as seguintes: i) construção de novos edifícios e instalação de novos equipamentos de refrigeração com elevados padrões de eficiência energética; ii) aferição da eficiência energética da instalação de refrigeração; iii) monitorização e controle da temperatura da câmara de refrigeração; iv) melhoria do design da porta para reduzir infiltrações; v) substituição dos equipamentos de iluminação por lâmpadas tipo LED; vi) modernização ACV (inversores de frequência) para os compressores de parafuso, ventiladores dos evaporadores e condensadores evaporativos; vii) sobredimensionamento dos condensadores evaporativos.
Segundo Raeisi (2013) também se pode economizar energia eléctrica nos sistemas de refrigeração através da inactivação do sistema por determinados períodos de tempo ou mesmo através da redução da capacidade dos sistemas, mediante a aplicação de armazenagem de energia térmica no interior das câmaras. O autor refere que esta técnica permite: i) mudar a utilização de energia eléctrica do sistema de refrigeração para fora do horário de pico, com o
potencial dos preços mais baixos da electricidade; ii) aumentar a autonomia de operação do equipamento de refrigeração, o que pode reduzir as perdas de alimentos em casos de interrupção de energia e mau funcionamento do equipamento; iii) oferecer oportunidades para o transporte e comercialização de produtos alimentares em locais remotos e locais sem abastecimento de energia eléctrica.