conservação de energia - eficiência energética de equipamentos e instalações
TRANSCRIPT
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Conservaode Energia
Conservaode Energia
Eficincia Energtica de Equipamentos e Instalaes
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3a Edio
Eletrobrs / PROCEL EDUCAO
Universidade Federal de Itajub
FUPAI
Itajub, 2006
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CONSERVAO DE ENERGIAEficincia Energtica de Equipamentos e Instalaes
Coordenao
Milton Csar Silva Marques (Eletrobrs/PROCEL)
Jamil Haddad (Universidade Federal de Itajub)
Andr Ramon Silva Martins (Universidade Federal de Itajub)
Autores*
Afonso Henriques Moreira Santos
Alexandre Augusto Simes
Andr Ramon Silva Martins
Augusto Nelson Carvalho Viana
Cludio Ferreira
Edson da Costa Bortoni
Eduardo Crestana Guardia
Electo Eduardo Silva Lora
Fbio Jos Horta Nogueira
Flvio Neves Teixeira
Jamil Haddad
Jos Antnio Cortez
Luiz Augusto Horta Nogueira
Manuel da Silva Valente de Almeida
Marcelo Jos Pirani
Marcos Vincius Xavier Dias
Milton Csar Silva Marques**
Osvaldo Venturini
Paulo Henrique Ramalho Pereira Gama
Pedro Paulo de Carvalho Mendes
Roberto Akira Yamachita
Valberto Ferreira da Silva
* Professores e Pesquisadores da Universidade Federal de Itajub** Eletrobrs / PROCEL
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Equipe de diagramao e criao de capa:
Marcos Vincius Xavier Dias Maringela Dieb Farah
Reviso de texto:
Patrcia Machado Silva
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A publicao do livro Conservao de Energia: Eficincia Energtica de Equipa-mentos e Instalaes s foi possvel graas ao apoio do PROCEL EDUCAO, subprogra-ma do PROCEL - Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica, cuja secretaria executiva encontra-se na Eletrobrs, empresa do Ministrio de Minas e Energia.
A reproduo parcial ou total desta obra s permitida com a devida auto-rizao dos autores. As opinies mencionadas na presente publicao so de res-ponsabilidade dos autores e no representam necessriamente o ponto de vista da Eletrobrs / PROCEL.
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MINISTRIO DE MINAS E ENERGIA
MinistroSilas Rondeau Cavalcante Silva
DEpARTAMENTO NACIONAl DE DESENVOlVIMENTO ENERGTICO
DiretoraLaura Cristina da Fonseca Porto
MINISTRIO DA EDUCAO
MinistroFernando Haddad
CENTRAIS ElTRICAS BRASIlEIRAS S. A. - Eletrobrs
presidenteAlosio Vasconcelos
pROGRAMA NACIONAl DE CONSERVAO DE ENERGIA ElTRICA- pROCEl
Secretrio ExecutivoJoo Ruy Castelo Branco de Castro
SupervisoLuiz Eduardo Menandro de VasconcellosHamilton Pollis
Coordenao GeralMilton Csar Silva Marques
UNIVERSIDADE FEDERAl DE ITAJUB
ReitorRenato de Aquino Faria Nunes
FUpAI
presidenteDjalma Brighenti
Ficha Tcnica
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VII
Prefcio .................................................................................................................................... XV
Apresentao ........................................................................................................................ XVII
Captulo 1 O pROCEl EDUCAO
Milton Csar Silva Marques
1.1. PROCEL na educao bsica .................................................................................... 2
1.2. PROCEL EDUCAO nas instituies de ensino superior (IESS) ................. 7
1.3. PROCEL EDUCAO nas escolas tcnicas de nvel mdio ............................ 8
Captulo 2 ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS
Luiz Augusto Horta Nogueira
2.1. Definies ....................................................................................................................... 13
2.2. As formas de energia .................................................................................................. 15
2.3. As leis das converses energticas ........................................................................ 21
2.4. Recursos energticos.................................................................................................. 29
2.5. Terminologia energtica ........................................................................................... 31
2.6. Referncias bibliogrficas ......................................................................................... 37
Captulo 3 ENERGIA E MEIO AMBIENTE
Electo Eduardo Silva Lora e Flvio Neves Teixeira
3.1. Introduo ...................................................................................................................... 43
3.2. Consumo e reservas de energia no mundo ....................................................... 45
3.3. Consumo e reservas de energia no Brasil ........................................................... 55
3.4. A energia e o efeito estufa ........................................................................................ 59
3.5. O protocolo de Kyoto ................................................................................................. 69
ndice
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VIII
3.6. A energia e a chuva cida ......................................................................................... 77
3.7. A poluio do ar nas megacidades ....................................................................... 79
3.8. A gerao termeltrica e a poluio do ar .......................................................... 80
3.9. Padres de qualidade do ar e de emisso .......................................................... 89
3.10. Controle de emisses de poluentes durante a converso energtica ... 95
3.11. A preveno da poluio durante a converso de energia: conservao e eficincia......................................................................................... 110
3.12. Referncias bibliogrficas ....................................................................................... 123
Captulo 4 AUDITORIA ENERGTICA
Luiz Augusto Horta Nogueira
4.1. Introduo ...................................................................................................................... 129
4.2. Uma questo de terminologia ................................................................................ 130
4.3. A auditoria energtica e a eficincia dos sistemas energticos .................. 131
4.4. A auditoria energtica na prtica ........................................................................... 134
4.5. Comentrios e sofismas finais ................................................................................. 144
4.6. Referncias bibliogrficas ......................................................................................... 146
Captulo 5 TARIFAO DE ENERGIA ElTRICA
Jamil Haddad, Paulo Henrique Ramalho Pereira Gama e Eduardo Crestana Guardia
5.1. Introduo ...................................................................................................................... 149
5.2. Sistema eltrico ............................................................................................................ 153
5.3. Definies e conceitos ............................................................................................... 154
5.4. Tenso de fornecimento ............................................................................................ 160
5.5. Estrutura tarifria ......................................................................................................... 162
5.6. Faturamento .................................................................................................................. 164
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IX
5.7. ETST Energia temporria para substituio .................................................... 170
5.8. ICMS: cobrana e sua aplicao .............................................................................. 171
5.9. Cobrana de multa e seu percentual .................................................................... 171
5.10. Fator de potncia ou energia reativa excedente ........................................... 171
5.11. Anlise do perfil de utilizao de energia eltrica ........................................ 177
5.12. A importncia dos indicadores de eficincia energtica ............................ 186
5.13. Comercializao de energia .................................................................................. 189
5.14. Referncias bibliogrficas ....................................................................................... 193
Captulo 6 ANlISE ECONOMICA EM CONSERVAO DE ENERGIA
Edson da Costa Bortoni e Afonso Henriques Moreira Santos
6.1. Introduo ...................................................................................................................... 195
6.2. O fluxo de caixa ............................................................................................................ 195
6.3. Critrios para tomada de deciso .......................................................................... 198
6.4. Tpicos avanados ....................................................................................................... 209
Captulo 7 - IlUMINAO
Roberto Akira Yamachita, Jamil Haddad e Marcos Vincius Xavier Dias
7.1. Introduo ...................................................................................................................... 213
7.2. Definies ....................................................................................................................... 213
7.3. Lmpadas incandescentes ....................................................................................... 225
7.4. Lmpadas de descarga .............................................................................................. 227
7.5. Clculo de iluminao ................................................................................................ 238
7.6. Referncias bibliogrficas ......................................................................................... 246
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XCaptulo 8 BOMBAS DE FlUXO E VENTIlADORES
Augusto Nelson Carvalho Viana
8.1. Introduo ...................................................................................................................... 249
8.2. Conceitos e definies ............................................................................................... 250
8.3. Comportamento das bombas de fluxo e ventiladores .................................. 267
8.4. Anlise da bomba operando com rotao constante e varivel ................ 273
8.5. Balano de energia no conjunto moto-bomba ou moto-ventilador ........ 274
8.6. Laboratrios de ensaios de bombas ..................................................................... 276
8.7. Consideraes e comentrios ................................................................................. 287
8.8. Referncias bibliogrficas ......................................................................................... 290
Captulo 9 REFRIGERAO E AR CONDICIONADO
Marcelo Jos Pirani, Osvaldo Venturini, Alexandre Augusto Simes e Manuel da Silva Valente de Almeida
9.1. Introduo ...................................................................................................................... 293
9.2. Conceitos importantes .............................................................................................. 294
9.3. Refrigerao por compresso de vapor ............................................................... 300
9.4. Refrigerao por absoro de vapor ..................................................................... 313
9.5. Bombas de calor ........................................................................................................... 315
9.6. Ar condicionado ........................................................................................................... 320
9.7. Fluidos refrigerantes ................................................................................................... 330
9.8. Termoacumulao ....................................................................................................... 340
9.9. Conservao de energia em sistemas de refrigerao ................................... 344
9.10. Referncias bibliogrficas ....................................................................................... 347
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XI
Captulo 10 CAlDEIRAS E FORNOS
Andr Ramon Silva Martins e Fbio Jos Horta Nogueira
10.1. Introduo ................................................................................................................... 349
10.2. Conceitos basicos ...................................................................................................... 349
10.3. Combustveis .............................................................................................................. 356
10.4. Combusto .................................................................................................................. 363
10.5. Fornos e caldeiras ...................................................................................................... 371
10.6. Isolantes trmicos e refratrios ............................................................................ 384
10.7. Eficincia trmica ...................................................................................................... 388
10.8. Referncias bibliogrficas ....................................................................................... 394
Captulo 11 ACIONAMENTOS COM MOTORES DE INDUO TRIFSICOS
Edson da Costa Bortoni e Afonso Henriques Moreira Santos
11.1. Introduo ................................................................................................................... 397
11.2. A maquina Motor de Induo ............................................................................ 398
11.3. Motor de alto rendimento...................................................................................... 402
11.4. Partida de motores ................................................................................................... 414
11.5. Anlise trmica ........................................................................................................... 420
11.6. Aplicao eficiente .................................................................................................... 424
11.7. Fatores de influncia no desempenho de motores ...................................... 427
11.8. Anlise econmica .................................................................................................... 430
11.9. Economia de energia com o uso de controles de velocidade .................. 432
11.10. Referncias bibliogrficas .................................................................................... 435
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XII
Captulo 12 COMpRESSORES E AR COMpRIMIDO
Fbio Jos Horta Nogueira
12.1. Introduo ................................................................................................................... 439
12.2. Histrico ........................................................................................................................ 439
12.3. Importncia do ar comprimido ............................................................................ 441
12.4. Compressores ............................................................................................................. 442
12.5. Tpicos bsicos sobre termodinmica ............................................................... 449
12.6. Instalaes de ar comprimido .............................................................................. 461
12.7. Aumento da eficincia energtica ...................................................................... 467
12.8. Referncias bibliogrficas ....................................................................................... 473
Captulo 13 TRANSFORMADORES
Edson da Costa Bortoni, Pedro Paulo de Carvalho Mendes, Cludio Ferreira e Roberto Akira Yamachita
13.1. Caractersticas construtivas ................................................................................... 477
13.2. Perdas eltricas em transformadores ................................................................. 481
13.3. Clculo das perdas em um transformador ....................................................... 485
13.4. Clculo da eficincia de um transformador ..................................................... 487
13.5. Operao de transformadores em paralelo ..................................................... 489
13.6. Novas tecnologias ..................................................................................................... 490
13.7. Operao otimizada ................................................................................................. 494
13.8. Referncias bibliogrficas ....................................................................................... 501
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XIII
Captulo 14 INVERSORES DE FREQUNCIA
Valberto Ferreira da Silva e Jos Antnio Cortez
14.1. Introduo ................................................................................................................... 503
14.2. Diagrama em blocos ................................................................................................ 503
14.3. Sentido do fluxo de potncia ................................................................................ 504
14.4. A tcnica de gerao das tenses ....................................................................... 505
14.5. Outras tcnicas ........................................................................................................... 505
14.6. Funcionamento interno .......................................................................................... 509
14.7. Inversor trifsico ........................................................................................................ 510
14.8. Caractersticas do MIT .............................................................................................. 514
14.9. Aplicaes .................................................................................................................... 515
14.10. Inversores microprocessados ............................................................................. 518
14.11. Tendncias ................................................................................................................. 521
14.12. Referncias bibliogrficas .................................................................................... 523
Captulo 15 - QUAlIDADE DA ENERGIA ElTRICA
Paulo Henrique Ramalho Pereira Gama
15.1 Introduo .................................................................................................................... 525
15.2. Os programas de conservao de energia eltrica e seus impactos sobre a qualidade da energia eltrica ............................................................... 563
15.3. Exemplos de medidas de distores harmnicas causadas por algumas medidas de conservao ............................................................. 572
15.4. Quantificao e contabilizao das perdas devido aos harmnicos ...... 582
15.5. Referncias bibliogrficas ....................................................................................... 589
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XV
Para definir estratgias, como a de mobilizar a sociedade para o uso respon-svel e eficiente da energia eltrica, combatendo seu desperdcio, o Governo Federal, por intermdio do Ministrio de Minas e Energia, criou, em 1985, o PROCEL - Progra-ma Nacional de Conservao de Energia Eltrica, cuja Secretaria Executiva exercida pela Eletrobrs.
Ao economizar energia, estamos adiando a necessidade de construo de novas usinas geradoras e sistemas eltricos associados, disponibilizando recursos para outras reas e contribuindo para a preservao da natureza.
A partir de sucessivas crises nacionais e internacionais, afetando o abasteci-mento, durante as quais a economia de energia passou a fazer parte de um grande esforo nacional de combate ao desperdcio, o PROCEL ampliou sua rea de atuao, desenvolvendo uma srie de projetos, dirigidos para as classes de consumo indus-trial, comercial, residencial, iluminao pblica, rural e poder pblico, com nfase em prdios pblicos.
Concomitantemente, dentre outras iniciativas relevantes, o Programa con-tribuiu para a melhoria do rendimento energtico de materiais e equipamentos el-tricos de uso final, por meio da outorga do Selo de Economia de Energia, capacitou tecnologicamente centros de pesquisa e laboratrios, visando implementao da Lei de Eficincia Energtica (Lei 10.295 de 17 de outubro de 2001), alm de interagir com a Educao Formal do Pas em conformidade com a Lei de Diretrizes e Bases da Educao Nacional, com o objetivo de retirar o consumo perdulrio do Brasil, avalia-do em cerca de 20% do consumo total de energia eltrica do pas.
A interao com o processo educativo se fez, a partir de 1993, por meio de um Acordo de Cooperao Tcnica entre os Ministrios de Minas e Energia e o da Educao, estabelecendo, para cada nvel de ensino, uma forma apropriada de abor-dar as questes da conservao de energia.
Na Eletrobrs/PROCEL, o ncleo denominado PROCEL EDUCAO se orga-nizou para atender nova demanda, estabelecendo parcerias com competncias tcnicas educativas que pudessem desenvolver um produto adequado Educao Bsica, Educao Mdia Tcnica e Educao Superior.
Prefcio
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XVI
A conservao de energia, como conceito socioeconmico, tanto no uso final como na oferta de energia, est apoiada em duas ferramentas, para conquistar sua meta: mudana de hbitos e eficincia energtica. Na rea educativa, o foco mudan-a de hbitos ficou sediado na Educao Bsica (Infantil, Fundamental e Mdia). Nas Escolas Tcnicas (nvel mdio) e nas Instituies de Nvel Superior, ficaram sediadas as questes da eficincia energtica, diretamente ligadas s tcnicas e tecnologias disponveis para a conservao de energia.
A eficincia energtica, como instrumento de conservao de energia, cada vez mais se aproxima das necessidades do cidado brasileiro, notadamente, aque-les que compem os corpos docentes e discentes de nossas universidades. Assim sendo, preciso que sistemas, metodologias, tecnologias, materiais e equipamen-tos, que possibilitem melhoria da eficincia eletro energtica, sejam conhecidos por professores e alunos do ensino superior, principalmente os de engenharia e os de arquitetura, os quais esto diretamente conectados ao tecnicismo envolvido com esse tema.
com esse intuito que esta publicao, resultado da parceria entre a Eletro-brs/PROCEL e a Universidade Federal de Itajub (UNIFEI-MG), se renova para con-tinuar atendendo s disciplinas de eficincia energtica nas Instituies de Ensino Superior e aos profissionais que, porventura, trabalhem ou se interessem por esse assunto.
Luiz Eduardo Menandro de VasconcellosEletrobrs/PROCEL
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XVII
Apresentao Esta obra, revisada e ampliada, busca apresentar os fundamentos e as tec-nologias para o uso racional da energia, para os setores industrial e de servio. De fato, nunca se falou tanto de energia e de como conserv-la como agora, seja como decorrncia da crise energtica brasileira de 2001 ou das preocupaes ambien-tais e geo-polticas mundial relacionadas aos combustveis fsseis e seus provveis substitutivos. Assim, o surgimento de um quadro de dificuldades para o atendimen-to do mercado de energia eltrica a partir de maio de 2001, impondo diversas aes governamentais e de toda a sociedade restituram ao tema energia a verdadeira dimenso que lhe foi subtrada desde que os efeitos dos choques do petrleo dos anos setenta foram diludos ao longo das dcadas seguintes.
Embora esse assunto tenha ganhado repercusso e chegado s pginas dos jornais, no se trata de um tema novo, pois h anos engenheiros, economistas e executivos envolvidos com sistemas energticos tm sido freqentemente con-clamados a conservar energia e reduzir desperdcios nos mais variados nveis de produo e consumo. De fato, usar bem a energia uma forma inteligente de gerir adequadamente as demandas e melhorar a produtividade em qualquer contexto, com benefcios ambientais e econmicos, tanto em escala local como para toda a nao. Usar bem energia talvez seja uma das poucas alternativas para enfrentar racionalmente as preocupantes expectativas de expanso da demanda.
Um primeiro momento onde a conservao de energia se destacou foi exa-tamente a partir dos choques de petrleo ocorridos na dcada de 70, que impuse-ram a necessidade de se economizar petrleo e seus derivados como conseqncia da elevao brusca dos preos internacionais deste insumo. Nesse sentido, pode-se citar como um primeiro esforo institucional de conservao de energia, com metas claramente definidas e na rea de combustveis lquidos, o Protocolo assinado, em 1979, entre o ento Ministrio da Indstria e do Comrcio e a ANFAVEA, prevendo uma reduo de 20% do consumo de combustveis atravs de automveis a lcool. Enquanto a primeira fase do PROLCOOL aps 1973 tratava do lcool aditivado, a segunda fase, aps 1979, necessitava de motores desenvolvidos para funcionarem com lcool hidratado (no apenas com a adio do lcool a gasolina). Com esse programa se colocava a questo da introduo de novas tecnologias e no apenas o aperfeioamento dos automveis que j existiam. Tambm nesta poca, o gover-no federal ofereceu estmulos conservao e substituio do leo combustvel
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XVIII
consumido na indstria, criando em 1981 o programa CONSERVE no mbito do Mi-nistrio da Indstria e Comrcio.
conjuntura recessiva da dcada de oitenta seguiu-se uma reduo no consumo de energia eltrica, gerando um excedente que seria comercializado sob a denominao de Energia Garantida por Tempo Determinado - EGTD. Esta inicia-tiva combinou-se perfeitamente com a anterior, sendo verificado uma crescente utilizao da eletricidade para fins trmicos. A eletrotermia contribuiu significa-tivamente para reduo do consumo dos derivados, introduzindo novos patama-res de eficincia na indstria e abrindo um mercado at ento inexplorado pelas concessionrias de energia. Ultrapassando o limite at ento estabelecido pelo medidor de energia, as companhias distribuidoras passam a entrar nas instalaes dos consumidores, diagnosticando seus equipamentos, propondo tecnologias efi-cientes e contribuindo para a venda de novos produtos mais eficientes energetica-mente. Inmeros institutos de pesquisa tiveram atuao relevante tanto no mbito do Conserve como na comercializao da EGTD, onde se destacaram o Instituto de Pesquisas Tecnolgicas - IPT, em So Paulo, e o Instituto Nacional de Tecnologia - INT, no Rio de Janeiro.
Ocorre que aqueles excedentes de eletricidade no eram perenes e o avilta-mento das tarifas combinou-se perversamente com a retomada do crescimento da economia, anunciando desde ento a crise que eclodiria quinze anos aps. Naquela ocasio, o Ministrio das Minas e Energia - MME procurando adiantar-se escassez, assumiu a liderana do processo de fomento eficincia energtica e implantou, em fins de 1985, o Programa de Conservao de Energia Eltrica (PROCEL).
Uma das iniciativas pioneiras patrocinadas pelo Programa foram os proje-tos de Diagnstico do potencial de conservao de energia eltrica nas empresas dos setores industrial e comercial. Data desta poca, tambm, o Manual de auto-avaliao dos pontos de desperdcio de energia eltrica, patrocinado pela ento Agncia de Aplicao de Energia de So Paulo.
Desenvolvendo estudos aplicados em sistemas energticos desde 1980, um grupo de professores da Escola Federal de Engenharia de Itajub (EFEI), hoje Universidade Federal de Itajub (UNIFEI), com o apoio primeiro da Companhia Energtica de Minas Gerais (CEMIG) e hoje tambm do PROCEL, criaram em 1988,
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XIX
o Curso sobre Estudos de Otimizao Energtica (COENE). Era preocupao dos coordenadores do curso que os ento estudos de diagnstico energtico fossem complementados por projetos de otimizao energtica, buscando contemplar os diversos usos da energia, integrando as vrias formas da energia. Um dos objetivos deste curso era -e continua sendo- capacitar tcnicos na elaborao de estudos es-pecficos e setoriais de racionalizao energtica, propondo solues integrais de conservao de energia.
Um diferencial importante desta iniciativa foi o desenvolvimento de traba-lhos de campo, em estabelecimentos comerciais e industriais da regio, onde os participantes do curso puderam colocar em prtica os ensinamentos tericos vistos nas aulas e nos laboratrios da UNIFEI. Ao final de duas semanas de treinamento, as equipes apresentavam para os professores e representantes das empresas envolvi-das nos projetos, os resultados encontrados nos estudos de otimizao energtica.
Durante as vrias edies do COENE desenvolveu-se um extenso material didtico, utilizado como apoio nas aulas. Os artigos e apostilas produzidas deram origem a este livro, agora disponvel para todos profissionais interessados em intro-duzirem-se ou aprofundarem-se nas tcnicas da eficincia energtica. Chega em hora extremamente oportuna, portanto.
importante registrarmos o apoio que sempre tivemos dos funcionrios e dirigentes da FUPAI bem como dos colegas e corpo administrativo da UNIFEI.
Este trabalho ao mesmo tempo estimulante e gratificante, tornou-se pos-svel somente devido confiana do PROCEL e da CEMIG depositada naquele gru-po de professores e alunos da ento EFEI. Gostaramos, ento, de expressar nossa gratido, inicialmente CEMIG, representada na poca pelos Engenheiros Jaime Antnio Burgoa e Ricardo Cerqueira. O apoio da Eletrobrs e do PROCEL foram fun-damentais para viabilizar este projeto. Destas entidades recebemos o incentivo de vrios colegas e entusiastas da eficincia energtica, tanto ao nvel da sua Diretoria, na pessoa do seu presidente, Dr. Firmino Ferreira Sampaio Neto e, bem como do Dr. Mrio Fernando de Melo Santos, ento diretor de operao de sistemas e secre-trio executivo do PROCEL. No poderamos deixar de mencionar o apoio efetivo de Paulo Cezar Coelho Tavares, Geraldo da Silva Pimentel, Jos de Alencar Medeiros Filho e Marcos Luiz Rodrigues Cordeiro, ento dirigentes do Programa. Da mes-
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XX
ma forma, os atuais diretores da Eletrobrs e executivos do PROCEL continuaram depositando sua confiana em nossas aes, onde fazemos questo de agradecer o apoio do atual Presidente, Dr. Aloisio Marcos Vasconcelos Novais, do Diretor de projetos especiais e desenvolvimento tecnolgico e industrial, Dr. Joo Ruy Castelo Branco de Castro , do chefe do departamento de planejamento e estudos de con-servao de energia, Dr. Luiz Eduardo Menandro de Vasconcellos e os responsveis das divises de suporte tcnico Dr. Emerson Salvador e Hamilton Pollis.
Este rol de agradecimentos ficaria incompleto se no registrssemos o efe-tivo comprometimento dos responsveis pela coordenao dos projetos na rea educacional, por parte do PROCEL, Engo Milton Marques. importante tambm ci-tarmos profissionais do PROCEL que sempre nos apoiaram, como Renato Pereira Mahler, Ronaldo de Paula Tabosa, Marina Godoy Assuno, Paulo Augusto Leonelli, George Alves Soares, Fernando Pinto Dias Perrone, Snia Guilliod, Vanda Alves dos Santos, Edivaldo Carneiro Rodrigues, Fernando Luiz Conde de Figueiredo, de quem tivemos imprescindvel confiana, apoio e estmulo necessrios ao desenvolvimen-to dos trabalhos em conservao de energia. A eles e tantos outros que conosco participam desta cruzada em prol da eficincia energtica, considerem-se, portan-to, co-autores desta obra, pois a mesma fruto do trabalho e dedicao coletiva.
Afonso Henriques Moreira Santos
Jamil Haddad
Luiz Augusto Horta Nogueira
Itajub, outubro de 2006
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O PROCEL EDUCAO
Captulo 1
O pROCEl EDUCAO
O PROCEL EDUCAO um dos subprogramas do Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica PROCEL.
Trata-se de um subprograma que disponibiliza informaes para os diversos n-veis de ensino da educao formal do Brasil, visando ao perfeito entendimento das ferra-mentas da conservao de energia: a Mudana de Hbitos e a Eficincia Energtica.
Cada nvel formal de ensino est sujeito Lei de Diretrizes e Bases da Educa-o Nacional - LDB e, tudo que levado rea educativa deve estar em conformida-de com a LDB e com os Parmetros Curriculares Nacionais - PCNs.
Por isso, sendo o PROCEL, por meio do PROCEL EDUCAO, um canal e um manancial informativo, dirigido rea educativa, toda essa informao deve respeitar a LDB e os PCNs e, dessa forma, cada nvel de ensino trabalhado de maneira especfica.
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CONSERVAO DE ENERGIA
1.1. pROCEl NA EDUCAO BSICA
HISTRICO
O Ministrio de Minas e Energia - MME, o Ministrio da Educao e do Des-porto - MEC e a Centrais Eltricas Brasileiras - Eletrobrs assinaram um Acordo de Cooperao Tcnica em 09/12/93, que foi renovado em 05/06/96 e retomado em julho de 2005. Esse acordo tem o objetivo de estabelecer uma parceria efetiva entre as reas de Energia e da Educao, para dar carter institucional s atividades de Combate ao Desperdcio de Energia, em todos os nveis de ensino do Pas.
Atualmente, as Concessionrias de Energia Eltrica, em parceria com a Eletrobrs/PROCEL, tm implantado o PROCEL EDUCAO na Educao Bsica do Pas. Alm disso, desenvolve cursos de capacitao para professores, com carga horria de 12 horas, ministrados pelos seus tcnicos multiplicadores, com posterior acompanhamento das atividades dos professores atravs de reunies peridicas anuais.
O PROCEL NA EDUCAO BSICA (Infantil, Fundamental e Mdia), um proje-to que tem como objetivo capacitar professores desses nveis de Ensino para o Comba-te ao Desperdcio de Energia. Para isso utiliza como canal de comunicao um Progra-ma de Educao Ambiental denominado A Natureza da Paisagem Energia, que se desenvolve sob determinados princpios fundamentais como processo permanente, totalidade, teoria e prtica, resoluo de problemas imediatos, mudana de hbitos e qualidade de vida, de forma que os professores possam desenvolver atividades inter-disciplinares, junto a seus alunos, dentro do tema transversal Meio Ambiente.
Desenvolver novos hbitos relativos ao uso da energia eltrica atravs de um programa de educao nas escolas traz benefcios imediatos, como a reduo do desperdcio de energia na residncia dos alunos-alvos do programa. De mdio e longo prazos, visa-se formao de um cidado consciente sobre a importncia de utilizar a energia eltrica sem desperdcio, postergando a construo de usinas, os impactos ambientais e preservando a qualidade de vida tanto da gerao atual, como da futura.
pONTOS CHAVES
Sensibilizar a rea de Educao para que o projeto seja disseminado no maior n-mero possvel de escolas Municipais e Estaduais;
Introduzir e difundir os conceitos de Conservao de Energia, e de Uso Eficiente de Energia atravs do projeto PROCEL na Educao Bsica;
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O PROCEL EDUCAO
Fomentar a parceria entre a rea de Educao e a Concessionria de Energia Eltrica;
Incentivar a insero do tema Combate ao Desperdcio de Energia Eltrica em fei-ras ou seminrios escolares;
Criar uma associao lgica do aluno ao Ambiente onde vive, de forma que ele compreenda este Ambiente como um todo, no se dissociando dele.
ESTRUTURA E COMpONENTES
O pROJETO
A proposta da metodologia A Natureza da Paisagem - Energia do PROCEL na Educao Bsica, consiste em desenvolver dentro de um programa de Educao Ambiental, atividades de combate ao desperdcio de energia eltrica, nas Escolas, atravs dos professores da Educao Bsica. Procura abordar a questo em um con-texto mais amplo, envolvendo aspectos da qualidade de vida, mudanas de hbitos de consumo de energia eltrica, com a utilizao de tecnologias energeticamente eficientes, entre outros. O objetivo deste projeto sensibilizar os alunos para uma postura diferente em relao ao uso de energia eltrica, utiliz-la sem desperdcio.
O MATERIAl DIDTICO
O material didtico/pedaggico foi desenvolvido pelo Centro de Cultura, In-formao e Meio Ambiente CIMA, por meio das parcerias entre a Eletrobrs/PROCEL, o MME, o MEC, contando com o apoio fundamental do Ministrio do Meio Ambiente, da Memria da Eletricidade, da UNDIME Unio Nacional dos Dirigentes Municipais de Educao, do PNUMA Programa das Naes Unidas para o Meio Ambiente e da UNICEF e das Concessionrias de Energia Eltrica. A Natureza da Paisagem Ener-gia, o resultado prtico dessa interao positiva.
Trata-se de um Programa de Educao Ambiental que possui os princpios fundamentais da Educao Ambiental, estabelecidos na Conferncia Intergoverna-mental sobre Educao Ambiental de Tibilisi (Gergia - CEI) em outubro de 1977 e aplicada de comum acordo com a LDB e com os PCNs.
O Material didtico/pedaggico composto de 7 (sete) livros, 1(hum) jogo educativo, 1(hum) lbum seriado, 1(hum) programa em vdeo, 1(hum) software para o sistema de acompanhamento e de avaliao e o folder.
Cada item possui uma identidade e destinao especficas. Cada escola que se envolve no projeto recebe cerca de 600(seiscentos) tens, da relao a seguir:
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CONSERVAO DE ENERGIA
LIVRO O CLIqUE (EDUCAO INFANTIL)
Destina-se aos alunos do Ensino Infantil, aquele que antecede ao Ensino Fun-damental. fartamente ilustrado, linguagem de ZIRALDO, apresenta o contedo em forma de estrofes rimadas.
LIVRO 1
Dirige-se aos alunos de 1 e 2 sries do ensino fundamental. escrito em pro-sa agradvel e vincula o tema a um contedo ligado realidade pueril dos leitores.
LIVRO 2
Dirige-se aos alunos de 3 e 4 sries do ensino fundamental. escrito em prosa literria agradvel e vincula o tema a um contedo ligado realidade familiar dos leitores.
LIVRO 3
Dirige-se aos alunos de 5 e 6 sries do ensino fundamental. escrito em prosa literria agradvel e vincula o tema a um contedo ligado realidade da sala de aula dos leitores.
LIVRO 4
Dirige-se aos alunos de 7 e 8 sries do ensino fundamental. escrito em prosa literria agradvel e vincula o tema a um contedo ligado realidade do apren-dizado dos leitores.
LIVRO 5
Dentre os volumes destinados aos alunos, este o mais denso. Sua lingua-gem acessvel a qualquer aluno do Ensino Mdio. Concentra informaes tcnico-cientficas. Fonte de consulta do professor, enriquece as pesquisas dos alunos.
LIVRO DO PROFESSOR
Oferece embasamento conceitual e metodolgico, alm de uma srie de ati-vidades que podem ser realizadas pelos alunos e orientadas pelo professor
LBUM SERIADO
Apresenta imagens sugestivas e textos curtos que, em conjunto, formam um roteiro de explanao do assunto.
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O PROCEL EDUCAO
JOGO LDICO EDUCATIVO
Envolve os jogadores na brincadeira, enquanto veicula importantes dicas, sobretudo quanto mudana de hbitos.
FOLDER INSTITUCIONAL
Prospecto orientador do programa PROCEL NAS ESCOLAS de nveis funda-mental e mdio.
PROGRAMA EM VDEO
Apresenta uma viso panormica da energia e sensibiliza os espectadores para o combate ao desperdcio de energia.
FICHAS:
De cadastro da Escola 01/ Escola De acompanhamento da Escola 01/ Escola
De cadastro da Residncia 10/ Turma que queira participar De acompanhamento da Residncia 10/ Turma que queira participar
A distribuio do material gratuita para as Escolas. O material encaminhado, pela Concessionria, s Escolas, em ateno de seu Diretor, atravs de um documen-to-compromisso (carta) e, fica disposio dos professores e alunos, em quantidade suficiente para que 2 (duas) turmas de alunos possam trabalhar simultaneamente.
Como utilizar o material didtico/pedaggico, os professores aprendem no curso de 12 (doze) horas, em que eles so capacitados.
COMO OpERACIONAlIZADO
O projeto define como estratgia de ao sua disseminao por meio de pro-fissionais das Concessionrias de Energia Eltrica, previamente treinados pelo PRO-CEL. Estes profissionais estabelecem um relacionamento com a rea de Educao capacitando os professores, que incluem o tema Energia e o combate ao seu desper-dcio no plano de curso de sua disciplina.
A capacitao dos chamados multiplicadores se faz por meio de um curso de 32 horas de carga horria, para que todas as informaes necessrias ao desenvolvi-mento do projeto sejam discutidas de forma interativa.
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CONSERVAO DE ENERGIA
Toda a parceria educativa conquistada por tcnicas e contedos que pos-sam sensibilizar a parceria. Os multiplicadores habilitam-se a capacitarem os profes-sores e acompanhar o processo durante um determinado perodo.
A parceria entre a Concessionria de Energia Eltrica e a rea de educao se faz de forma institucional, atravs de um Acordo de Cooperao Tcnica, onde o objetivo e as responsabilidades de cada parte ficam claramente definidos.
ACOMpANHAMENTO E DE AVAlIAO
O acompanhamento do trabalho do professor realizado atravs de um cro-nograma previamente definido pelas partes envolvidas. Planejamse as aes e bus-cam-se os resultados. As fichas de cadastro da residncia e de acompanhamento da residncia permitem obter os kWh/aluno de desperdcio evitado.
Para se avaliar e computar os resultados, utiliza-se um software especialmen-te desenvolvido para isso. Ele permite estabelecer um novo paradigma de consumo de energia, em que se evita o desperdcio, por meio de uma grande amostragem, no pas, por aluno participante do projeto.
ATUAO DOS pROFESSORES NOS VRIOS NVEIS DO ENSINO
Os professores, devidamente capacitados e motivados, so elementos cen-trais do projeto, responsveis por transmitir o tema, de forma interdisciplinar, o que facilita a obteno de resultados em relao s metas previamente estabelecidas pelo projeto.
Os professores capacitados recebem informaes compatveis aos nveis de Ensino em que atuam.
ATRIBUIES DAS CONCESSIONRIAS DE ENERGIA ElTRICA
Definir, em conjunto com a rea de Educao, as aes a serem desenvolvidas;
Sensibilizar os Diretores das Escolas a serem envolvidas no projeto, por meio de reunies especficas;
Capacitar os professores, acompanhar suas atividades e dar suporte s ne-cessidades adicionais dos professores em suas aes de combate ao desperdcio de energia eltrica nas escolas da Educao Bsica;
Fornecer o material didtico/pedaggico necessrio para as atividades pre-vistas no item anterior;
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O PROCEL EDUCAO
Fazer o monitoramento das aes implantadas com o apoio e critrio da rea de Educao.
ATRIBUIES DA REA DA EDUCAO
Disponibilizar as Escolas, os Diretores e Professores para o desenvolvimento do projeto;
Atravs das Escolas, incentivar, coordenar e planejar a aplicao da metodo-logia de combate ao desperdcio de energia do PROCEL EDUCAO na Educao Bsica, destinada aos professores que, por sua vez, a repassaro aos alunos deste nvel de ensino;
Estabelecer critrios de monitoramento da implementao, de acompanha-mento e de avaliao da metodologia junto aos professores e alunos para apropria-o de resultados com o PROCEL.
O QUE DEVE FAZER UMA ESCOlA QUE DESEJE INGRESSAR NO pROJETO pROCEl NA EDUCAO BSICA?
Deve procurar a Secretaria de Educao Municipal ou Estadual, no caso de escola pblica, ou o SINEPE - Sindicato de Escolas Particulares de cada Estado em caso de escolas particulares, para que, atravs destes rgos, em contato direto com a Con-cessionria de Energia Eltrica, a escola possa participar do projeto.
1.2. pROCEl EDUCAO NAS INSTITUIES DE ENSINO SUpERIOR (IESS)
No Ensino superior o PROCEL EDUCAO visa fornecer aos alunos dos cur-sos de engenharia, uma viso clara da situao energtica do Pas e do Mundo, pro-porcionando a esses alunos ferramental apropriado para o combate ao desperdcio atravs do uso eficiente da energia.
Nesse campo de atuao o aluno deve se aproximar das novas tcnicas e tec-nologias disponveis para os equipamentos que consomem energia e de alternativas para os processos de fabricao de bens de consumo.
Para isso necessrio disseminar a disciplina Conservao e Uso Eficiente de Energia para os cursos de graduao de engenharias eltrica, mecnica e de produo e outras, com carga horria mdia de 60 horas, envolvendo as IESs, para a mudana de atitudes e aquisio de informaes tcnicas e tecnolgicas em relao conservao de energia, relacionando-a s questes ambientais e scio-econmicas do Pas.
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CONSERVAO DE ENERGIA
Consolidar essa mudana de hbitos e do uso eficiente da energia eltrica, de forma que essa nova atitude se concretize, tambm, no aspecto global de desen-volvimento sustentado uma necessidade premente.
A transformao do Professor no elemento central para o desenvolvimento da disciplina de fundamental importncia, sendo ele o responsvel em transmitir aos alu-nos, os temas relativos conservao de energia, no segmento eficincia energtica;
Para facilitar o acesso fonte de consulta foram desenvolvidos, pela Univer-sidade Federal de Itajub-MG - UNIFEI, em parceria com a Eletrobrs/PROCEL, dois livros de apoio. Um livro texto, que aborda os assuntos tcnicos, conseqncia do primeiro elaborado, totalmente revisado e outro, que mostra casos de sucesso, no pas, de auditorias energticas que foram implementadas e trouxeram resultados bastante significativos em relao conservao de energia.
1.3. pROCEl EDUCAO NAS ESCOlAS TCNICAS DE NVEl MDIO
No Ensino Mdio Tcnico o PROCEL EDUCAO tem a oferecer aos alunos uma viso clara da situao energtica do pas e do mundo, mostrando a esses alu-nos a existncia de ferramental apropriado para a conservao de energia por meio, tambm, do uso eficiente da energia.
Nesse campo de atuao o aluno deve se aproximar das novas tcnicas e tecnologias para os equipamentos que consomem energia e de alternativas para os processos de fabricao de bens de consumo.
Para isso existe um procedimento especial de conformidade com a LDB que possibilita ao aluno deste nvel de ensino das reas de eletrotcnica, mecnica, civil, eletrnica e outras, ter acesso aos contedos de conservao de energia por meio da interdisciplinaridade, com nfase na eficincia energtica. As Escolas Tcnicas e os Cen-tros Federais de Educao Tecnolgica - CEFETs so o pblico alvo para essa esperada mudana de atitudes e aquisio de informaes tcnicas e tecnolgicas conserva-o de energia, relacionando-a s questes ambientais e scio-econmicas do Pas.
Consolidar essa mudana de hbitos e do uso eficiente da energia eltrica, de forma que essa nova atitude se concretize, tambm, no aspecto global de desen-volvimento sustentado uma necessidade premente.
A transformao do Professor no elemento central para o desenvolvimento da disciplina de fundamental importncia, sendo ele o responsvel em transmitir aos alu-nos, os temas relativos conservao de energia, no segmento eficincia energtica;
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O PROCEL EDUCAO
Para facilitar o acesso fonte de consulta, foi desenvolvido pelo Centro Fe-deral de Educao Tecnolgica da Bahia CEFERT-BA, em parceria coma Eletrobrs/PROCEL, o livro texto que aborda os assuntos tcnicos e prticos como resultado da interao de professores de outras Escolas Tcnicas do Pas.
GlOSSRIO
AMBIENTE
compreendido como todo e qualquer espao, seja ele natural ou constru-do pelo homem, no qual ocorrem as interaes que permitem a vida.
Essas interaes estabelecem uma interdependncia entre os seres vivos e, tambm destes com os elementos abiticos, como por exemplo, o ar, o clima, etc. Como conseqncia desta interdependncia, qualquer prejuzo ao ambiente com-promete as formas de vida nele existentes.
EDUCAO AMBIENTAl
o processo educativo voltado para desenvolver conhecimentos e hbitos que levem em conta o respeito ao ambiente.
a forma de garantir uma boa qualidade de vida, tanto para as atuais, como para as futuras geraes.
Tendo-se a clareza de que os recursos naturais no so inesgotveis, o com-bate ao desperdcio passa a ser um de seus objetivos fundamentais.
Processo educativo orientado para a resoluo dos problemas concretos do meio ambiente atravs de enfoques interdisciplinares e de uma participao ati-va e responsvel de cada indivduo e da coletividade. (Conferncia de Tibilisi 14 a 26/10/77 - Gergia - CEI)
QUAlIDADE DE VIDA
Conjunto de parmetros que determina as condies de vida de uma pessoa, proporcionando-lhe bem estar fsico e mental e satisfao pessoal.
Ar puro, saneamento bsico, consumo de energia, moradia, segurana, tra-balho, lazer e acesso aos bens de consumo, so, entre outros, parmetros que nos permitem avaliar a qualidade de vida de um indivduo.
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CONSERVAO DE ENERGIA
A qualidade de vida est diretamente ligada qualidade do ambiente. Cui-dar do ambiente pode contribuir para a melhoria da qualidade de vida de muitos.
CIDADANIA
a qualidade do indivduo de gozar seus direitos civis e polticos e de desem-penhar seus deveres.
uma qualidade desejvel em uma democracia em que os cidados tm ga-rantidos seus direitos constitucionais e em contrapartida agem de acordo com seus deveres sociais.
Ao assumir suas responsabilidades, Estado e Cidado, contribuem para me-lhorar a qualidade de vida da comunidade.
A educao constitui o mais importante instrumento para a formao desta mentalidade e, assim sendo, um povo que no tem educao qualitativa, no vive a cidadania.
Alguns Socilogos dizem que, para se alcanar a Cidadania Plena, neces-srio, antes, atingir um nvel de Cultura que possibilite um claro discernimento dos direitos e dos deveres do Cidado.
ENERGIA
a capacidade de realizar trabalho.
Para a realizao de qualquer tarefa necessrio fazer uso de uma capacida-de interna ou externa ao homem, que chamamos de energia.
Ou, ainda, aquilo que permite a mudana na configurao de um sistema, vencendo a fora que se ope a essa mudana (Maxwell 1872).
USO EFICIENTE DE ENERGIA ElTRICA
Conceito de contedo tecnolgico voltado para a utilizao de processos e equipamentos que tenham o melhor desempenho na produo dos servios com um menor consumo de eletricidade.
Utilizando-se, por exemplo, equipamentos eficientes, estaremos contribuin-do para o combate ao desperdcio de eletricidade.
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O PROCEL EDUCAO
RACIONAMENTO DE ENERGIA
Conceito mutilador da qualidade de vida tem durao determinada e im-plantado em situaes emergenciais quando h crise de abastecimento de energia, por algum motivo qualquer.
CONSERVAO DE ENERGIA
O PROCEL, sendo um programa de conservao de energia, nada tem a ver com racionamento de energia. Ao PROCEL interessa combater o desperdcio de ener-gia atravs da mudana de hbitos e do uso eficiente de energia. Vale a pena tecer mais reflexes sobre esta palavra que traduzida do Ingls, tem significado dbio.
CONSERVAO DE ENERGIA:
Conceito scio-econmico que traduz a necessidade de se retirar do planeja-mento da expanso do sistema eletrico, a componente referente ao desperdcio. Isso permite a reduo dos investimentos no setor eltrico, sem comprometer o fornecimento de energia e a qualidade devida.
COMO CONSERVAR A ENERGIA?
Dois caminhos:
1) Vertente humana:
O cidado recebe informaes compatveis, que o auxiliam a se inserir no con-texto da nova situao, induzindo-o mudana de hbitos, atitudes e futura mu-dana de comportamento.
2) Vertente tecnolgica:
Atravs de treinamento especfico, o tcnico inserido nas questes da eficincia energtica, entrosando-se com novas tcnicas e tecnologias, tanto de equipa-mentos como de processos, reduzindo significativamente o consumo de energia de uma instalao, sem comprometer o produto final.
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ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS
Captulo 2
ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS
Das mais diversas maneiras, a energia est presente em nosso dia a dia. assim, por exemplo, quando usamos motores ou msculos, quando acendemos o queimador de um fogo, quando nos alimentamos ou mesmo quando nos informa-mos pela televiso ou nos jornais, que freqentemente se referem a alguma questo energtica no Brasil ou no mundo. Por tal diversidade, o campo dos estudos ener-gticos bastante vasto, cobrindo desde o uso dos recursos naturais at os aspec-tos relacionados ao desempenho das modernas tecnologias, bem como permitindo uma abordagem que considere apenas os temas de carter tcnico ou envolva seus componentes scio-econmicos e ambientais, inclusive quanto sua evoluo his-trica e suas perspectivas futuras. Para este largo campo do saber, cuja extenso tambm uma medida de sua fronteira com o desconhecido, procura-se nestas notas efetuar uma reviso das definies, das leis bsicas e da terminologia empregada, fornecendo elementos para os posteriores estudos e avanos na rea energtica, em particular buscando fundamentar a racional utilizao dos fluxos de energia.
2.1. DEFINIES
Poucas palavras suportam tantos sentidos e definies como energia. J no Sculo IV A.C. , Aristteles em sua obra Metafsica, identificava energia (energeia) como uma realidade em movimento. Na acepo moderna, energia corresponde es-sencialmente a um conceito desenvolvido a partir de meados do Sculo XIX, tendo sido criado juntamente com a Termodinmica e utilizado atualmente para descrever uma ampla variedade de fenmenos fsicos. A definio mais usual, que quase cor-responde ao senso comum e encontrada em muitos livros, afirma que energia a medida da capacidade de efetuar trabalho. Entretanto, a rigor, esta definio no totalmente correta e aplica-se apenas a alguns tipos de energia, como a mecnica e a eltrica, que, em princpio, so totalmente conversveis em outras formas de ener-gia. Este modo de se definir energia perde o sentido ao ser aplicado ao calor, pois esta forma de energia apenas parcialmente conversvel em trabalho, como se ver adiante. De fato, quando est a temperaturas prximas do ambiente, o calor pouco vale como trabalho. E, portanto, a definio anterior no completa.
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CONSERVAO DE ENERGIA
Figura 2.1 - James Clerk Maxwell (1831-1879)
Em 1872, Maxwell props uma definio que pode ser considerada mais cor-reta do que a anterior: energia aquilo que permite uma mudana na configurao de um sistema, em oposio a uma fora que resiste esta mudana. Esta definio refe-re-se a mudanas de condies, a alteraes do estado de um sistema e inclui duas idias importantes: as modificaes de estado implicam em vencer resistncias e justamente a energia que permite obter estas modificaes de estado. Assim, para elevar uma massa at uma determinada altura, aquecer ou esfriar um volume de gs, transformar uma semente em planta, converter minrio em ferramentas, jogar fute-bol, ler este texto, sorrir, enfim, qualquer processo que se associe a alguma mudana, implica em se ter fluxos energticos. Cabe observar que na terminologia termodin-mica denomina-se sistema regio de interesse, delimitada por uma fronteira, que pode existir fisicamente ou ser uma superfcie idealizada, que a separa do ambiente, que nesse caso significa portanto tudo aquilo que est fora da regio de interesse. Desta forma, o universo, o todo, resulta da soma do sistema com o ambiente.
Por ser um conceito to fundamental, definir energia sem dvida mais difcil e menos importante do que sentir e perceber sua existncia, como a causa e origem primeira de todas as mudanas. No obstante, depois que aprendemos sua definio mais abrangente e rigorosa, como visto acima, passa a ser um pouco mais simples entender as permanentes mudanas que acontecem em nosso mundo e suas regras. Boa parte das leis fsicas que governam o mundo natural so no fundo variantes das leis bsicas dos fluxos energticos, as eternas e inescapveis leis de conservao e dissipao, que estruturam todo o Universo, desde o micro ao macrocosmo.
Um conceito freqentemente associado energia o da potncia, que cor-responde ao fluxo de energia no tempo, de enorme importncia ao se tratar de pro-cessos humanos e econmicos, onde o tempo essencial. Por exemplo, a taxa na qual um material oxidado pode levar a uma grande diferena, desde representar a possibilidade de sua utilizao como combustvel ou apenas a formao lenta de um resduo, como caso respectivamente da queima de madeira e da formao da fer-
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ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS
rugem. Ambos so processos energticos, mas de sentido totalmente diverso devido s distintas taxas ou velocidades nas quais ocorrem. Em geral, estamos preocupados em atender uma dada demanda energtica, medida em kWh, kJ ou kcal, mas sob uma imposio de tempo, ou seja, com dado requerimento de potncia, avaliada em kW.
Em princpio, qualquer capacidade instalada poderia atender qualquer ne-cessidade de energia, desde que lhe seja dado tempo suficiente, o que evidentemen-te no atende s necessidades impostas pela realidade. Por isso, podemos afirmar que a sociedade moderna, que busca atender suas demandas energticas de forma rpida, to vida em potncia quanto em energia. Para explorar um pouco mais es-tes conceitos, poderia se pensar em nossos usos dirios de energia e verificar se para seu atendimento o tempo importa ou no. Ser imediato verificar que a taxa de uti-lizao dos fluxos energticos to importante quanto sua mera disponibilidade.
Adicionalmente, poderia ser notado tambm que o prprio tempo s pode ser definido rigorosamente a partir dos fluxos energticos reais, mas detalhar isto escapa aos propsitos destas notas.
2.2. AS FORMAS DA ENERGIA
A energia, entendida como a capacidade de promover mudanas de estado, pode apresentar-se fisicamente de diversas formas. De uma maneira geral, um poten-cial energtico corresponde sempre ao produto entre uma varivel extensiva, cujo m-dulo depende da quantidade considerada, e uma varivel de desequilbrio, expressan-do uma disponibilidade de converso entre formas energticas. importante observar ainda que apenas nos processos de converso se identifica a existncia de energia, que, ento, se apresenta, na fronteira do sistema, como calor ou como trabalho.
De um modo sucinto, pode-se definir calor como o fluxo energtico decor-rente de diferena de temperatura, enquanto por trabalho se entende todo processo anlogo elevao de um peso. Esta distino fundamental e ser posteriormen-te melhor explorada, podendo desde j se reconhecer que o trabalho corresponde a uma variao ordenada de energia, enquanto o calor apresenta-se desordenado. Descrevem-se a seguir as principais formas de energia.
Fundamentais para os processos bsicos de converso energtica no Uni-verso, em nvel atmico, podem ser identificadas as energias nuclear e atmica. No interior das estrelas, inclusive no Sol, a energia nuclear resulta da fuso dos ncleos de tomos leves, como do hidrognio, em um processo fsico onde ocorre uma di-ferena (dficit) de massa, entre os reagentes e os produtos de reao, que corres-ponde a significativas quantidades de energia liberada. Trata-se de um processo de sedutoras possibilidades para a gerao de energia comercial, mas de difcil controle
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CONSERVAO DE ENERGIA
e, na atualidade, na escala das realizaes humanas, sua nica aplicao tem sido destrutiva, nas bombas de hidrognio. J a energia atmica relaciona-se com proces-sos de fisso de tomos pesados, como urnio, trio e plutnio, em decorrncia da instabilidade natural ou provocada de alguns istopos destes materiais, que tendem a converter-se em outros materiais com nmero atmico mais baixo, com liberao de energia devido perda de massa observada. A energia resultante destes proces-sos tambm elevada e se apresenta, essencialmente, como calor, mas o controle das reaes tem sido conseguido, e, assim, alm das bombas atmicas, a energia da fisso tem sido empregada como fonte energtica para gerao de energia eltrica e para mover navios e submarinos, mediante ciclos trmicos.
A dependncia entre a variao de massa observada nos processos de fu-so nuclear ou fisso atmica e a energia liberada, dada pela conhecida expresso proposta em 1922 por Einstein, mostrada a seguir, onde m refere-se diferena de massa na reao e, c, velocidade da luz. Deve-se observar que, como a velocidade da luz bastante elevada (3 x 108 m/s), pequenas variaes de massa correspondem a grandes disponibilidades de energia.
E = m . c2 (2.1)
Figura 2.2 - Energia nuclear e atmica
Dependendo de reaes qumicas e da liberao da energia acumulada na forma de ligaes entre os tomos e molculas, a energia qumica apresenta grande interesse por sua extensa aplicao. Por exemplo, a energia dos combustveis , na realidade, energia qumica. De um modo sucinto, pode-se afirmar que, nas reaes espontneas, as ligaes qumicas existentes nas molculas dos reagentes, contm mais energia do que as ligaes observadas nas molculas dos produtos. Sua apli-cao tpica associa-se aos processos de combusto nos motores, fornos e caldeiras, onde a energia qumica de materiais como gasolina, lcool, leo combustvel e lenha convertida em energia trmica, na forma de gases, sob altas temperaturas. O conte-do energtico dos combustveis medido por seu Poder Calorfico, um parmetro que fornece a quantidade de calor disponvel por unidade de massa ou de volume do combustvel. Tambm nas baterias qumicas e nas pilhas eltricas se observam processos envolvendo energia qumica e eletricidade.
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ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS
Figura 2.3 - Energia qumica nas reaes de combusto
Para disponibilizar a energia qumica dos combustveis, alm das tecnologias empregando combusto, existem, na atualidade, perspectivas promissoras para as tcnicas de converso direta, aplicadas nas chamadas clulas de combustvel, que produzem diretamente energia eltrica a partir de combustveis, com alta eficincia, mediante reaes isotrmicas a temperaturas relativamente baixas. Reaes similares so realizadas nos msculos dos animais e do homem, permitindo a transformao da energia qumica dos alimentos, uma espcie de combustvel, em energia mecni-ca nos msculos para suas atividades vitais, em processos de baixa temperatura.
Embora seja correto considerar-se a existncia de energia eltrica nas cargas estacionrias, como se observa nas nuvens eletricamente carregadas e na iminncia de uma descarga atmosfrica ou ainda nos capacitores eltricos, a energia eltrica mais freqentemente associada circulao de cargas eltricas atravs de um campo de potencial eltrico, sendo definida assim pelo produto entre a potncia eltrica e o tem-po durante o qual esta potncia se desenvolve. Por sua vez, a potncia eltrica dada como o produto entre a corrente e a tenso medida entre os dois pontos onde circula tal corrente. Os dois tipos bsicos de corrente eltrica so a corrente contnua, quando seu valor constante com o tempo, como ocorre nas baterias, ou a corrente alternada, que varia de modo senoidal com o tempo, no caso brasileiro e americano com freq-ncia de 60 Hz, enquanto na Europa adota-se 50 Hz. A corrente alternada mais usada por ser a forma mais simples para produzir, transportar e utilizar em motores eltricos.
No caso particular da corrente alternada trifsica, onde uma carga alimen-tada por trs condutores com corrente alternada equilibrada, a potncia fornecida dada pela expresso abaixo;
(2.2)
onde V e I correspondem respectivamente tenso entre as fases e corrente em uma das fases. Outra particularidade importante da corrente eltrica alternada a possibilidade de separar sua potncia em dois componentes bsicos: a potncia ati-va, associada s cargas de carter resistivo e portanto sua efetiva utilizao, e a po-tncia reativa, decorrente da formao peridica de campos eltricos e magnticos no circuito, sem efeito til.
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CONSERVAO DE ENERGIA
A energia trmica, s vezes equivocadamente denominada de calor, pode apresentar-se essencialmente de duas formas: radiao trmica ou energia interna. A rigor, e como j comentado, o calor corresponde a um fenmeno observvel apenas na fronteira de um sistema onde existe uma diferena de temperaturas, como mos-trado na Figura 2.3, onde a energia trmica resulta da converso da energia qumica, mediante uma reao de combusto. Vale notar que um fluxo de calor pode resultar tanto de uma variao de energia trmica como de outra forma energtica, energia nuclear por exemplo.
Como radiao trmica, por exemplo, na radiao solar, a energia trmica no apresenta qualquer meio material de suporte, j que se trata de uma radiao eletromagntica, com magnitude e distribuio espectral dada basicamente em fun-o da temperatura do corpo emissor. A figura abaixo mostra como pode ser esta dis-tribuio para corpos a duas temperaturas diferentes. Vale observar que a radiao trmica de fato uma potncia e a energia associada pode ser determinada por sua integral no tempo.
Figura 2.4 - Distribuio espectral da radiao trmica
A energia interna corresponde capacidade de promover mudanas, asso-ciada agitao trmica de um material, que pode ser medida por sua temperatura. No caso de sistemas monofsicos, onde a variao da energia interna implica em variao de temperatura, o calor especfico expressa a relao entre esta energia e a variao de temperatura. No caso de sistemas em mudana de estado (fuso, evapo-rao, etc.) e portanto com duas fases, o calor latente indica esta variao isotrmica. Nomes como calor latente e calor especfico, ainda hoje extensamente usados, so uma lembrana do tempo em que se acreditava, equivocadamente, que calor se ar-mazenava nas substncias. Particularmente para gases, a variao da energia interna
U relaciona-se com a variao da temperatura T atravs do Calor Especfico a vo-lume constante, como mostra a expresso a seguir.
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ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS
(2.3)
A transferncia de energia interna de um corpo para outro se d mediante os processos de conduo de calor, quando a energia flui atravs de meios estticos, ou processos de conveco trmica, quando o fluxo de energia est necessariamente associado movimentao de um fluido, que pode ocorrer de modo forado ou na-tural, nesse ltimo caso com o escoamento sendo uma decorrncia das variaes de densidade do fluido em funo da temperatura. Uma panela com gua sendo aque-cida na chama de um fogo a gs pode ser um interessante exemplo da variedade de processos energticos envolvidos desde a combusto do gs at a acumulao de energia na gua.
Outra forma energtica com importantes variaes a energia mecnica, que pode ser potencial ou cintica. No primeiro caso, a energia mecnica associa-se dire-tamente a uma fora esttica e pode ser potencial elstica, tal como se acumula em molas ou em gases comprimidos, ou gravitacional, dependendo da posio de uma massa em um campo gravitacional. Um bom exemplo desta ltima forma de energia a energia hidrulica na gua acumulada em uma represa. A potncia associada utilizao da energia hidrulica pode ser definida pela expresso a seguir;
(2.4)
onde g corresponde ao peso especfico da gua, vazo volumtrica e Dh altura disponvel da queda. A energia mecnica cintica, que se associa inrcia das mas-sas em movimento, pode considerar velocidades lineares, como o caso da energia elica, ou movimentos rotacionais, como dos volantes de inrcia.
As formas anteriormente apresentadas no esgotam todas a maneiras de se considerar a energia, que existir sempre que houver possibilidade de promover algu-ma mudana de estado, em uma ampla acepo. Assim, poderiam, por exemplo, ser definidas a energia magntica, acumulada na forma de campos magnticos e utilizada de modo prtico na transformao de energia eltrica em transformadores, a energia elstica associada tenso superficial de um lquido e que se mostra na formao de bolhas de sabo, a energia difusiva decorrente da diferena de concentraes entre gases, lquidos e slidos solveis, e diversas outras formas de menor importncia.
As Tabelas 2.1 e 2.2 apresentam alguns valores para a energia e a potncia associados a processos reais, naturais ou tecnolgicos, cobrindo uma ampla gama de situaes (Smil, 1990 e Culp, 1991). Os valores de durao apresentados na Ta-bela 2.2 so basicamente uma referncia para comparar as magnitudes energticas envolvidas, no se aplicando em todos os casos. Como pode ser observado, as va-
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CONSERVAO DE ENERGIA
riveis energticas permitem traduzir em uma mesma linguagem fenmenos apa-rentemente sem qualquer semelhana como poderiam ser o movimento da Terra em torno do Sol e o consumo anual de gasolina de um veculo, ou um terremoto e o metabolismo basal de um homem adulto. Sempre que existir algo em transforma-o, crescendo ou diminuindo, mudando de aspecto ou de condio, existem fluxos energticos se manifestando.
Tabela 2.1 - Energia disponvel em sistemas reais
Sistema Energia (J)
Energia cintica da translao da Terra em torno do Sol 2,6 x 1034
Energia total (radiao trmica) emitida pelo Sol durante 24 horas 3,0 x 1032
Radiao solar recebida pela Terra durante 24 horas 5,5 x 1024
Energia qumica nos recursos globais de carvo mineral 2,0 x 1023
Energia qumica na cobertura vegetal terrestre 2,0 x 1022
Energia qumica fixada fotossinteticamente em um ano na vegetao terrestre 2,0 x 10
21
Energia trmica e mecnica em um furaco tpico do Caribe 3,8 x 1019
Energia eltrica total anual em descargas atmosfricas 3,2 x 1018
Maior bomba-H testada em 1961 2,4 x 1017
Bomba atmica lanada em Hiroshima em 1945 8,4 x 1013
Energia qumica em 100 ton. de carvo mineral 2,5 x 1012
Uma boa colheita em um hectare de milho (8 ton.) 1,2 x 1011
Consumo anual de gasolina de um carro compacto 4,0 x 1010
Energia qumica em um barril de petrleo 6,5 x 109
Energia qumica na alimentao diria de um homem adulto 1,0 x 107
Energia qumica em uma garrafa de vinho branco 2,6 x 106
Energia cintica em uma bola de tnis (50 g) servida a 25 m/s 1,5 x 101
Energia cintica em uma gota de chuva caindo a 6 m/s 7,5 x 10-5
Energia para o salto de uma pulga 1,0 x 10-7
Energia mdia na fisso de um tomo de urnio (U235) 1,0 x 10-10
Energia cintica mdia dos eltrons de tomos a 20oC 1,0 x 10-20
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ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS
Tabela 2.2 - Nveis de potncia de processos reais
processo ou fenmeno Durao (s) potncia (W)
Potncia liberada pelo Sol - 3,4 x 1027
Radiao solar interceptada pela Terra - 1,7 x 1017
Ondas geradas no mar pelo vento - 9,0 x 1016
Terremoto (magnitude 8 graus Richter) 30 1,6 x 1015
Produo fotossinttica primria mdia na Terra - 1,0 x 1014
Grande erupo vulcnica 104 1,0 x 1014
Relmpago gigante 10-5 2,0 x 1013
Fluxo de calor latente de uma tempestade 1200 1,0 x 1012
Potncia cintica de uma tempestade 1200 1,0 x 1011
Grande raid de bombardeio areo da II Guerra Mundial 3600 2,0 x 1010
Tornado de mdio porte 160 1,7 x 109
Turbogerador a vapor de grande porte - 1,0 x 109
Transporte ferrovirio pesado 104 5,0 x 106
Consumo de um supermercado tpico de mdio porte - 1,5 x 106
Potncia de eixo de um carro de corrida, F-1 - 8,0 x 105
Transporte rodovirio em caminho de grande porte 104 3,0 x 105
Percurso de 20 km em um veculo a gasolina 1200 4,0 x 104
Corrida de 100 m rasos 10 1,3 x 103
Ciclo simples em uma mquina de lavar 1500 5,0 x 102
Metabolismo basal de um homem de 70 kg - 8,0 x 101
CD-player tocando a ltima Sinfonia de Mozart 2238 2,5 x 101
Uma vela queimando at o final 1800 3,0 x 100
Produtividade mdia de um m2 de floresta tropical - 1,0 x 100
Vo de um beija-flor 300 7,0 x 10-1
Corao de um recm-nascido - 4,0 x 10-1
2.3. AS lEIS DAS CONVERSES ENERGTICAS
Uma caracterstica essencial dos potenciais energticos, sempre entendidos como os potenciais para a promoo de mudanas, a sua possibilidade de inter-converso. Isto , uma forma energtica eventualmente pode ser convertida em ou-tra, de modo espontneo ou intencional, permitindo nesse ltimo caso adequar-se a alguma utilizao desejada. Freqentemente se empregam as expresses processos
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CONSERVAO DE ENERGIA
de gerao de energia ou sistemas de consumo de energia, quando o mais correto, a rigor, seria falar em processos de converso de energia. A figura a seguir apresenta as principais formas de converso entre seis formas bsicas de energia (adaptado de Tronconi, 1987), podendo se observar que, enquanto alguns processos foram desen-volvidos e aperfeioados pelo homem, outros s so possveis mediante processos na-turais, como a converso energtica muscular e a fotossntese. Nesta figura pode-se tambm notar como so bastante variados os processos que resultam em energia tr-mica e como a energia mecnica est envolvida em diversos processos tecnolgicos.
Figura 2.5 - Processos de converso energtica
Quaisquer que sejam os sistemas considerados e as formas de energia envol-vidas, todos processos de converso energtica so regidos por duas leis fsicas fun-damentais, que constituem efetivamente o arcabouo essencial da cincia energ-tica. A Histria da Cincia se refere freqentemente ao carter revolucionrio destas formulaes e dificuldade de sua assimilao pelos estudiosos ao longo do tempo, como decorrncia do impacto de seus conceitos. Estas relaes fsicas de enorme importncia, que se sustentam apenas pela observao de processos reais desde o microcosmo at a escala das estrelas, so apresentadas a seguir.
A primeira lei bsica a Lei da Conservao da Energia. Segundo este postula-do, energia no se cria nem se destri, salvo nos casos em que ocorrem reaes at-micas ou nucleares e ento podem se observar transformaes de massa em ener-gia. Assim, pode-se mostrar que a soma da energia e da massa do universo uma constante. Como na grande maioria das situaes, tal dualidade massa-energia no precisa ser considerada, suficiente afirmar que, em um dado perodo de tempo, a
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ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS
somatria dos fluxos e estoques energticos em um processo ou sistema constan-te, como se apresenta na expresso abaixo;
(2.5)
Por exemplo, seja uma panela com gua em aquecimento. A elevao da temperatura do lquido a manifestao sensvel de sua mudana de estado e est correlacionada diretamente com o incremento de energia no sistema, resultante de um aporte de energia pela chama do gs sob a panela. Em outras palavras, h uma entrada de energia mais elevada que a sada, determinada pelas perdas para o am-biente. Note-se que a aplicao desta lei pressupe uma conveno de sinais para os fluxos energticos, convencionando-se como positivo o que tende a aumentar a energia do sistema.
Para um processo em regime permanente, no qual no ocorrem variaes no tempo, no ocorrero variaes de estoque, DEsistema , e, naturalmente, a soma dos fluxos energticos na entrada e na sada devem ser iguais. Esta situao tem grande interesse prtico, pois na maioria dos casos estamos interessados em sistemas ope-rando em condio normal ou estvel.
A Lei da Conservao de Energia tambm conhecida como Primeira Lei da Termodinmica e foi formalmente estabelecida em torno de 1840 por Joule e Meyer, trabalhando de modo independente. Ela permite efetuar balanos energticos, de-terminar perdas, quantificar enfim, fluxos energticos. Baseia-se tambm nesta lei, o conceito de desempenho ou eficincia energtica de um sistema energtico, henerg , relacionando o efeito energtico til com o consumo energtico no sistema, como se explicita na figura e equaes abaixo, vlida para um sistema em regime perma-nente. Lembre-se que, como energia nunca desaparece, mas apenas muda de forma, a palavra consumo refere-se efetivamente ao aporte de energia.
Figura 2.6 - Sistema energtico generalizado
(2.6)
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CONSERVAO DE ENERGIA
A outra relao fsica bsica dos processos energticos a Lei da Dissipao da Energia, segundo a qual, em todos os processos reais de converso energtica, sempre deve existir uma parcela de energia trmica como produto. Por exemplo, se o objetivo do processo transformar energia mecnica em calor, tal converso pode ser total, alis como ocorre nos freios, mas se o propsito for o inverso, a converso de energia trmica em energia mecnica ser sempre parcial, pois uma parcela dos resultados de-ver sempre ser calor. Em outras palavras, existem inevitveis perdas trmicas nos pro-cessos de converso energtica, que se somam s outras perdas inevitveis decorren-tes das limitaes tecnolgicas e econmicas dos sistemas reais, tais como isolamento trmico imperfeito, atrito, perdas de carga e inrcias, entre outras.
Como mostrou Clausius em 1865, as imperfeies nos processos de conver-so energtica determinam o incremento lquido da entropia no Universo. Assim, a entropia tende sempre a aumentar no mundo real, j que apenas nos processos energticos idealmente perfeitos ou reversveis, no ocorre esta gerao de entro-pia. Esta lei fsica, tambm conhecida como Segunda Lei da Termodinmica, apre-senta especial relevncia no caso dos ciclos trmicos de potncia, nos quais a con-versibilidade dos fluxos de calor em energia mecnica depende da temperatura da fonte trmica, conforme a expresso do rendimento mximo da mquinas trmicas, desenvolvida por Carnot em 1824 e mostrada a seguir:
(2.7)
Nesta expresso, vlida para mquinas trmicas reversveis, T1 e T2 correspon-dem respectivamente temperaturas absolutas das fontes trmicas de alta e baixa temperatura, cuja existncia imprescindvel para a produo de potncia mec-nica. Alm disso, deve-se observar que este rendimento sempre inferior a 100%, incrementando-se com a elevao de T1 e a reduo de T2, indicando que os fluxos de calor apresentam um potencial de converso em trabalho que depende das tem-peraturas envolvidas. Como o trabalho sempre totalmente conversvel em qual-quer outra forma de energia e o calor sempre mostra esta limitao, considera-se que aquelas energias diretamente conversveis em trabalho so energias nobres, en-quanto as energias trmicas correspondem a energias de baixa qualidade.
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ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS
Figura 2.7 - Rudolf Clausius (1822-1888)
De fato, o conceito de qualidade da energia associa-se a sua capacidade de converso em trabalho, que pode ser fornecida pela exergia, denominao sugerida por Rant (1956) para a parcela til dos fluxos energticos. Deste modo, um fluxo de energia eltrica ou mecnica corresponde totalmente a exergia, ao passo que a exer-gia de um fluxo de calor depende de sua temperatura e da temperatura do ambien-te. Nos processos reais de converso energtica sempre ocorre alguma destruio de exergia, que de modo distinto da energia, no se conserva.
Como j comentado, um conceito muito importante relacionado com a dis-sipao energtica e as perdas em processos de converso energtica a entropia, cuja variao permite medir a perfeio de um processo qualquer. De um modo ge-ral, tem-se que a variao da entropia em um processo pode ser calculada por:
(2.8)
onde se observam dois termos: uma parcela reversvel, determinada pela troca de calor, e uma parcela irreversvel ou gerada, de magnitude proporcional s perdas no processo. Assim, como j afirmado, a variao de entropia serve para avaliar a per-feio de processos de converso energtica. Por exemplo, em sistemas adiabticos, isto , sem troca de calor, os processos ideais devem ser isentrpicos (sem variao de entropia), apresentando portanto Sgerada nula. Como os processos reais sempre apresentam imperfeies e perdas, a entropia sempre tende a se incrementar, po-dendo-se afirmar que a entropia do Universo tende para um mximo. Na gerao de entropia, perdido como calor um potencial para produzir trabalho, ou seja, a energia se degrada em qualidade. O Teorema de Gouy-Stodola relaciona a entropia gerada e o trabalho perdido, tambm chamado de irreversibilidade;
Wperdido = T0.Sgerada = Irreversibilidade (2.9)
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CONSERVAO DE ENERGIA
onde T0 refere-se temperatura ambiente. Em sntese, processos reais de converso energtica apresentam perdas, que podem ser avaliadas em termos da gerao de entropia ou da destruio de exergia, correspondendo sempre reduo da quali-dade do fluxo energtico e produo de calor. A Tabela 2.3 compara os conceitos de energia e exergia.
Tabela 2.3 - Comparao entre Exergia e Energia
ENERGIA EXERGIA
Obedece lei da conservao No est sujeita a essa lei
funo do estado da matria sob con-siderao
funo do estado da matria sob con-siderao e da matria no meio am-biente
funo do estado da matria sob con-siderao
O estado de referncia imposto pelo meio ambiente, o qual pode variar
Aumenta com o crescimento da tempe-ratura
Para processos isobricos alcana um mnimo na temperatura do meio am-biente; nas temperaturas menores ela aumenta quando a temperatura dimi-nui
Ao contrrio do rendimento energtico, baseado na Lei da Conservao da Energia e apresentado na equao 2.6, o rendimento exergtico fundamenta-se em ambas leis bsicas das converses energticas e apresenta vrias formulaes, al-gumas delas dadas a seguir, sendo-lhe atribudos ainda diversos outros nomes, tais como grau de perfeio, efetividade, eficincia racional, rendimento isentrpico dentre outros. A figura a seguir apresenta um sistema genrico considerado para a determinao deste parmetro de desempenho, devendo-se observar que como produto tem-se as parcelas de exergia utilizada, exergia perdida (associada a gerao de entropia) e exergia no utilizada.
Figura 2.8 - Sistema energtico generalizado, considerando os fluxos de exergia
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ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS
As formulaes mostradas a seguir so apresentadas por Lizarraga [1987]. A primeira considera a razo entre a exergia necessria para alcanar um determinado objetivo atravs de um processo totalmente reversvel e a exergia consumida num processo real para atingir o mesmo objetivo. Essa formulao similar ao rendimen-to isentrpico de uma turbina. A segunda similar definio do rendimento ener-gtico e indica que parcela da exergia fornecida ao processo convertida. A terceira considera que a exergia empregada no processo somente a diferena entre a exer-gia suprida e a exergia dos fluxos residuais.
(2.10)
(2.11)
(2.12)
O rendimento e2 , denominado grau de perfeio por Beyer e Fratzscher, cita-dos em Szargut [1980], usado sempre que se pode definir claramente um produto para o processo sendo analisado como o caso da determinao do rendimento exergtico de uma caldeira e de uma central termeltrica. Por outro lado, quando se est analisando partes de um processo, usa-se geralmente e3 no caso de fluxos residuais constiturem o suprimento de exergia da etapa seguinte do processo e e2 caso a etapa analisada seja terminal, com os fluxos residuais sendo lanados no meio ambiente. Nos processos puramente dissipativos, onde impossvel distinguir com clareza um produto, como o caso dos processos de mistura, estrangulamento, etc., deve-se calcular o rendimento exergtico atravs da formulao abaixo proposta por Bosnajakovic, citado por Souza [1967]. Nesses processos o rendimento energtico perde seu sentido de ser, pois a energia sempre conservada.
(2.13)
-
CONSERVAO DE ENERGIA
Tabela 2.4 - Eficincias de energticas e exergticas (Gallo e Milanez ,1990)
SistemaRendimento
Energtico Exergtico
Central a Vapor (200 MW) 0.41 0.40
Turbina a Gs (25 MW) 0.30 0.30
Motor Diesel (20.000 HP) 0.40 0.40
Motor Eltrico (5 HP) 0.70 0.70
Turbina a Vapor (50 MW) 0.90 0.85
Sistema de Cogerao (10 MW) 0.75 0.33
Queimador de GLP, domstico 0.90 0.50
Aquecedor Eltrico de gua 0.60 0.10
Caldeira (200 ton./h) 0.93 0.08
Sistema de Ar Condicionado (COP = 2,5) - 0.17
Refrigerador Domstico (COP = 0,9) - 0.10
Bomba de Calor (COP = 3,5) - 0.60
A Tabela 2.4 apresenta uma comparao de rendimentos energtico e exer-gtico para alguns processos e equipamentos, apresentando valores semelhantes em alguns casos e muito diferentes em outros, como no aquecimento atravs de energia eltrica, onde apesar da conservao da energia, evidente sua degradao, pela converso de energia de alta qualidade como energia eltrica em calor de baixa temperatura. Em outros equipamentos, usados para a produo de baixas tempe-raturas, no se definem eficincias energticas, pelo menos na forma apresentada na expresso 6, preferindo-se empregar o coeficiente de performance, COP, como indicador de desempenho, que relaciona o efeito frigorfico obtido pelo sistema e a demanda de potncia eletromecnica associada. Em todos os casos estes nmeros devem ser considerados como referncias e valores tpicos, podendo variar bastante caso a caso.
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ENERGIA: CONCEITOS E FUNDAMENTOS
2.4. RECURSOS ENERGTICOS
Denominam-se recursos energticos as reservas ou fluxos de energia dispo-nveis na Natureza e que podem ser usados para atender s necessidades humanas, podendo ser classificadas essencialmente como recursos fsseis ou como recursos re-novveis. No primeiro caso, referem-se aos estoques de materiais que armazenam energia qumica, acumulada primariamente a partir da radiao solar em pocas ge-olgicas, como o caso do petrleo, carvo mineral, turfa, gs natural, xisto betumi-noso, bem como podendo acumular energia atmica na forma de material fssil, por exemplo o urnio e o trio.
Enquanto as reservas de energia fssil, quer sejam medidas, indicadas ou estimadas, so necessariamente finitas e portanto se reduzem medida em que so consumidas, os recursos energticos renovveis so dados por fluxos naturais, como ocorre na energia solar, em suas distintas formas, como na energia hidruli-ca, na energia elica, na energia das ondas do mar e na energia da biomassa, bem como nos fluxos energticos dependentes do movimento planetrio, por exemplo, a energia talassomotriz, associada variao do nvel do mar nas mars e energia geotrmica, que na escala das realizaes humanas existe como potncia disponvel. importante observar que a utilizao inadequada de alguns potenciais energticos renovveis pode determinar sua exausto, como acontece em reservatrios geotr-micos sobreexplorados ou nos recursos de biomassa, quando explorados alm de sua taxa natural de reposio. Assim, se uma reserva florestal for explorada acima de sua taxa tpica de renovao sustentvel, que para formaes tropicais homogneas da ordem de 15 tEP por hectare e por ano, o recurso energtico perder seu carter de renovabilidade.
A Tabela 2.5 apresenta os nveis das reservas energticas brasileiras tal como constam do Balano Energtico Nacional e no Anurio da Agncia Nacional do Petr-leo, em valores para 1999. Observe-se que as reservas fsseis so dadas em termos de energia e podem se alterar com a descoberta de novos depsitos, enquanto a energia hidrulica, por ser renovvel, apresentada como potncia. Isto torna mais complexa a comparao de sua magnitude relativa, que ir depender das taxas de extrao assim como das qualidades da energia disponveis. Certamente 1 kWh de energia hidrulica mais nobre que a mesma quantia de energia na forma de petrleo ou outro combustvel, cuja rota de utilizao passa por converso para energia trmica, reconhecidamente uma forma com limites de converso, como j comentado.
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0
CONSERVAO DE ENERGIA
Tabela 2.5 - Reservas energticas brasileiras (BEN, 2000 e ANP, 2000)
produto/Fonte Reserva Disponibilidade Unidade
Petrleo
Mar, provadas 1.169.199
103 m3
Mar, provadas+estimadas 1.984.522
Terra, provadas 127.074
Terra, provadas+estimadas 185.813
Total, provadas 1.296.273
Total, provadas+estimadas 2.170.335
Gs natural
Mar, provadas 145.756
106 m3
Mar, provadas+estimadas 252.706
Terra, provadas 85.477
Terra, provadas+estimadas 151.164
Total, provadas 231.233
Total, provadas+estimadas 403.870
leo de xisto conforme BEN 382.786 tEP
Gs de xisto conforme BEN 104.340 tEP
Carvo mineral in situ, conforme BEN 2.566.674 tEP
Turfa conforme BEN 40.092 tEP
Energia Nuclear conforme BEN 2.566.674 tEP
Energia Hidrulica conforme BEN 1.347.780 tEP/ano
A Tabela 2.6 apresenta as estimativas para algumas reservas energticas mundiais, valores dos quais, naturalmente, apenas uma frao que pode ser consi-derada utilizvel, por restries econmicas e ambientais (Culp, 1991). interessante observar que, mesmo com o contnuo esforo na reposio de reservas de petrleo e g