RESSALVA Atendendo solicitação do(a) autor(a), o texto completo desta será disponibilizado somente a partir de 11/08/2020. PAULO SÉRGIO ROSA MELONI Proposta para melhoria da eficiência energética em uma indústria metalúrgica Guaratinguetá - SP 2020 Paulo Sérgio Rosa Meloni Proposta para melhoria da eficiência energética em uma indústria metalúrgica Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica na área de Energia. Orientador: Prof. Dr. Teófilo Miguel de Souza Coorientador: Prof. Dr. Pedro Magalhães Sobrinho Guaratinguetá - SP 2020 DADOS CURRICULARES PAULO SÉRGIO ROSA MELONI NASCIMENTO 25.07.1961 – Itajubá / MG FILIAÇÃO Paulo Meloni Maria de Lourdes Rosa Meloni 1979/1987 Graduação em Engenharia Elétrica Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI 1995/1996 Especialização em Tecnologia da Energia Faculdade de Engenharia Mecânica - UNICAMP 2004/2006 Especialização em Administração Escola de Administração de Empresas de São Paulo - FGV 2018/2020 Mestrado em Engenharia Mecânica Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá - UNESP Dedico este trabalho, de modo especial, aos meus pais Paulo e Maria de Lourdes, à minha esposa Érica e aos meus filhos Matheus e Thiago. AGRADECIMENTOS Primeiramente, agradeço a Deus pelo dom da vida e pela oportunidade e disposição para realizar este trabalho. Aos meus pais, Paulo e Maria de Lourdes, pela dedicação ao longo da minha vida e pela enorme contribuição à minha formação. À minha esposa, Érica, companheira em todos os momentos, pelo apoio, incentivo, compreensão e paciência. Aos meus filhos, Matheus e Thiago, presentes de Deus, por me incentivarem a seguir em frente. Ao meu orientador, Prof. Dr. Teófilo Miguel de Souza, exemplo de professor e pesquisador, pela atenção, incentivo e condução do processo de elaboração deste trabalho. Ao meu coorientador, Prof. Dr. Pedro Magalhães Sobrinho, pelo apoio e transmissão de conhecimentos e experiências. À Fabaraço Indústria de Arames e Molas, em especial ao Sr. Adriano Merkx, pela oportunidade e apoio. E a todos que, de forma direta ou indireta, contribuíram para a realização deste trabalho. “Não se pode criar experiência. É preciso passar por ela”. Albert Camus RESUMO O setor industrial é responsável pela maior demanda de energia no Brasil e no mundo e, portanto, estudos sobre eficiência energética neste setor são importantes para a economia e para a sustentabilidade. No Brasil, existem mais de 100.000 indústrias de pequeno porte (de 10 a 49 funcionários), que representam aproximadamente 23% do total de estabelecimentos industriais, porém ações de eficiência energética em indústrias de pequeno porte não são tão incentivadas e implementadas se comparadas as indústrias de médio e grande porte. Este trabalho analisou as instalações de força motriz e iluminação de uma empresa de pequeno porte do ramo metalúrgico, localizada no interior do Estado de São Paulo, com o objetivo de identificar oportunidades de otimização da eficiência energética e redução do consumo de energia elétrica. Após levantamento de dados, medições em campo e análise, os resultados indicaram que a substituição dos motores elétricos por outros de alto rendimento, pode reduzir o consumo de energia elétrica em 9,7% e que a substituição de lâmpadas fluorescentes por lâmpadas LED tubulares, pode reduzir o consumo em 55,0%. Outras medidas, que envolvem pequenos investimentos, podem contribuir para a eficiência energética na empresa, tais como: treinamentos para conscientização e motivação dos funcionários, limpeza e pintura com cores claras do teto, paredes e janelas e a substituição de telhas translúcidas envelhecidas. Este estudo evidenciou que a aplicação de medidas de eficiência energética em uma indústria de pequeno porte propicia economia de energia elétrica, e, consequentemente, aumenta a disponibilidade de energia, melhora a segurança no fornecimento, diminui a necessidade de investimentos e reduz os impactos ambientais. A aplicação de medidas que visam aumentar a eficiência energética em indústrias de pequeno porte representa um potencial enorme de economia de energia para o país, cujos valores podem ultrapassar 1 bilhão de reais/ano. PALAVRAS-CHAVE: Consumo energético. Energia na indústria. Economia de energia elétrica. Sustentabilidade. ABSTRACT The industrial sector has the highest demand for electricity in Brazil and the whole world, therefore, studies on energy efficiency in this sector are important for the economy and for sustainability. In Brazil, there are more than 100,000 small industries (between 10 and 49 employees), which represent approximately 23% of the total industries, however, energy efficiency actions in small companies are not as encouraged and implemented as in the medium and large ones. This paper analyzed the electric motors and the lighting installations of a small metallurgical company, located in the State of São Paulo, with the goal of identifying opportunities to optimize energy efficiency and reduce electricity consumption. After data collection, measurements and analysis, the results indicated that the replacement of the electric motors with high-efficiency ones, can reduce electricity consumption by 9.7% and that the replacement of fluorescent lamps with LED tube lamps, can reduce consumption by 55.0%. Other measures, which involves small investments, can also contribute to energy efficiency in the company, such as: employee’s awareness and motivation training, cleaning and painting the ceiling, walls and windows with light colors and the replacement of aged translucent roof tiles. This study showed that the application of energy efficiency measures in a small industry provides savings in electricity, and consequently, increases the availability of energy, ensures a better supply, reduces the need for investments and reduces impacts environmental issues. The application of measures to increase energy efficiency in small industries represents a great potential for energy savings in Brazil, with values that can exceed BRL 1 Bi/year. KEYWORDS: Energy consumption. Energy in the industrial sector. Electric energy savings. Sustainability. LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Participação das fontes de energia primária utilizadas no mundo em 2016 .......... 18 Figura 2 – Países maiores consumidores de energia em 2018 .............................................. 19 Figura 3 – Países com leis de eficiência energética implementadas até o ano de 2016.......... 23 Figura 4 – Os múltiplos benefícios das melhorias em eficiência energética.......................... 26 Figura 5 – Participação setorial no consumo de energia elétrica no Brasil em 2018 ............. 28 Figura 6 – Utilização da energia elétrica no setor industrial brasileiro ................................. 30 Figura 7 – Evolução do motor de indução com relação ao rendimento e à massa por potência ............................................................................................................. 31 Figura 8 – Motor de indução trifásico com rotor em gaiola.................................................. 32 Figura 9 – Comparativo entre rendimentos nominais dos motores padrão (IR1), de alto rendimento (IR2) e premium (IR3), 4polos ....................................................... 36 Figura 10 – Lâmpada fluorescente tubular ........................................................................... 38 Figura 11 – Lâmpadas LED: (a) bulbo; (b) tubular .............................................................. 39 Figura 12 – Layout da empresa metalúrgica estudada .......................................................... 42 Figura 13 – Exemplos de motores elétricos instalados na empresa ....................................... 43 Figura 14 – Luminária tipo calha aberta instalada na empresa ............................................. 44 Figura 15 – Tela inicial do programa BDMotor versão 4.3 .................................................. 46 Figura 16 – Exemplo de tela do banco de dados de motores do Programa BDMotor versão 4.3 ........................................................................................................ 46 Figura 17 – Exemplo da determinação do carregamento de um motor através do Programa BDMotor .......................................................................................... 47 Figura 18 – Curva de desempenho de um motor elétrico WEG de 3 cv, 4 polos ................... 47 Figura 19 – Localização dos pontos de medição de iluminância na empresa estudada ......... 48 Figura 20 – Alicate wattímetro Minipa ET-4080.................................................................. 49 Figura 21 – Tacômetro digital Icel TC-5005 ........................................................................ 49 Figura 22 – Termômetro infravermelho Homis 507 ............................................................. 50 Figura 23 – Medidor de distância a laser Instrutherm TR-180.............................................. 50 Figura 24 – Luxímetro digital Instrutherm LD-400.............................................................. 51 Figura 25 – Valores de iluminância (lux) medidos no interior do prédio .............................. 55 Figura 26 – Iluminação natural no galpão da empresa ......................................................... 58 LISTA DE QUADROS Quadro 1 – Barreiras à melhoria da eficiência energética .................................................... 27 Quadro 2 – Desempenho de motores de indução em função da tensão aplicada ................... 33 Quadro 3 – Valores mínimos de rendimento para motores de indução trifásicos, conforme Portaria Interministerial Nº 1 de 29/06/2017 .................................................... 35 Quadro 4 – Especificações técnicas das lâmpadas fluorescentes instaladas na empresa ........ 44 Quadro 5 – Resumo dos resultados obtidos com a substituição dos motores elétricos .......... 54 Quadro 6 – Especificações técnicas de uma lâmpada LED tubular ...................................... 56 Quadro 7 – Resumo dos resultados obtidos com a substituição das lâmpadas fluorescentes por lâmpadas LEDs tubulares .......................................................................... 57 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Número de estabelecimentos industriais existentes no Brasil em 2018 ................. 15 Tabela 2 – Níveis mínimos de iluminância para as atividades de trabalho e processamento em metal e trabalhos em ferro e aço, conforme a NBR ISO/CIE 8995-1:2013 ...... 40 Tabela 3 – Dados dos motores elétricos de indução trifásicos em operação na empresa ........ 43 Tabela 4 – Carregamento, rendimento e potência elétrica dos motores instalados ................. 52 Tabela 5 – Carregamento, rendimento e potência elétrica dos motores de alto rendimento .... 53 Tabela 6 – Consumo de energia do sistema de iluminação instalado ..................................... 56 Tabela 7 – Consumo de energia do sistema de iluminação com lâmpadas LEDs tubulares .... 57 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ACEEE American Council for an Energy-Efficient Economy ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica CNI Confederação Nacional da Indústria COP21 21ª Conferência das Nações Unidas sobre Mudança Climática COPEL Companhia Paranaense de Energia ELETROBRAS Centrais Elétricas Brasileiras S.A. EPE Empresa de Pesquisa Energética ESCO Empresa de Serviços de Conservação de Energia IEA International Energy Agency ISO International Organization for Standardization INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia LED Light Emitting Diode MIT Motor de Indução Trifásico MME Ministério de Minas e Energia OCDE Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico ONG Organização Não Governamental PBE Programa Brasileiro de Etiquetagem PEE Programa de Eficiência Energética PNE Plano Nacional de Energia PNEf Plano Nacional de Eficiência Energética PUCRS Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica UE União Europeia WEC World Energy Council SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 14 2 OBJETIVOS .................................................................................................. 16 2.1 OBJETIVO GERAL ........................................................................................ 16 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................ 16 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................... 17 3.1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ........................................................................... 19 3.2 POLÍTICAS E PROGRAMAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ................... 20 3.3 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO MUNDO .................................................... 21 3.4 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO BRASIL ..................................................... 24 3.5 BENEFÍCIOS DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ............................................. 25 3.6 DESAFIOS PARA A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ......................................... 26 3.7 OPORTUNIDADES DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS ................................................................................................ 28 3.7.1 Força Motriz .................................................................................................. 30 3.7.2 Iluminação ...................................................................................................... 36 4 MATERIAL E MÉTODOS ........................................................................... 41 4.1 CARACTERIZAÇÃO DA EMPRESA ............................................................ 41 4.2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS .......................................................... 45 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................... 52 5.1 MOTORES ELÉTRICOS ................................................................................ 52 5.2 ILUMINAÇÃO ............................................................................................... 54 5.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................... 58 6 CONCLUSÕES .............................................................................................. 60 REFERÊNCIAS ............................................................................................. 61 14 1 INTRODUÇÃO A energia não deve ser consumida de forma indiscriminada, deve ser utilizada de forma sustentável para garantir que as futuras gerações possam utilizar desse recurso. A energia é um dos principais constituintes da sociedade moderna, sendo necessária para a produção de bens de consumo e para fornecer muitos dos serviços com os quais temos nos beneficiado (HINRICHS; KLEINBACH; REIS, 2015). Desde os primórdios da humanidade, ferramentas são desenvolvidas com o objetivo de facilitar tarefas do dia a dia, auxiliar na sobrevivência e prover um maior conforto às pessoas. Sejam essas ferramentas voltadas para o trabalho ou para o lazer, a evolução tecnológica em paralelo com a evolução da capacidade humana, tem feito tarefas complexas e demoradas serem simplificadas e facilitadas. O uso dos recursos tecnológicos diminuiu os esforços manuais e otimizou os processos e toda essa evolução está intimamente ligada ao uso da energia (FERNANDES, 2015). Desde a Revolução Industrial, a competitividade econômica dos países e a qualidade de vida de seus cidadãos são intensamente influenciadas pela energia. Em um mercado global e em face das crescentes preocupações com o meio ambiente, essa influência se mostra cada vez mais decisiva. Nesse contexto, as economias que melhor se posicionam quanto ao acesso a recursos energéticos de baixo custo e de baixo impacto ambiental obtêm importantes vantagens comparativas (SAVAZZI, 2017). De acordo com Bimestre (2015), a preocupação crescente com a menor abundância, em um futuro próximo, das fontes energéticas primárias, principalmente petróleo e gás natural, bem como a preocupação com a preservação do meio ambiente, têm levado os planejadores a considerar outros recursos para assegurar o pleno atendimento da demanda futura de energia. Esses recursos incluem uma maior diversificação da matriz energética, com participação mais significativa de fontes renováveis e a eficiência energética. Usar com eficiência os recursos disponíveis deve ser uma aspiração de todas as sociedades e organizações que buscam o progresso. Isso se dá especialmente no caso de recursos energéticos, não só pelos valores despendidos, mas também pelos impactos ambientais necessários para a produção de energia (ELETROBRAS, 2018). A energia é fator-chave de produção em muitos setores e, com o crescente ritmo da globalização, a competitividade internacional exige a redução dos custos de produção, incluindo aqueles relacionados à energia (CHAN et al., 2014). 15 A energia elétrica é uma das modalidades de energia mais consumida no país. Do ponto de vista do setor elétrico, o uso eficiente de energia diminui a necessidade de expansão do sistema, postergando investimentos necessários ao atendimento do mercado de energia elétrica. Para os consumidores, as principais vantagens são: redução do gasto com energia elétrica, otimização dos sistemas presentes na instalação e marketing associado às ideias de preservação ambiental (NATURESA, 2011). Os projetos de eficiência energética desempenham um papel fundamental na melhoria da segurança energética, da sustentabilidade ambiental e do desenvolvimento econômico. Como o setor industrial é responsável por uma parcela considerável da demanda de energia, tanto no Brasil, como no mundo, torna-se essencial que se desenvolvam ações de eficiência energética neste setor. A Tabela 1 apresenta o número de estabelecimentos industriais existentes no Brasil em 2018 (CNI, 2019). Tabela 1 – Número de estabelecimentos industriais existentes no Brasil em 2018 Fonte: Adaptado de CNI (2019). Ações de eficiência energética em indústrias de pequeno porte (de 10 a 49 empregados) não são tão incentivadas e implementadas no Brasil se comparadas as indústrias de médio e grande porte, porém representam um potencial enorme de economia de energia elétrica, considerando que existiam mais de 100.000 indústrias de pequeno porte no país no ano de 2018, conforme apresentado na Tabela 1. A geração de informações que auxiliem as indústrias de pequeno porte a reduzirem o consumo de energia elétrica e, consequentemente, os custos de produção, contribuindo para a sustentabilidade e a competitividade, foi o que motivou a realização deste trabalho. 60 6 CONCLUSÕES Após analisar as instalações da empresa com foco em força motriz e iluminação, foram identificadas oportunidades de redução do consumo de energia elétrica, sem comprometer a qualidade do produto, a capacidade de produção, a segurança da operação e a sustentabilidade ambiental. O estudo de caso mostrou que a substituição dos motores elétricos por outros de alto rendimento e a substituição das lâmpadas fluorescentes por lâmpadas LED tubulares, podem reduzir o consumo de energia elétrica em 9,7% e 55,0% respectivamente. Outras medidas, que envolvem pequenos investimentos, podem contribuir para a eficiência energética na empresa, tais como: treinamentos para conscientização e motivação dos funcionários, limpeza e pintura com cores claras do teto, paredes e janelas e a substituição de telhas translúcidas envelhecidas. A aplicação de medidas que visam aumentar a eficiência energética em indústrias de pequeno porte representa um potencial enorme de economia de energia para o país, considerando que existem mais de 100.000 indústrias de pequeno porte em operação no Brasil. Como sugestão para a continuidade deste trabalho ou pesquisas futuras, recomenda-se avaliar o sistema de ar comprimido da empresa, visando a otimização do consumo de energia elétrica. 61 REFERÊNCIAS AMERICAN COUNCIL FOR AN ENERGY-EFFICIENT ECONOMY - ACEEE. National Policy Program. Disponível em: https://aceee.org/program/national-policy. Acesso em: 15 jul. 2019. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. 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