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Conservação de Energia, Eficiência e Balanço de Energia Útil. Prof. Eberson José Thimmig Silveira. Estrutura da Aula. Fluxograma da Energia Conservação de Energia Eficiência na Conservação de Energia Balanço de Energia Útil Balanço de Energia Útil: Destino da Energia Útil por Setores
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Conservação de Energia, Eficiência e Balanço de Energia Útil Prof. Eberson José Thimmig Silveira
Estrutura da Aula • Fluxograma da Energia • Conservação de Energia • Eficiência na Conservação de Energia • Balanço de Energia Útil • Balanço de Energia Útil: Destino da Energia Útil por Setores • Eficiência por Uso: Força Motriz
Fluxograma da Energia nos Balanços Mundiais Primários: Petróleo; Gás Natural; Carvão Mineral ROM; Energia Hídrica; Urânio; Lenha; Cana-de-Açúcar; Casca de Arroz Centros de Transformação Secundários: Derivados do Petróleo; Derivados do Carvão Mineral; Derivados da Biomassa; Eletricidade Setores de Consumo: Agrícola; Industrial, Comercial, Transportes, Serviço Público e Energético. Destino da Energia Final: Força Motriz; Calor de Processo; Aquecimento Direto; Iluminação; Eletroquímica Útil Perdas
Conservação de Energia A quantidade total de energia em um sistema isolado sempre permanece constante; Em um sistema isolado a energia é conservada. Por exemplo, se o nosso sistema isolado ou fechado for o próprio universo, então a lei da conservação da energia estabelece que a energia total no universo é uma constante e permanecerá assim; Em um sistema não isolado, ou seja, capaz de interagir com o mundo exterior, a energia que entra nele é igual à energia que sai dele mais a energia que ele armazena. Por exemplo, numa casa com energia solar passiva a energia térmica que entra pela radiação solar é igual à energia térmica que sai mais a energia térmica armazenada.
Conservação de Energia Figura: casa com energia solar passiva. energia que entra = energia que sai + energia armazenada
Conservação de Energia Outro exemplo é uma termelétrica à vapor. Nela, o combustível (óleo combustível ou diesel, carvão, gás natural ou biomassa) é queimado na unidade da caldeira da usina de vapor. A combustão do combustível utilizado gera calor, que aquece a água e a converte em vapor (a água ganha energia térmica). O vapor, de alta temperatura e alta pressão, é direcionado através das hélices (lâminas) de uma turbina que tem um eixo acoplado mecanicamente ao eixo de um gerador elétrico. A turbina, ao girar pela passagem do vapor, faz funcionar o gerador de eletricidade. O vapor, com temperatura e pressão rebaixadas, deixa a turbina e passa através de um condensador onde retorna à forma líquida. O condensador, por sua vez, utiliza a água fria de um rio ou lago para realizar a troca de calor e transformar o vapor em água a qual, através de bombeamento, retorna novamente para a caldeira. A água usada no condensador retorna para o rio ou lago aquecida.
Figura: diagrama de blocos de uma termelétrica. Entrada de energia = saída de energia, uma vez que não ocorre armazenamento.
Conservação de Energia A entrada total de energia neste sistema é obtida pela soma da energia química do combustível utilizado para o aquecimento da água da caldeira mais a energia do ar (oxigênio) para a combustão mais a energia térmica da água utilizada na refrigeração do condensador. A saída total de energia é obtida pela soma da energia elétrica gerada e exportada pela usina mais a energia térmica da água quente que deixa o condensador e a energia dos gases de combustão emitidos pela chaminé. Nenhuma energia é armazenada, já que a água retorna à caldeira com a mesma energia térmica de quando o processo foi originalmente iniciado. A equação da conservação de energia da usina é:
Eficiências na conversão de energia Ainda que a energia seja conservada num processo de conversão de energia, a produção de energia útil é sempre menor que a entrada de energia. Por exemplo, da energia elétrica utilizada para alimentar uma lâmpada incandescente, 4% é transformado em luz (energia útil) e os 96% restantes são perdidos (energia perdida) sob forma de calor. Diz-se então que a eficiência do processo de conversão de energia elétrica em luz é de 4%. A eficiência de um processo de conversão de energia é definida como: A parcela de energia que não se transforma em trabalho útil é perdida sob formas não utilizáveis como calor.
Eficiências na conversão de energia Processo de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica e sua eficiência No exemplo da figura, a porcentagem da energia do combustível (carvão) convertida em energia elétrica é calculada por:
Eficiência de alguns sistemas e esquemas de conversão de energia
Balanço de Energia Útil O Balanço de Energia Útil é uma ferramenta que tem o objetivo de ampliar o conteúdo das informações apresentadas pelos Balanços Energéticos. Ela permite que se faça uma estimativa da energia efetivamente aplicada nos principais Usos Finais. Na Versão 2005 do BEU/BEN são contempladas as seguintes categorias de Usos Finais: Força Motriz: Energia usada em motores estacionários ou de veículos de transporte individual ou coletivo, de carga, tratores, máquinas agrícolas, de terraplenagem e de movimentação de terras. Calor de Processo: Energia Usada em caldeiras e aquecedores de água ou de fluidos térmicos.
Balanço de Energia Útil Aquecimento Direto: Energia usada em fornos, fornalhas, radiação, aquecimento por indução, condução e micro-ondas. Refrigeração: Energia usada em geladeiras, freezers, equipamentos de refrigeração e ar condicionado tanto de ciclo de compressão como de absorção. Iluminação: Energia usada em iluminação de interiores e externa. Eletroquímica: Energia usada em células eletrolíticas, processos de galvanoplastia, eletroforese e eletrodeposição. Outros Usos: Energia usada em computadores, telecomunicações, máquinas de escritório, xerografia e equipamentos eletrônicos de controle.
Balanço de Energia Útil O Balanço de Energia Útil é um modelo que permite processar as informações setoriais dos Balanços Energéticos para obter estimativas da Energia Final destinada a sete diferentes Usos Finais (Força Motriz, Calor de Processo, Aquecimento Direto, Refrigeração, Iluminação, Eletroquímica e Outros Usos) e, com base nos rendimentos do primeiro processo de transformação energética, estimar a Energia Útil. A Energia Final é composta pela soma de duas parcelas: a Energia Útil e a Energia Perdida. Esta, por sua vez é composta pela soma do Potencial de Economia de Energia (que é estimado pelo MAPEE) com a Energia não Recuperável (apurada por diferença).
Balanço de Energia Útil A relação entre a Energia Útil e a Energia Final corresponde ao que podemos chamar de Rendimentos Energéticos Médios dos Setores para a conversão de Energia. Na tabela ao lado apresentamos a variação desses Rendimentos Energéticos Médios para todos os setores contemplados na matriz energética brasileira.
Balanço de Energia Útil O Balanço de Energia Útil constitui uma matriz de três dimensões montada a partir do destino da Energia Final: energia motriz, calor de processo, aquecimento direto, iluminação, eletroquímica e energia para outros fins. Esse desdobramento é feito com base em dois coeficientes: pjik - que indica a parcela de Energia Final i no setor de atividade j que é destinado ao uso final k, e rjik - que indica o rendimento da transformação da Energia Final i no setor de atividade j com relação ao uso final k. A Energia Útil EUjik (Energia Útil i no setor de atividade j para o uso final k) é dada pela relação:
Balanço de Energia Útil O BEU/BEN contempla os sete Usos Finais, já relacionados, e dezoito Formas de Energia que tem consumo final registrado no BEN. O BEU 2005 é disponível numa versão compacta que contempla os vinte setores de atividades relacionados no BEN, e numa versão ampliada, na qual se faz o desdobramento de alguns setores que são grandes consumidores de energia.
Balanço de Energia Útil: Destino da Energia Útil por Setores O setor Comercial compreende os seguintes serviços: Comércio Varejista; Comércio Atacadista; Serviços de Comunicações; Serviços de Alojamento e Alimentação; Serviços de Reparação, Manutenção e Instalação; Serviços Pessoais; Serviços de Radiodifusão, Televisão e Diversões; Serviços Auxiliares Diversos; Serviços de Saúde; Serviços de Administração, Locação e Arrendamento de Bens e Serviços de Loteamento e Incorporação de Bens Imóveis; Holding - Controladoras de Participações Societárias; Instituições Financeiras; Sociedades Seguradoras de Capitalização e Entidades de Previdência Privada; Escritórios Centrais e Regionais de Gerência e Administração; Serviços Comunitários e Sociais; Ensino e Cooperativas.
Balanço de Energia Útil: Destino da Energia Útil por Setores O setor Agropecuário compreende: Agropecuário; Agricultura; Outros tipos de culturas vegetais; Pecuária; Outros tipos de criação animal; Extração Vegetal; Pesca e Agricultura.
Balanço de Energia Útil: Destino da Energia Útil por Setores O setor Ferro-Gusa e Aço compreende: Siderurgia, exclusivo: Produção de ferro-ligas em formas primárias e semi-acabadas; Produção de fundidos de ferro e aço; Produção de forjados de aço.
Aquecimento Direto O aquecimento direto é uma das aplicações da energia mais freqüentes e mais diversificadas. Em cada setor e para cada tipo de insumo energético o aquecimento direto assume uma forma própria com características de rendimentos energético próprias. Frequentemente encontram-se, dentro de um mesmo setor, equipamentos muito diferenciados que usam o mesmo insumo energético. Além disso, o rendimento efetivo depende substancialmente das condições de operação
Aquecimento Direto nos SetoresResidencial, Comercial e Público O aquecimento direto nesses setores ocorre primordialmente no cozimento de alimentos, na secagem de roupas e no aquecimento de ambientes. Os insumos energéticos mais usados para essas finalidades são o GLP, o gás e a eletricidade. Especificamente para a função de cozimento de alimentos ainda há um uso considerável de lenha, carvão vegetal e querosene. No caso do aquecimento elétrico as tecnologias mais usadas são o aquecimento resistivo e o aquecimento por micro ondas. O rendimento típico do forno de micro ondas é de 90%. No caso do forno a resistência a eficiência é menor. O uso do aquecimento resistivo é, no entanto, muito maior, principalmente no setor Comercial e Público.
Aquecimento Direto no Setor Agropecuário O aquecimento no setor agropecuário é usado, principalmente, para promover a secagem de produtos alimentícios aumentando a sua capacidade de armazenamento. Muitos, são os tipos de equipamentos usados: Spray dryers, tambor rotativo (em processo contínuo e descontínuo), forno túnel com transporte do material por esteira, etc. No caso de aquecimento elétrico a tecnologia mais usada é o aquecimento resistivo. No caso de combustíveis, os gases da combustão circulam através do material a ser processado. O rendimento dessas tecnologias acaba se nivelando por causa da necessidade de arrastar o vapor extraído, o que requer excesso de ar.
Iluminação – Eficiência e Usos A iluminação a querosene e a GLP só é usada nos setores Residencial, Agropecuário e Mineração e, mesmo assim, em pequenas quantidades. Verifica-se, porém, consumos ocasionais de querosene iluminante em outros setores de atividade. Por esse motivo é que foi registrada a mesma eficiência em todos os segmentos. No Setor Residencial a eficiência registrada se baseia na utilização predominante de lâmpada incandescente. Existe uma crescente utilização de lâmpadas fluorescentes e de incandescentes de alto rendimento e de um aumento do rendimento de todas as modalidades de iluminação. Nos setores Comercial, Energético e Industrial a eficiência registrada se baseia na utilização predominante de lâmpadas fluorescentes. No setor Público a eficiência registrada se baseia no uso combinado de lâmpadas de vapor de mercúrio e de vapor de sódio.
Exercício dado em aula: Balanço de Energia Útil do Setor Comercial
Densidades e Poderes Caloríficos Inferiores dos Energéticos que Compõem a Matriz Energética Brasileira, 2006
Unidades de Medida e Fatores de Conversão para tonelada equivalente de petróleo (tep) dos Energéticos que Compõem a Matriz Energética Brasileira, 2006
