Eficiência Energética na Distribuição

Nos últimos anos a matriz energética brasileira vem sofrendo mudanças significativas com o avanço da geração distribuída...

Nos últimos anos a matriz energética brasileira vem sofrendo mudanças significativas com o avanço da geração distribuída e utilização de fontes renováveis de energia. O percentual de geração, por meio de energias renováveis, tem aumentado continuamente. Destacamos os parques solares e eólicas que possuem condições naturais favoráveis no Brasil, devido ao alto nível de incidência solar e dos fortes ventos, principalmente na região nordeste. Essas alterações contribuem com as metas do Acordo de Paris contra o aquecimento global e com as Contribuições Nacionalmente Determinadas (NDC) do Brasil que estabeleceram em 2016 os objetivos de reduzir em 37% até 2025 e em 43% até 2030 as emissões de carbono em comparação com os dados de 2005, no entanto, ainda há muito a ser feito.

A busca pela eficiência energética tem desempenhado um papel muito importante nessa conquista, contribuindo também para o aumento da produtividade já que teremos mais energia elétrica disponível.

No entanto, esses resultados encorajadores não serão suficientes. As projeções estimam que para 2040 a população mundial aumentará 22,9% e o consumo de energia crescerá 60%.

Para melhorar a eficiência energética existem certificações voluntárias de órgãos responsáveis por realizar as acreditações. Os órgãos certificadores exigem o cumprimento de uma diretriz e da aplicação de medidas de eficiência para alcançar uma pontuação que identifique a classe de eficiência adequada como Energy Star, Green Globes, International Energy Agency, ASHRAE, LEED  e BREEAM  estão entre os organismos de certificação mais reconhecidos. 

No que se refere a capacidade instalada de geração de energia elétrica, atualmente o Brasil está conseguindo suprir sua demanda energética quando não existem contratempos, como por exemplo a crise da água que estamos vivendo nesse momento. Com a baixa no volume de água temos problemas na geração de energia elétrica, onde a maior parte da produção de energia é gerada através das hidroelétricas. É de extrema importância que se tenha um controle e monitoramento do sistema como um todo a fim de evitar perdas e otimizar o consumo, isto porque a variação do PIB e do consumo de energia elétrica estão diretamente relacionados. Sendo assim, o crescimento econômico do Brasil tende a aumentar o consumo deste insumo. Se juntarmos uma elevação do PIB com períodos de secas podemos ver a necessidade de religarmos usinas térmicas aumentando o custo de energia.

A redundância do sistema e a qualidade da energia são fundamentais para minimizar as perdas indevidas. No entanto, a complexidade do SIN (Sistema Interligado Nacional) exige investimentos muito elevados para que a energia elétrica chegue ao consumidor final com todos os parâmetros adequados. A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) normatiza e padroniza as atividades técnicas por meio do Procedimento de Distribuição (PRODIST). O módulo 8 do PRODIST, que retrata a qualidade de energia, é utilizado pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) para coordenar e controlar as operações das instalações conectadas ao SIN, com metas que visam melhorar o sistema que vão da geração até a 98455 distribuição de energia.

PRODIST

As concessionárias de energia são monitoradas rigorosamente para a melhoria de seus índices e devem respeitar os limites e os valores de referência estabelecidos pelo documento e, também, devem manter os indicadores de continuidade (DEC e FEC) dentro dos parâmetros para garantir a qualidade do sistema.

O módulo 8 do PRODIST tem um olhar voltado para tensões em regime permanente, fator de potência, harmônicos, desequilíbrio de tensão, flutuação de tensão, variação de frequência e variação de tensão de curta duração. Todos os custos gerados pela ineficiência destes indicadores podem ser requeridos pelo consumidor, por isso é de extrema importância a utilização de sistema e equipamentos que sejam capazes de minimizar tais perdas e de efetuar o monitoramento da energia a fim de obter registros de sua qualidade.

Ao contrário do que se pode imaginar em um primeiro momento, os investimentos necessários para ter um monitoramento e controle da energia elétrica em uma planta já existente podem ser minimizados, não sendo necessária a troca de todos os produtos para componentes e acessórios modernos que possuem maior nível de tecnologia, proporcionando assim um rápido payback quando não se pretende investir em uma nova estrutura completa.

ISO 50001

A ABB possui em seu portfólio o Ekip Up, que pode ser  conectado a disjuntores já existentes, utilizando o sinal de sensores de tensão e de corrente, o que possibilita integrar sistemas de proteção básicos a sistemas que estão presentes na Indústria 4.0, através da medição de todos os fenômenos em questão e do controle automático da demanda, de descarte de cargas quando necessário, de transferência automática (ATS), reconexão sincronizada das fontes geradoras, comunicando em todos os protocolos de comunicação, incluindo IEC 61850, e permitindo a gestão dos ativos através de plataforma online disponível em nuvem.

Com o objetivo de habilitar as organizações a desenvolverem sistemas e processos que buscam maximizar a eficiência energética com foco na sustentabilidade, a ISO 50001 apresenta um método de gerenciamento de energia (EnMS) que vai além de investimentos em melhorias na estrutura física da empresa.

A metodologia base para o EnMS é a PDCA (Plan-Do-Check-Act), ferramenta difundida e que visa a melhoria contínua.

Para alcançar uma gestão energética eficiente e uma boa implementação do PDCA, consequentemente do EnMS, deve-se levar em conta a sazonalidade do consumo e avaliar os pacotes de demanda contratada no mercado livre ou a estrutura tarifária horo sazonal do mercado cativo. A ABB possui em seu portfólio o sistema Ability EDCS, um sistema baseado em nuvem, onde o controlador do sistema além do monitoramento online de seus dispositivos também terá ferramentas já desenvolvidas que o auxiliarão no controle automático do consumo baseando-se no histórico de demanda e em projeções gráficas adaptadas para cada caso. O sistema também traz embarcado uma ferramenta que através do desgaste dos contatos de seus disjuntores tem a capacidade de prever a próxima manutenção preditiva e informações sobre a vida útil do equipamento.

IEC 60364

O Comitê Eletrotécnico Internacional desenvolveu a Norma IEC  60364-8-1 com o objetivo de compartilhar as melhores práticas para a gestão de energia elétrica. A norma IEC  60364-8-1 em si considera o sistema elétrico completo, analisando a arquitetura, o monitoramento e o controle do sistema, além de fornecer diretrizes para a implementação de medidas de eficiência, considerando o estado da arte nas medidas de Eficiência Energética (EM) que são aplicadas ao sistema elétrico.

As medidas ativas estão relacionadas ao novo conceito de ciclo de energia que a regulação introduz.  Isso implica que, para garantir que um sistema atinja um certo nível de eficiência energética, não basta apenas implementar disposições para melhorar a eficiência, deve haver também o monitoramento permanente que é requerido para garantir a eficácia de quaisquer medidas tomadas.

A primeira ação a ser tomada para buscar uma melhor eficiência é a definição do perfil das cargas por grupo de aplicação e por zona. Para o perfil de cargas podemos determinar ventilação, cargas de TI, aquecimentos, iluminação etc., entretanto para a subdivisão por zona pode ser considerado a localização física do dispositivo, por exemplo: primeiro andar, segundo andar entre outros.

Pode-se resumir algumas práticas principais na norma, começando por redução da perda de energia relacionada ao comprimento do cabo. Isso pode ser solucionado realocando os Quadros de distribuição mais próximos das cargas. A segunda prática selecionada pela IEC se refere à escolha de equipamentos com maior eficiência na instalação. Por fim, pode-se citar o aumento da bitola dos cabos (considerando o retorno financeiro pela perda de tensão), aumento do fator de potência e redução de harmônicos na instalação.

Um dos princípios da IEC 60364-8 é garantir a conectividade e o funcionamento dos ativos sejam ininterruptos, sendo assim, é preciso investir na redundância do sistema. É importante ter um circuito preparado para situações adversas causadas tanto pela rede quanto pelos próprios domínios da planta para que não falte energia nas cargas essenciais. Para isto, é necessário ter um controle da demanda, das fontes geradoras disponíveis e das cargas conectadas a elas.

Ocasionalmente pode surgir a necessidade do descarte de algumas cargas para que seja possível manter o funcionamento do que é considerado prioridade. Não basta somente ter disponível geradores, baterias, ou outras fontes de energia. Primeiramente é necessário garantir a proteção dos ativos quando conectados a cada uma das fontes. Em cada situação os parâmetros de proteção variam e é necessário levá-los em consideração antes mesmo da conexão. O disjuntor Emax2 ABB é bastante flexível, podendo ser conectado em produtos ABB ou não. Sua conectividade é realizada por meio dos mais diversos protocolos de comunicação, sendo capaz de utilizar simultaneamente até três deles para coordenar os ajustes de proteção no chaveamento ON grid e OFF grid, sincronizando e estabilizando a frequência e a tensão. Tudo isto é possível de ser visualizado e controlado de maneira simples e prática.

É possível que sejam criados perfis de carga baseando-se, por exemplo, na aplicação de cada uma delas. Com isto, a automatização do controle da demanda energética se torna ainda mais eficiente e facilita a análise e a manutenção do sistema. Com o analisador de rede M4M, que utiliza os sensores de corrente e tensão em substituição dos TCs e TPs, é possível medir em tempo real e monitorar com alta precisão a qualidade da energia, fazendo uma análise completa dos parâmetros e dos KPIs.

As harmônicas e o baixo fator de potência amplificam as perdas energéticas, podem reduzir a vida útil e danificar os ativos. Como solução para dois dos maiores problemas enfrentados pelo sistema elétrico, a ABB oferece banco de capacitores e filtros ativos que minimizam esses fenômenos. Os benefícios impactam inclusive no dimensionamento dos circuitos que sofrerão menos com o aquecimento devido à redução na corrente.         

O sistema de medição é fundamental para definir o perfil de carga da instalação e coletar todos os dados necessários para a operação do sistema de gerenciamento de energia. Este sistema chave deve, portanto, ser cuidadosamente projetado por especialistas elétricos.

A precisão é um parâmetro chave para medição, medições não confiáveis ​​afetarão quaisquer considerações de eficiência. A alta precisão de medição é necessária na origem da instalação para apoiar o faturamento e, também, para avaliar o consumo total de energia da instalação e seu nível de eficiência em comparação com outras instalações semelhantes. A precisão sugerida neste ponto é de 1%.

Se considerarmos que o ciclo de vida de um painel elétrico pode ser algo em torno de 40 anos e que as tecnologias estão mudando mais rapidamente (a cada 3-5 anos ou menos), torna-se necessário manter a instalação elétrica atualizada. Como podemos modernizar as plantas e mantê-las preparadas para o futuro?

Os produtos e soluções da ABB são projetados de forma que seja possível atualizar a instalação em vez de alterá-la, contribuindo assim para a economia circular e a sustentabilidade.

Os principais motivos para atualizar sua planta são:

• Manter o sistema ativo e funcionando, maximizando a resiliência da planta;

• Maximizar a eficiência energética para satisfazer a crescente demanda por energia;

• Melhorar o desempenho e a segurança de sua planta introduzindo as novas tecnologias em seu sistema elétrico.

Entre os elementos mais importantes para a infraestrutura elétrica da planta a fim de contribuir com sua eficiência energética pode-se citar: O monitoramento da temperatura dos transformadores, correção do fator de potência, gerenciamento de demanda, monitoramento e controle.

A seguir você irá conhecer como a ABB pode proporcionar que sua planta se enquadre neste requisito.

Monitoramento de transformadores

As condições ambientais afetam o desempenho geral da planta e funcionalidades do dispositivo. Sistemas de monitoramento são necessários em todos os aplicativos onde dispositivos elétricos, como motores ou transformadores, podem funcionar em condições de sobrecarga por pouco tempo.

No caso da temperatura de um transformador caso os enrolamentos excederam um determinado valor, o monitoramento do sistema deve alertar o gestor da planta, que pode então decida de emergência para mitigar e prevenir o superaquecimento do circuito. Para monitorar e coletar o enrolamento do transformador, podemos utilizar 3 termostatos PT100 que são conectados diretamente ao modulo Ekip 3T, acessório do Emax2e nos disjuntores de baixa tensão Tmax XT.

Os dados de temperatura coletados serão enviados do disjuntor para o sistema de supervisão por meio de um protocolo de comunicação definido no disjuntor.

Correção de fator de potência

Os bancos de capacitores são recomendados para compensação de fator de potência, para evitar problemas de qualidade de energia. Abaixo temos alguns benefícios de utilizar filtro ativo ou capacitores de baixa tensão:

  • Conformidade com a mais rígida qualidade de energia regulamentos sobre potência reativa e harmônicas;
  • Reduzir e/ou eliminar penalidades para um fator de potência fora do pré determinado pelas normas vigentes;
  • Descarregamento e redução de perdas de energia em cabos e transformadores;
  • Reduzir o tempo de inatividade da produção e/ou comercial;
  • Aumento da eficiência e redução do sistema de emissões de CO2.

Gerenciamento de demanda

A possibilidade de controlar o consumo de energia do sistema elétrico é algo possível, desligar cargas não prioritárias em um momento de pico de consumo de energia garante o uso consciente e a melhor utilização da energia elétrica fornecida para as instalações. Com o Ekip Power Controller esse controle é possível, pois de acordo com a sua configuração teremos o descarte de cargas de acordo com a necessidade, com isso será possível manter o consumo de energia sempre estável.Esta solução, embutida nos disjuntores de baixa tensão da ABB, oferece aos projetistas uma solução flexível, com um algoritmo de controlador de energia patenteado onde permite que as cargas listadas sejam controladas remotamente através da comutação.

Os controladores de energia Ekip podem ser sincronizados e configurados para atender as necessidades de acordo com as tarifas de energia por exemplo, com isso podemos desligar a conexão com a concessionaria de energia e conectar com um gerador garantindo assim o máximo de economia mantendo o sistema conectado a uma fonte. 

O disjuntor Emax 2 com o módulo Ekip Power Controller é reconhecido pelo LEED© (Leadership in Energy and Environmental Design), como um sistema classificado para instalações sustentáveis (Green buildings)

Monitoramento e Controle

Como solução proposta para controlar o consumo de energia e analisar da qualidade de energia na instalação, é possível utilizar funções de medição e um analisador de rede incorporado nos disjuntores da ABB, caixa moldada e caixa aberta, nas chaves de transferência automática TruONE e nas chaves desconectoras fusível SlimLine XRG. 

Esta solução simplifica o painel elétrico, pois não há necessidade de reservar espaço para sensores e medidores de energia central. A alta precisão de medição é garantida graças à possibilidade de escolher os módulos de medição com precisão classe 1 para medidas de potência e energia, de acordo com o Padrão IEC61557-12.

A conectividade total do sistema de monitoramento é assegurada pela disponibilidade de vários protocolos de comunicação nativos. Os mais relevantes são IEC61850, Modbus TCP, Modbus RT, Ethernet IP, Profibus, ProfiNet e DeviceNet, permitindo a fácil integração dos dispositivos.

Para medição de cargas terminais com valores menores, o CMS-700 (Sistema de monitoramento de circuito) pode ser a melhor solução, com aplicativo gratuito para monitoramento e visualização das informações em nuvem possibilita assim uma análise detalhada da instalação.

A supervisão contínua é obrigatória de acordo com a IEC  60364-8-1. Os projetistas precisam especificar as comunicações adequadas para supervisão do Sistema de Gestão predial ou SCADA. Soluções personalizadas que requerem programação longa e podem resultar em complexidade desnecessária, e ainda ter um retorno do investimento longo.  Além disso, qualquer extensão ou modificação    do sistema existente requer outros custos e complexa customização. Para acelerar o projeto, os desenvolvedores decidiram optar por um sistema baseado em nuvem, não exigindo nenhum programa, com segurança digital e garantindo ainda alta flexibilidade.

A solução é a plataforma ABB AbilityTM EDCS (Electric Distribution Control System), adequada para pequenas e médias indústrias e edifícios comerciais. Foi desenvolvido para atender às necessidades de usuários finais, instaladores, operadores, engenharias e montadores de painéis, que permitem a coleta e análise de dados de cada dispositivo conectado. 

Tudo isso é obtido por meio de um módulo de comunicação integrado em um disjuntor caixa aberta ou um disjuntor caixa moldada fornecido como um módulo separado.   Isso permite a comunicação entre   os equipamentos instalados no painel elétrico e a coleta de dados digital ou analógicos, como temperatura, humidade e consumo de água.

O gerenciamento de energia pode ser facilmente implementado à medida que o ABB AbilityTM EDCS integra uma função de controle de energia. 

Para obter mais informações sobre os produtos ABB, consulte:

Tmax XT: https://new.abb.com/low-voltage/products/circuit-breakers/xt
Emax 2: https://new.abb.com/low-voltage/products/circuit-breakers
TruOne ATS: https://new.abb.com/low-voltage/launches/truone-ats
SlimLine XRG: https://new.abb.com/low-voltage/products/fusegear/slimline-xr-gold

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Sobre o(a) autor(a)

Amanda Ferreira & Jair Junior

Amanda Ferreira, engenheira eletricista, atuante em sistemas de proteção nos disjuntores de baixa tensão e entusiasta com o mercado de comercialização de energia e suas normas. Estudiosa da área de eficiência energética em sistemas de baixa e média tensão. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Jair Junior, engenheiro eletricista, mestre em engenharia elétrica, possui MBA em Gestão Industrial e Comercial. Atua a 10 anos no segmento de distribuição de energia, com experiência em equipamentos de Média Tensão e Baixa Tensão. Engenheiro de Aplicação da ABB Eletrificação.
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