O estudo dos sistemas energéticos não apenas se baseia em conceitos bas- tante específicos, mas também impõe o uso de uma linguagem e de parâmetros par- ticulares, que convém apresentar, ainda que de forma sucinta, para facilitar o trata- mento posterior dos problemas associados à racionalização dos fluxos energéticos.
Todas as atividades humanas requerem energia, seja na forma de fluxos energéticos como calor e energia elétrica, seja na forma de produtos e serviços, que de forma indireta, também correspondem a fluxos energéticos, sem o que eles não poderiam ser obtidos. Assim, denomina-se energia direta aos fluxos físicos de ener- gia, consumidos como tal, e energia indireta ou embutida às demandas energéticas realizadas para atender aos fluxos de materiais e às demais atividades, sendo, às ve- zes, também citado como custo energético de bens e serviços. Esta abordagem per- mite avaliar melhor a importância da energia na sociedade e evidenciar a crescente demanda de energia indireta, associada a produtos com elevado consumo em sua produção. A Tabela 2.7 permite comparar a energia embutida em alguns materiais de extenso uso, como, por exemplo, o alumínio e o aço ou o papel e o polietileno, que eventualmente competem por usos comuns. Os valores foram tomados de Boustead e Hancock (1979), mas certamente podem variar de acordo com as matérias primas e tecnologias adotadas.
Tabela 2.7 - Energia embutida ou custo energético de alguns produtos
Material (kJ/kg) Observações
Aço 20-50 produto acabado, a partir de minério
Água tratada 0,001-0,01 a partir de reservatórios naturais
Alumínio 227-342 metal a partir da bauxita
Calcário 0,07-0,1 a partir de jazidas naturais
Cimento 5-9 a partir das matérias primas
Madeira serrada 3-7 a partir da árvore em pé
Oxigênio 6-14 a partir do ar
Papel 25-50 a partir da árvore em pé
Polietileno 87-115 a partir de petróleo
Tijolos 2-5 a partir da argila
Vapor de processo 3-4 a partir da água natural, baixa pressão
Vidro 18-35 a partir das matérias primas
Outra forma de apresentar o conceito da energia incorporada aos bens e ser- viços é referindo-se ao consumo de energia no ciclo de vida, isto é, a energia consu- mida por um sistema desde a sua concepção, construção, operação e descarte final, pois em todas estas atividades se demanda energia. Como exemplo, na Figura 2.9, baseada em dados americanos, mostra-se como a energia embutida em um veículo e a energia necessária para abastecê-lo não são desprezíveis face ao seu consumo direto (DeCicco et alli, 2000).
Nem sempre uma disponibilidade energética está na forma como se neces- sita, mas, felizmente, a energia pode ser convertida e armazenada. Na acepção mais geral, os sistemas energéticos constituem-se de uma seqüência de processos, através dos quais progressivamente obtém-se, converte-se e, eventualmente, armazena-se energia da Natureza, visando sua adequação em termos de tempo e disponibilidade para atender aos diversos usos na sociedade. Conforme sua posição nesta seqüência de processos podem ser definidos alguns tipos de energia, como se apresenta a se- guir e se esquematiza na Figura 2.10.
Figura 2.10 - Sistema energético
Energia primária: energia fornecida pela Natureza, como a energia hidráuli-
ca, petróleo, lenha e cana-de-açúcar, podendo ser usada diretamente ou convertida em outra forma energética antes de uso.
Energia Secundária: corresponde à energia resultante de processos de con-
versão, no âmbito do setor energético, visando aumentar sua densidade energética, facilitar o transporte e armazenamento e adequação ao uso, como a eletricidade, combustíveis derivados de petróleo, álcool, carvão vegetal, etc. Eventualmente a energia secundária pode ser ainda convertida novamente em outras formas de ener- gia secundária, como é o caso do óleo diesel utilizado em centrais elétricas.
Energia Útil: significa a forma energética última, efetivamente demandada
pelo usuário, devendo ser algum fluxo energético simples, como calor de alta e baixa temperatura, iluminação, potência mecânica, etc. A relação entre a energia útil e a demanda correspondente de energia secundária depende da eficiência do equipa- mento de uso final.
No estudo dos sistemas energéticos e, particularmente, para o caso dos sis- temas elétricos, são adotados alguns parâmetros que expressam o nível de utilização destes sistemas, como se apresenta a seguir, devendo ainda se observar que é prá- tica comum em sistemas elétricos referir-se à demanda enquanto potência, avaliada em kW e ao consumo enquanto requerimento energético e avaliada em kWh:
a potência máxima requerida, sendo uma característica importante para consumido- res de energia. Tipicamente, consumidores residenciais e rurais apresentam fatores de carga inferiores a 10%, enquanto em indústrias de grande porte este fator pode estar acima de 90%. Uma conhecida expressão relaciona a energia consumida em base anual, Eanual , a demanda máxima de potência, Pmax e o fator de carga, fc:
Eanual = 8760 . fc . Pmax (2.14)
Fator de capacidade: similar ao fator de carga e neste caso utilizado para
sistemas de fornecimento energético, expressa a relação entre a potência média for- necida e a capacidade máxima de suprimento de energia. Em sistemas isolados, o fator de carga deve ser igual ao fator de capacidade.
Margem de reserva: utilizada para avaliar a folga na capacidade instalada
de suprimento de energia frente à demanda máxima do consumidor, expressando percentualmente a relação de potências dada abaixo, onde Pmax e Cmax referem-se respectivamente à capacidade de geração e ao consumo máximo observado:
(2.15)
Disponibilidade: indica a fração do tempo total, Ttotal , que se espera poder contar com um dado sistema de suprimento ou conversão energética, em função das paradas programadas e previstas para manutenção e ajustes, Tparado , conforme mostra a expressão a seguir:
(2.16)
Confiabilidade: indica qual a fração do tempo esperado para utilizar um
dado sistema de suprimento ou conversão energética, Tmax ,que pode efetivamente ser utilizado, em função do tempo gasto em paradas imprevistas ou não programa- das, Tperdido , conforme mostra a expressão a seguir:
(2.17)
Fator de Diversidade: para um conjunto de consumidores expressa a não
simultaneidade das cargas, conforme se mostra a seguir:
(2.18) Como a potência requerida por um consumidor qualquer sempre varia com o tempo, conforme se esquematiza na Figura 2.11a , é usual representar-se
esta variação na forma de curva de duração ou monótona de carga, apresentada na Figura 2.11b , onde, no eixo do tempo, pode ser colocado o período de tempo consi- derado em horas ou como percentual do tempo total. Neste tipo de curva perde-se a informação acerca do valor absoluto do tempo em que ocorre determinada deman- da, contudo tal informação é, em geral, pouco reprodutível e tem escasso valor.
(a) Curva instantânea (b) Curva de Duração
Figura 2.11 - Curvas de carga de consumo de energia
Em um sistema elétrico real, com muitos consumidores e geradores interligados, a operação mais econômica ocorre quando se colocam as centrais elétricas de melhor desempenho e portanto de menor consumo, gerando na base, isto é, durante a maior parte do tempo. Da mesma forma, por considerações de desempenho e flexibilidade ao acompanhar as variações de carga, existem as centrais de ponta. Sem que seja uma con- venção muito rígida, admite que as plantas de geração que operem mais de 5.000 horas anuais são centrais de base (fatores de capacidade >57%), enquanto aquelas que gerem por menos de 2.000 horas são consideradas de centrais de ponta (fatores de capacidade <23%). As centrais que se situam nesse intervalo são as centrais intermediárias.
Um aspecto marcante para a adequada concepção e operação dos siste- mas energéticos refere-se aos conceitos dos custos de capacidade e aos custos de
energia. Entende-se por custos de capacidade os custos de investimento, relaciona-
dos com a necessária amortização do capital aplicado no sistema energético. Fre- qüentemente estes custos são apresentados como custos unitários, dados como US$/kW de capacidade instalada e dependem fortemente da tecnologia do siste- ma, com os custos mais elevados naturalmente para os sistemas de maior eficiên-
custos de operação e manutenção. É usual ainda, nos sistemas de geração de ener- gia elétrica, separar-se os custos de operação e manutenção, em duas parcelas, uma correspondente ao combustível necessário para a geração e outra, relativa a todos os demais custos, como pessoal, manutenção, etc., que também podem ser dados, em termos anuais, como uma fração dos custos de investimento. Assim, o custo da energia para uma planta genérica qualquer observa a seguinte relação:
(2.19)
onde I corresponde ao investimento total necessário para o sistema, FRC é o fator de recuperação de capital, uma função da taxa de desconto adotada e do número de períodos considerados para a amortização, FO&M a fração do investimento que corresponde aos custos de operação e manutenção, exclusive os combustíveis, P a capacidade instalada, Fcap o fator de capacidade, Ccomb o custo do combustível e hcentral a eficiência da planta. Esta expressão, desenvolvida para sistemas de gera- ção de energia e que pode ser imediatamente adaptada para qualquer sistema de conversão energética, permite obter uma conclusão geral importante: o nível de desempenho dos sistemas energéticos deve ser tanto maior quanto mais elevado for seu fator de carga (ou de capacidade), de modo a justificar os maiores valores de investimento. Outra aplicação deste raciocínio, agora para um consumidor de energia, é apresentada na Figura 2.12, onde a viabilidade da utilização de sistemas de iluminação mais eficientes e mais caros ocorre para maiores níveis de utilização, sendo equivocado portanto adotar sempre a opção de maior desempenho, sem que se considere seus custos e impactos operacionais.