Conservação de Energia

Conceitos e Fundamentos

Definições de Energia

Aristóteles, Século IV A.C. Uma realidade em movimento

Maxell, 1.872 D.C. É aquilo que permite uma mudança na

configuração de um sistema, em oposição a uma força que resiste à esta mudança.

Senso Comum Hoje Medida da capacidade de efetuar trabalho

0 1 2 3 4 5 6 70.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Tempo (s)

Potê

ncia

(W

)Potência e Energia

0

0

t T

t

E P dt

Formas de Energia Energia nuclear e atômica Energia química Células de combustível Energia Mecânica ...

Energia Disponível em Sistemas Reais

Energia cinética de translação da Terra em torno do Sol 2,6E+34 J

Radiação solar recebida pela Terra em 24 h 5,5E24 J

Energia total anual em descargas atmosféricas 3,2E18 J

Consumo anual de um carro a gasolina compacto 4,0E10 J

Energia químia em um barril de petróleo 6,5E9 J

Energia cinética de uma bola de tênis (50 g) a 25 m/s 1,5E1 J

Energia para o salto de uma pulga 1,0E-7 J

Energia cinética média dos eétricos de átomos a 20oC 1,0E-20 J

Níveis de Potência de Processos Reais

Potência liberada pelo Sol 3,4E27 W

Radiação solar interceptada pela Terra 1,7E17 W

Relâmpago gigante 2E13 W

Turbogerador a vapor de grande porte 1,0E9 W

Potência do eixo de um carro de F-1 8,0E5 W

Vôo de um beija-flor 7,0E-1 W

Coração de um recém-nascido 4E-1 W

Conversões Energéticas

Energia Térmica(Radiação)

Energia Química Energia NuclearEnergia Térmica

(E. Interna)Energia Mecânica Energia Elétrica

Fotossíntese

Quimioluminescência

Reator Nuclear

Reação Exotérmica

Coletor Solar

Atrito

Máquina Térmica

Músculo

Motor Elétrico

Dínamo/Alternador

Tubo catódico, lâmpada fluorescente

Termopilha

Resistência

Célula fotovoltaica

Bateria

Eletrólise

Participação dos Setores no Consumo de Energia (2001)

Mineração e Pelotização; 4%Têxtil; 2%

Ferro-Ligas;

1%

Ferro-Gusa e Aço; 23%

Ali-men-tos e Be-

bidas; 23%

Química;

11%

Papel e Celulose; 10%

Não-Ferrosos e Outros Metais; 7%

Ci-mento; 7%

Cerâmica; 5%

Outros; 7%

Energéticos Utilizados na Indústria (2001)

Elet

ricid

ade

Bagaç

o de

Can

a

Óleo

Combu

stív

el

Coque

Car

vão

Miner

al

Outra

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róle

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Lenh

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Gás N

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al

Carvã

o Veg

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Outra

s Prim

. Ren

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eis

Outro

s0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

20% 19%

15%

11% 11%

9% 9%8%

6%5%

9%

Consumo Final na Indústria (2001)

Calor o Processo; 35%

Força Motri

z; 11%

Eletroquímica; 2%Iluminação; 1%

Aquecimento Direto; 51%

Energia para Força Motriz

Óleo Diesel; 3%

Eletricidade; 97%

Evolução do Peso dos Motores

1890 1910 1930 1950 1970 19900

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Ano

kg

/ /

kW

Evolução do Rendimento

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1665

70

75

80

85

90

95

1955

1983

Potência (cv)

Ren

dim

en

to (

%)

Desequilíbrio Tensão X Perdas

-1% 0% 1% 2% 3%0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

Desequilíbrio de Tensão (%)

Au

men

to d

as P

erd

as (

%)

Desbalanço X Conjugado

-1% 0% 1% 2% 3% 4% 5%80%

85%

90%

95%

100%

Conjugado (%)

Desbalanceamento de Tensão (%)

Perd

a d

e C

on

jug

ad

o (

%)

Carregamento dos Motores

0,75 < g < 1; 30%

g > 1; 4% g < 0,5; 36%

0,5 < g < 0,75; 30%

Distribuição dos Rendimentos

h > 0,9; 26%

h < 0,7; 19%

0,7 > h > 0,8; 17%

0,8 > h > 0,9; 38%

Perdas em um MIT

MIT 37 kW / 50 cv

Perdas por ventilação

Perdas por atrito

Perdas por dispersão

Perdas por histerese e foucalt

Perdas joule no estator

Perdas joule no rotor

Motor de Alto Rendimento Aumento no volume de cobre para evitar

perdas por efeito joule (50 – 60%)

Melhoria no material do núcleo (aço-silício e laminado mais fino) (20 – 25%) em perdas por histerese e correntes de Foucalt

Otimizar o projeto via diminuição de gaps de A/R (11 – 14%)

Diminuir atritos em rolamentos e circulação de ar para refrigeração (5%)

Triângulo das Potências em um Motor

Potência do Eixo (W)Potência de Perdas (W)

Pot

ênci

a R

eativ

a (V

ar)

Potência Aparente (VA)

q

qatualqdesejado

Qdesejado

Qatual Qcap

Plib

Corrigindo o FDesl

Motores de Indução

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

P

C

cos F

I1

s

Curvas (100cv Standard)

Curvas (100cv alto rendimento)

Curvas (10cv Standard)

Curvas (10cv alto rendimento)

Conjugado e Corrente (10 cv)

Standard Alto Rendimento

Distribuição da Perdas

Ferro; 20%

Mecânicas; 10%

Estator; 33%

Rotor; 20%

Suplem.; 15%

Desempenho X Tensão

110% 90%

- De partida, Máximo e de Operação

Aumenta 12% Diminui 19%

- Síncrona Não se altera Não se altera - Plena Carga Aumenta 1% Diminui 1,5% - Escorregamento Diminui 17% Aumenta 23%Rendimento - Plena Carga Aumenta 0,5 a 1% Diminui 2% - 3/4 Carga Pequena Mudança Pequena Mudança - 1/2 Carga Diminui 1 a 2% Aumenta 1 a 2%Fator de Deslocamento - Plena Carga Diminui 3% Aumenta 1% - 3/4 Carga Diminui 4% Aumenta 1 a 3% - 1/2 Carga Diminui 5 a 6% Aumenta 4 a 5%Corrente - Partida Aumenta 10 a 12% Diminui 10 a 12% - Plena Carga Diminui 7% Aumenta 11%Temperatura Diminui 3 a 4oCCapacidade de Sobrecarga Aumenta 21% Diminui 19%Ruído de Origem Mangética Leve Aumento Leve Queda

Variação da Tensão NominalCaracterística

Torque

Rotação

Motor de 30cv sobredimensionado

FDesl, MIT 30 cv

0 4,000 8,000 12,0000

4,000

8,000

12,000

Potência Ativa (Watt)

Po

tên

cia

Re

ati

va

(V

ar)

FDesl, MIT 15 cv

0 4,000 8,000 12,0000

4,000

8,000

12,000

Potência Ativa (Watt)

Po

tên

cia

Re

ati

va

(V

ar)

Comparativo entre motor superdimensionado e bem dimensionado

0 4,000 8,000 12,0000

4,000

8,000

12,000

Eixo, 30cvReativa, 30cvAparente, 30cvPerdas, 30cvEixo, 15cvPerdas, 15cvAparente, 15cvReativa, 15cv

Potência Ativa (Watt)

Po

tên

cia

Re

ati

va

(V

ar)

30 X 15 cv com R$0,16 / kWh (1 ano)30 cv 15 cv

Tensão 380 V 380 V

Corrente 26,18 A 21,7 A

cos j 0,7006 0,8326

h 0,9051 0,9117

Pcarga 15 cv 15 cv

Pelétrica 16,57 cv 16,45 cv

Economia 88,30 W R$ 123,76

Energia Reativa Excedente 7.226,95 Var 2.896,98 Var

Reativo Excedente 3.819,79 W 1.271,14 W

Economia Reativos 2.548,65 W R$ 3.572,19

Motor trabalhando 24 horas por dia e o preço médio do kWh de R$ 0,16

Tarifação de Energia Elétrica

Especialização em Engenharia da Manutenção Industrial

Introdução Quantia que deve ser

paga pela prestação do serviço

Parâmetro para a correta tomada de decisão

Síntese dos parâmetros de consumo (histórico)

Sistema Elétrico Padrões de Qualidade

Serviço Produto

Sistemas de Distribuição: Regime das cargas não é fixo Os valores máximos das cargas não ocorrem ao

mesmo tempo

0:00

0:45

1:30

2:15

3:00

3:45

4:30

5:15

6:00

6:45

7:30

8:15

9:00

9:45

10:3

0

11:1

5

12:0

0

12:4

5

13:3

0

14:1

5

15:0

0

15:4

5

16:3

0

17:1

5

18:0

0

18:4

5

19:3

0

20:1

5

21:0

0

21:4

5

22:3

0

23:1

50

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

Tempo (h:min)

Dem

anda (

kW

)

Demanda (15 min)

Demanda Contratada

MAXDFD

CI

0:00

0:45

1:30

2:15

3:00

3:45

4:30

5:15

6:00

6:45

7:30

8:15

9:00

9:45

10:3

0

11:1

5

12:0

0

12:4

5

13:3

0

14:1

5

15:0

0

15:4

5

16:3

0

17:1

5

18:0

0

18:4

5

19:3

0

20:1

5

21:0

0

21:4

5

22:3

0

23:1

50

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

Tempo (h:min)

Dem

anda (

kW

)

Fator de Carga

Demanda Média

Demanda Máxima

MED

MAX

DFC

D

Comportamento mensal

1/7

/09 0

:00

2/7

/09 0

:00

3/7

/09 0

:00

4/7

/09 0

:00

5/7

/09 0

:00

6/7

/09 0

:00

7/7

/09 0

:00

8/7

/09 0

:00

9/7

/09 0

:00

10/7

/09 0

:00

11/7

/09 0

:00

12/7

/09 0

:00

13/7

/09 0

:00

14/7

/09 0

:00

15/7

/09 0

:00

16/7

/09 0

:00

17/7

/09 0

:00

18/7

/09 0

:00

19/7

/09 0

:00

20/7

/09 0

:00

21/7

/09 0

:00

22/7

/09 0

:00

23/7

/09 0

:00

24/7

/09 0

:00

25/7

/09 0

:00

26/7

/09 0

:00

27/7

/09 0

:00

28/7

/09 0

:00

29/7

/09 0

:00

30/7

/09 0

:00

31/7

/09 0

:00

1/8

/09 0

:00

0E+00

2E+03

4E+03

6E+03

8E+03

10E+03

12E+03

14E+03

0E+00

1E+06

2E+06

3E+06

4E+06

5E+06

6E+06

7E+06

8E+06

Potência

Energia

Dd/mm/aa h:min

Dem

an

da (

kW

)

Con

su

mo (

kW

h)

Comportamento semanal

1/7

/09 0

:00

1/7

/09 4

:48

1/7

/09 9

:36

1/7

/09 1

4:2

41/7

/09 1

9:1

22/7

/09 0

:00

2/7

/09 4

:48

2/7

/09 9

:36

2/7

/09 1

4:2

42/7

/09 1

9:1

23/7

/09 0

:00

3/7

/09 4

:48

3/7

/09 9

:36

3/7

/09 1

4:2

43/7

/09 1

9:1

24/7

/09 0

:00

4/7

/09 4

:48

4/7

/09 9

:36

4/7

/09 1

4:2

44/7

/09 1

9:1

25/7

/09 0

:00

5/7

/09 4

:48

5/7

/09 9

:36

5/7

/09 1

4:2

45/7

/09 1

9:1

26/7

/09 0

:00

6/7

/09 4

:48

6/7

/09 9

:36

6/7

/09 1

4:2

46/7

/09 1

9:1

27/7

/09 0

:00

7/7

/09 4

:48

7/7

/09 9

:36

7/7

/09 1

4:2

47/7

/09 1

9:1

28/7

/09 0

:00

0E+00

2E+03

4E+03

6E+03

8E+03

10E+03

12E+03

14E+03

0E+00

1E+06

2E+06

Potência

Energia

Dd/mm/aa h:min

De

ma

nd

a (

kW

)

Co

nsu

mo

(k

Wh

)

Fator de Deslocamento

R V

Fator de Deslocamento

Resistor Puro

Potência

Tensão

Corrente

Tempo (s)

Indutor Puro

PotênciaTensão

Tempo (s)

Capacitor Puro

PotênciaTensão

Tempo (s)

Circuito RL

PotênciaTensão

Tempo (s)

Triângulo das Potências

S

P

Qj

jcosS

PFP

Economia de Reativos

53,1°

23,1° Reati

vos

Exc

edente

s fa

tura

dos

em

kW

e

kWh

Vantagens da Correção

228 A

304 A

380 A

S = 150 kVA

S = 250 kVA

FDesl = 0,6

S = 250 kVA

FDesl = 0,6S = 250

kVA 228 A

304 A

380 A

Corrigindo o FDesl

250 kVA

150 kW100 kW

200 kVAr

53,1

Conceitos Adicionais Período Seco e Período Úmido

Seco maio a novembro Úmido dezembro a abril

Tensão de Fornecimento

Tensão Carga Instalada Demanda

secundária < 75 kW

primária < 69kV > 75 kW < 2500 kW

primária > 69kV > 2500 kW

Grupos

GRUPO "B"

Subgrupo Tensão de Fornecimento

B1 residencial

B1 residencial baixa renda

B2 rural

B2 serciço público de irrigação

B3 demais classes

B4 iluminação pública

GRUPO "A"

Subgrupo Tensão de Fornecimento

A1 >= 230kV

A2 88 kV a 138 kV

A3 69 kV

A3a 30 kV a 44 kV

A4 2,3 kV a 25 kV

Estrutura Tarifária Convencional

Horo-Sazonal Azul: cobradas de acordo com as horas do dia e

com o período do ano Verde: cobradas de acordo com as horas do dia e

período do ano, porém com uma tarifa única para a demanda

Faturamento Grupo B Consumo kWh e KVar* (*quando aplicável!)

Valores mínimos faturáveis

Entrada Valor em R$ para

monofásica 30 kWh

bifásica 50 kWh

trifásica 100 kWh

Faturamento Grupo A Demanda Faturável (kW)

Contratada Medida

Consumo (kWh) Contratada (se houver) Medida

Consumo e Demanda de Reativos Excedentes

maior

maior

VPF = Valor Parcial da Fatura (R$) CF = Consumo Faturado (kWh) TC = Tarifa de Consumo (R$/kWh) TD = Tarifa de Demanda (R$/kW) ICMS = Imposto sobre Circulação de

Mercadorias e Serviços

Faturamento Grupo A [cont.]

1

1VPF CF TC DF TD

ICMS

Tarifa de Ultrapassagem Tolerância

>= 69 kV 5 % < 69kV 10%

Azul FDUp = (DMp – DCp) x TUp FDUf = (DMf – DCf) x TUf

Verde FDU = (DM-DC) x TU

Quadro Resumo

Azul Verde Convencional

Demanda (kW)PontaFora de Ponta

Preço Único Preço Único

Consumo (kWh) Preço Único

Ponta ÚmidoFora Ponta ÚmidoPonta SecoFora Ponta Seco

Custo da Demanda

Azul Verde Conv. Azul Verde Conv.Ponta Fora Ponta

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

29.73

7.74

23.82

7.74 7.74

23.82

Series1

Cu

sto

(R

$/k

W)

Custo da Demanda + ultrapassagem

Azul Verde Conv. Azul Verde Conv. Azul Verde Conv. Azul Verde Conv.PN PU FPN FPU

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

29.73

7.74

23.82

89.19

23.22

71.46

7.74 7.74

23.82 23.22 23.22

71.46

Cu

sto

(R

$/k

W)

Demanda e Consumo

Azul Verde Conv. Azul Verde Conv.PN FPN

0

5

10

15

20

25

30

35

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

29.73

7.74

23.82

7.74 7.74

23.82

0.24049

0.93086

0.16089 0.14796 0.14796 0.16089

R$ / kW

R$ / KW.h

De

ma

nd

a (

R$

/ k

W)

Co

nsu

mo

(R

$ /

kW

.h)

Fonte das tarifas Convencional

http://portal.celesc.com.br/portal/atendimento/index.php?option=com_content&task=view&id=286&Itemid=94

Azul http://portal.celesc.com.br/portal/atendimento/ind

ex.php?option=com_content&task=view&id=287&Itemid=94

Verde http://portal.celesc.com.br/portal/atendimento/ind

ex.php?option=com_content&task=view&id=288&Itemid=94