avaliação do impacto energético do uso de lâmpadas

AVALIAÇÃO DO IMPACTO ENERGÉTICO DO USO DE
LÂMPADAS FLUORESCENTES COMPACTAS NO SETOR
RESIDENCIAL BRASILEIRO
Rafael Balbino Cardoso1
Luiz Augusto Horta Nogueira2
EXCEN / UNIFEI3
RESUMO
Entre as ações empreendidas após a crise de suprimento de energia elétrica no início desta década
destaca-se a substituição das lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes compactas
(LFC`s), cerca de quatro vezes mais eficientes que as incandescentes. O presente trabalho
desenvolve uma avaliação do impacto energético dessa medida, em termos de
energia e
demanda, em particular associado ao uso de lâmpadas eficientes (LFC`s) no setor residencial
brasileiro. Segundo a avaliação realizada, que tomou o parque de lâmpadas instaladas no setor
residencial (38% eficientes) e um tempo médio de utilização de 1.000 horas por ano, resultou
uma redução na demanda de ponta de 4.800 MW e num consumo de 16.900 GWh,
correspondentes a cerca de 20% do consumo setorial e significando uma economia de 6.858
GWh, cerca de 8% do consumo observado em 2005.
Palavras chave: Lâmpadas Eficientes, Redução de Demanda de Ponta, Economia de Energia.
1
e-mail: [email protected]/Fone: (35) 3629-1411
e-mail: [email protected] (35) 3629-1442
3
Centro de Excelência em Eficiência Energética – EXCEN
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI
Av. BPS 1303, 55-35-3629-1000, Itajubá-MG
2
ABSTRACT
Among the actions taken after the crisis of electricity supply at the beginning of this decade, the
replacement of incandescent lamps for compact fluorescent lamps (CFL`s, about four times more
efficient than the incandescent) is one of most important. This paper develops an assessment of
the impact of this measure in terms of energy saved and demand reduction, especially associated
with the use of CFL`s lamps in the residential sector. According to this study, which took into
account the park of lamps installed in Brazilian households (38% efficient) and an average time
of use of 1,000 hours per year, nowadays lightning in the residential sector corresponds to a peak
demand reduction for 4,800 MW and a consumption of about 16,000 GWh, approximately 20%
of whole residential sector consumption in 2005. The introduction of more efficient lamps has
induced an economy of 6,858 GWh, approximately 8% of consumption observed in 2005.
Key words: Efficient lamps, Peak Demand Reduction, Energy save.
1. INTRODUÇÃO
A energia sob forma de luz é muito importante para a qualidade de vida e a produtividade
na sociedade humana. Até alguns séculos atrás o período produtivo era limitado ao período
iluminado pelo Sol, contudo, depois da criação da lâmpada elétrica esse ciclo se alterou de forma
definitiva. Hoje em dia, além de colaborar com o desenvolvimento econômico, social e cultural,
uma iluminação bem planejada é fundamental para a segurança da população.
Segundo o Balanço de Energia Útil, a iluminação é responsável pelo consumo de
aproximadamente 17% da energia elétrica utilizada no país (BEN, 2006). As lâmpadas
incandescentes, predominantes no setor residencial, respondem por grande parte deste consumo,
no entanto, principalmente após a crise de suprimento elétrico ocorrida em 2001, essas lâmpadas
vêm perdendo mercado para modelos mais eficientes (fluorescentes compactas – LFC`s) que
consomem por volta de quatro vezes menos energia em relação às incandescentes.
A Figura 1 compara a eficácia luminosa, definida como a razão entre a radiação luminosa
emitida em lumens (lm) e a potência elétrica consumida em watts (W), para os diversos tipos
lâmpadas encontradas no mercado brasileiro. As lâmpadas de descarga, entre as quais temos as
fluorescentes, necessitam de menores potências para produzirem o mesmo resultado visual do
que as lâmpadas incandescentes, apresentando maior eficácia luminosa.
lm/W
250
200
150
100
50
D
LE
di
o
Só
te
e
ef
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H
In
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s
0
Figura 1. Eficácia luminosa das lâmpadas
Fonte: PROCEL (2007)
A partir de estudos realizados por Costa (2005), constatou-se que para efeitos práticos de
iluminação, considerando 1 lm = 0,001464 W, é possível converter as unidades luminosas em
potência e determinar as eficiências luminosas de cada tipo de lâmpada como mostra a Tabela 1.
Tabela 1. Eficiência das lâmpadas
Eficiência Energética
Tipo de lâmpada
Eficácia (lm/W)
Eficiência (%)
Incandescentes
10 a 15
1,5 a 2,2
Halógenas
15 a 25
2,2 a 3,7
Mista
20 a 35
2,9 a 5,1
Vapor de mercúrio
45 a 55
6,6 a 8,1
Fluorescente comum
55 a 75
8,1 a 11,0
Fluorescente compacta
50 a 85
7,3 a 12,4
Metálica
65 a 90
9,5 a 13,2
Fluorescente eficiente
75 a 90
11,0 a 13,2
Vapor de sódio
80 a 140
11,7 a 20,5
LED
130 a 200
19,0 a 29,2
Em anos recentes, novos instrumentos de gestão impulsionaram a eficiência energética no
país. Entre esses instrumentos cabe destacar a Lei 10.295/2001, que dispõe sobre a Política
Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia, prevendo o estabelecimento de “níveis
máximos de consumo específico de energia, ou mínimos de eficiência energética, de máquinas e
aparelhos consumidores de energia fabricados e comercializados no país”. Destacam-se, ainda,
programas de ações voluntárias de informação ao consumidor quanto aos equipamentos elétricos
mais eficientes no mercado, como o Programa Selo PROCEL, atuantes na mesma direção
(Cardoso, 2007).
Um dos grandes desafios da avaliação das ações de eficiência energética é a Medição e
Verificação - M&V dos resultados alcançados (Deru et al, 2005). Em várias partes do mundo têm
sido usados conceitos de linhas de base (baseline) para a comparação de curvas de cargas antes e
após a adoção de medidas de eficiência energética. Em tal contexto, o Protocolo Internacional de
Medição e Verificação de Performance – PIMVP é uma referência importante, descrevendo
métodos para avaliar economias de energia e permitindo desenvolver planos de Medição e
Verificação – M&V de forma relativamente padronizada para um projeto específico (INEE et al.,
2000). Além disso, o PIMVP fornece uma visão geral das melhores práticas atualmente
disponíveis para verificar os resultados de projetos de eficiência energética (ANEEL, 2006). Uma
revisão detalhada e abrangente das metodologias de M&V consta do Manual para Avaliação do
IEA/DSM (Programa de Avaliação das Medidas para a Eficiência Energética e Gerência da
Demanda), desenvolvido pela Agência Internacional de Energia e com estudos de casos em
países europeus (IEA/DSM, 2006).
Para a avaliação do impacto energético do uso de lâmpadas fluorescentes compactas –
LFC`s no setor residencial brasileiro, utilizou-se a modelagem apresentada no Relatório de
Avaliação de Resultados do Programa Selo PROCEL (2007), utilizando conceitos de linha de
base. No presente estudo, a linha de base do modelo proposto é um mercado fictício onde o
parque de lâmpadas seria formado por lâmpadas incandescente (82%) e fluorescentes tubulares
(12%), ou seja, um mercado onde não existem LFC`s. A diferença de consumo de energia entre o
mercado com produtos da linha de base e o mercado real estimado (formado por lâmpadas
incandescentes, fluorescentes tubulares e eficientes (LFC`s)) corresponde ao valor de economia
de energia atribuível às lâmpadas eficientes. A Figura 2 sintetiza os mercados estudados no
presente trabalho.
MWh
Mercado com produtos baseline (lâmpadas
incandescentes e fluorescentes tubulares )
Economia observada
Mercado real estimado
Mercado com 100% L.E
Economia potencial
Economia ainda possí
possível
tempo
Figura 2. Abordagem do modelo de avaliação do impacto energético
Fonte: PROCEL (2007)
A avaliação do impacto energético atribuído às LFC`s do setor residencial brasileiro baseia-se no
parque de lâmpadas instalado nos lares do Brasil, da potência média de lâmpadas instaladas por
domicílio e no tempo de utilização das lâmpadas, considerando os mercados apresentados na
Figura 2. A abordagem foi realizada em base regionalizada para se verificar a distribuição da
economia de energia anual nos dois períodos do ano, segundo a classificação da Agência
Nacional de Energia Elétrica – ANEEL (seco (Maio a Novembro) e úmido (Dezembro a Abril)).
A visão esquemática da modelagem é apresentada na figura seguinte.
Economia de Energia
Parque de Lâmpadas
Venda de lâmpadas
eficientes (LFC`s)
N°de domicílios
N°de lâmpadas
por domicílio
Tempo de utilização
por período do ano
Região do país
Potência média
(lâmpada)
Mercado da
Linha de base (BL)
Mercado Real
Mercado Potencial
Figura 3. Visão esquemática do modelo de avaliação do impacto energético
2. FORMAÇÃO DO PARQUE DE LÂMPADAS NO SETOR RESIDENCIAL
O parque de lâmpadas (incandescentes, fluorescentes tubulares e LFC`s (eficientes))
instalado no setor residencial brasileiro pode ser calculado pelo produto entre o número de
domicílios com iluminação elétrica existentes no país e o número de lâmpadas instaladas por
domicílio. Essas informações foram obtidas pela PNAD/IBGE (2006) e PROCEL (2007),
respectivamente em bases regionais. Assim, o parque total de lâmpadas é dado por:
Pti = Ndi.nLi
(1)
onde:
Pti = quantidade total de lâmpadas instaladas na região “i”.
Ndi = número de domicílios particulares na região “i” com iluminação elétrica.
nLi = número de lâmpadas por domicílios na região “i”.
Para o cálculo da parcela de LFC`s no setor residencial brasileiro, como desenvolvido na
avaliação do PROCEL (2007), o número de lâmpadas eficientes nas residências de uma região
brasileira em um determinado ano corresponde à soma das vendas dos últimos cincos anos. Essa
modelagem se justifica pelo fato da vida útil média das LFC`s ser em torno de cinco anos e o
tempo médio de utilização anual de lâmpadas nos setor residencial brasileiro ser cerca de mil
horas. Observe-se ainda que essa abordagem assume que todas as vendas de LFC`s se destinou
majoritariamente para as residências, já que nos demais setores a iluminação eficiente baseia
essencialmente em lâmpadas tubulares. A distribuição das lâmpadas entre as diferentes regiões
foi arbitrada com base nos respectivos mercados, determinado pelo número de residências
eletrificadas.
PLFC i = (Vk + Vk-1 + Vk-2 + Vk-3 + Vk-4 ).Fr
onde:
(2)
PLFCi - parque de LFC`s em residências da região “i”
V – vendas de LFC`s
k - refere-se ao ano da análise (no caso do presente trabalho 2005)
Fr - fração de residências eletrificadas da região “i” e relação ao total do país
Cabe ressaltar que esta modelagem permite considerar a influência na economia de
energia associada às lâmpadas vendidas em anos anteriores ao ano de avaliação do impacto
energético. Ou seja, a modelagem de formação do parque de LFC`s em função das vendas anuais,
permite que a economia associada às lâmpadas seja avaliada ao longo da vida útil.
A Figura 4 mostra que nos últimos anos, o ano de 2001 apresentou maior volume de
venda de LFC`s, fato justificado pela crise energética brasileira ocorrida em 2001.
60
Milhões de unidades
50
40
30
20
10
0
2001
2002
2003
2004
2005
Ano
Figura 4. Evolução das vendas de LFC`s no Brasil
Fonte: Alice Web/MDIC (2006)
3. POTÊNCIA MÉDIA E TEMPO DE UTILIZAÇÃO DAS LÂMPADAS
Com o consumo estimado para as três situações de mercado consideradas: a) linha de base
(parque fictício formado por lâmpadas incandescentes e fluorescentes tubulares), b) real (parque
existente, formado por produtos da linha de base e LFC`s) e c) potencial (parque fictício
composto por 100% de LFC`s), torna-se possível calcular a economia de energia atribuída as
LFC`s instaladas e por instalar no setor residencial brasileiro, bastando efetuar a diferença entre
esses consumos. Para calcular tais consumos, além dos parques de lâmpadas, é preciso conhecer
ainda a potência média para cada situação de mercado considerada e o tempo de utilização médio
de cada região e período do ano (seco e úmido). Os valores para essas variáveis foram tomados
da Pesquisa de Posse e Hábitos de Uso de Equipamentos no Setor Residencial Brasileiro,
(PROCEL, 2007), sendo possível determinar a potência média das lâmpadas instaladas no setor
residencial brasileiro para as situações de mercado citadas anteriormente, considerando as
participações para cada tecnologia como mostra a figura seguinte.
12 %
38%
50%
12%
88%
Linha de base (B.L)
Real
10 0 %
Máxima Eficiência (Potencial)
12%
Incandescente
Fluoresc. tubular
Eficientes
Figura 5. Condições do parque de lâmpadas instalado no Brasil – 2005
Fonte:(PROCEL, 2007)
As potências médias para cada situação do mercado são: 55W (linha de base), 42W (Real)
e 15 W (Potencial).
Os tempos de utilização médios das lâmpadas instaladas nos lares brasileiros foram
calculados em bases regionais de modo a incluir os efeitos de latitude para analisar os impactos
dos períodos do ano nos resultados de economia de energia, de acordo com a seguinte
modelagem:
Tu ip = (1 - α).Tuc + α.Tuc.F(λ ip )
(3)
com
F(λ ip ) =
24 - Nh ip
12
(4)
onde:
Tuip – Tempo de utilização na região “i”, no período “p”
α - Fator de susceptibilidade à luz diurna ( adotado como 0,8)
Tuc – Tempo de utilização anual médio constante (589 h, p.seco e 411 h, p. úmido)
F(λ) – Duração relativa do dia claro, influenciada pela latitude da região.
Nhip – Número de horas com luz solar da região “i” no período “p” (seco ou úmido).
De acordo com as equações (3) e (4), o tempo de utilização das lâmpadas no setor
residencial brasileiro, nos dois períodos do ano para as cinco regiões do país, se apresenta
conforme a Tabela 2, adotando como latitude média o valor ponderado entre as latitudes médias
de cada mesorregião (IBGE, 2000), em função da população. Como citado anteriormente, o ano
brasileiro é dividido pela ANEEL em dois períodos: seco (Maio a Novembro), que corresponde a
58,9% do ano e úmido (Dezembro a Abril), que corresponde 41,1% do ano.
Tabela 2. Tempo de utilização das lâmpadas (horas)
Setor Residencial
Região
P. seco
P. úmido
Sul
610
396
Sudeste
605
400
Centro-Oeste
601
403
Nordeste
595
407
Norte
592
409
Com efeito, os impactos energéticos das LFC`s variam com os períodos, que possuem
dias e noites com durações diferentes. Pela Tabela 2 pode-se concluir que a região que possui
maior tempo de utilização no período seco é a região Sul, cerca de 61%, pelo fato do inverno, que
ocorre nesse período, apresentar noites mais longas. Em nível nacional, os impactos energéticos
atribuídos às lâmpadas instaladas no setor residencial brasileiro ocorrem 60% no período seco e
40% no período úmido, já que estão diretamente relacionados com o tempo de utilização.
4. CONSUMO DE ENERGIA DO PARQUE DE LÂMPADAS
Nos capítulos anteriores definiu-se o parque de lâmpadas instalado no setor residencial
brasileiro, para cada situação de mercado considerada, a potência média de lâmpadas instalada
em cada residência e o tempo de utilização de cada região e período do ano. Com esses valores,
torna-se possível calcular o consumo do parque de lâmpadas instalado nos lares brasileiros em
cada região do país e período do ano (seco ou úmido), considerando as diferentes configurações
de parque instalado de acordo com a seguinte equação:
CPTip = PTi .Tu ip .WT
(5)
onde:
CPTip – Consumo de energia do parque de lâmpadas “T” na região “i” e no período “p”.
PTi – Parque total de lâmpadas “T” na região “i”.
WT – Potência média das lâmpadas “T” nos diferentes mercados.
Com a soma do consumo de energia durante os dois períodos do ano, para todas as
regiões do Brasil, para as diferentes situações de mercado consideradas no presente estudo,
conseguiu-se obter a evolução do consumo de lâmpadas no setor residencial brasileiro.
30000
25000
GWh
20000
15000
10000
5000
0
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Ano
Linha de Base (Incandescentes e tubulares)
Real (B.L e eficientes)l
Potencial (Eficientes)
Figura 6. Evolução do consumo das lâmpadas no setor residencial brasileiro
Cabe ressaltar que a estrutura de mercado utilizada para estimar as potências médias e a
composição do parque de lâmpadas, utilizadas para obter os resultados do ano de 2006,
apresentados pela Figura 6, foram os mesmos de 2005 por ainda não terem sido disponibilizadas
tais informações.
Considerando os resultados apresentados pelo Balanço Energético Nacional – BEN
(2006), que indica um consumo de energia elétrica de 83.193 GWh no setor residencial em 2005,
pode-se dizer que o consumo do parque de lâmpadas instalado no setor residencial brasileiro
(16.900 GWh) foi responsável por 20% do consumo setorial no mesmo ano.
5. ECONOMIA DE ENERGIA ATRIBUÍDA ÀS LÂMPADAS EFICIENTES
Utilizando os resultados de consumo de energia apresentados pela Figura 6 e efetuando a
diferença entre os mercados apresentados, foi possível determinar as economias real e potencial,
como apresentados na figura seguinte:
25000
Economia real (EE)
EE = 6.858 GWh
20000
Economia Potencial (EP)
EE = 17.152 GWh
GWh
15000
10000
5000
0
B.L (Incandescentes e
tubulares)
Real (BL + Fluorescentes
Compactas)
Potencial (100%
Fluorescentes
Campactas)
Figura 7. Economia de energia em iluminação no setor residencial brasileiro
A Figura 7 mostra que o setor residencial brasileiro, no ano de 2005, economizou 6.858
GWh de energia elétrica pela substituição de lâmpadas incandescentes por LFC`s, com um
potencial para economizar até 17.152 GWh. Essa economia potencial seria alcançada se todo o
parque de lâmpadas do Brasil fosse composto somente por LFC`s. Observe que tal resultado
depende da composição do parque atual de lâmpadas, por sua vez dependente das aquisições em
anos anteriores. Considerando os resultados do BEN (2006) a economia de energia devido às
LFC`s no ano de 2005 correspondeu cerca 8% de toda energia consumida no setor residencial no
mesmo ano.
Além da avaliação dos resultados de economia de energia das ações de eficiência
energética, também é de grande relevância para o planejamento energético do país a avaliação
dos impactos na demanda. O impacto energético na demanda de ponta, atribuído à substituição de
lâmpadas incandescentes por LFC`s foi efetuado levando em conta o parque dessas lâmpadas
instalado no setor residencial brasileiro e a redução média de potência devido à troca de
tecnologia.
RDPi = PLFCi .RMP.FCPi
(6)
onde:
PLFCi - Parque de LFC`s compactas na região “i”.
RMP – Redução Média de Potência, que é a diferença entre as potências de lâmpadas da
linha de base e eficientes.
FCPi – Fator de coincidência na ponta, ou seja, fração de unidades que são assumidas
estarem em operação simultaneamente durante o horário de ponta na região “i”
(estimado no valor de 0,7 para todas as regiões Brasileiras segundo
(PROCEL,2007)).
Os resultados em nível nacional, para a redução de demanda de ponta, obtidos pela
equação (6) foram da ordem de 4,8 GW para o ano de 2005, que seriam correspondentes a cerca
de 5% da potência total instalada no país naquele ano (ONS, 2006).
6. CONCLUSÕES
A partir de um modelo de formação do parque de lâmpadas no setor residencial brasileiro,
baseado no número de domicílios, número de lâmpadas por residência e venda de lâmpadas
eficientes, juntamente com estimativas da potência média das lâmpadas instaladas nos lares com
seus respectivos tempos de utilização, desagregados por período do ano, foi possível estimar o
consumo setorial do parque de lâmpadas no Brasil. Com o consumo do parque de lâmpadas
instalado no setor residencial, considerando as diferentes situações de composição do parque de
lâmpadas (linha de base, real e potencial) estimou-se que a economia de energia atribuída às
LFC`s instaladas no setor residencial brasileiro no ano de 2005 foi de 6.858 GWh, cerca de 8%
do consumo total setorial nesse ano. Em termos de potência, a troca de lâmpadas incandescentes
por LFC`s resultou em 4,8 GW na redução de demanda de ponta do ano de 2005, cerca de 5% da
potência total instalada no citado ano.
Do total de economia alcançada, cerca de 60% ocorreu no período seco, que representa
58,9% das horas do ano e, 40% no período úmido, que representa 41,1% do ano. A maior
concentração dos impactos energéticos no período seco se dá pelo fato de que nesse período
ocorre o inverno, onde as noites são mais longas e, conseqüentemente as lâmpadas ficam acesas
por mais tempo.
7. REFERÊNCIAS
Alice Web/MDIC, 2006. Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio. Site acessado
em 16/06/2006: http://aliceweb.desenvolvimento.gov.br.
ANEEL, 2006. Agência Nacional de Energia Elétrica. Site acessado em 18/06/2006:
http://www.aneel.gov.br.
BEN/MME, 2006. Balanço Energético Nacional/Ministério de Minas e Energia. Site acessado em
12/12/2006: http://www.mme.gov.br.
Brasil, 2001. Lei No 10.295, Dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de
Energia e dá outras providências, Subsecretaria de Informações do Senado Federal.
Cardoso, R.B., 2008. Avaliação da Economia de Energia atribuída ao Programa Selo PROCEL
em Freezers e Refrigeradores. Dissertação de Mestrado Apresentada à Universidade Federal de
Itajubá – UNIFEI, Engenharia da Energia, Itajubá, 179 p.
Costa, G.J.C, 2005. Iluminação Econômica: Cálculo e Avaliação. 3° edição Revisada e ampliada,
EDIPUCRS, Porto Alegre.
Deru, M., Blair, N. and Torcellini, P., 2005. Procedure to Measure Indoor Lightning Energy
Performance. Technical Report, NREL/TP – 550-38602.
IEA/DSM, 2006. International Energy Agency, Demand-Side Management Programme,
“Evaluation Guidebook on the Impact of Demand-Side Management and Energy Efficiency
Programmes
for
Kyoto's
GHG
Targets”,
Paris,
disponível
em
http://dsm.iea.org/NewDSM/Work/Tasks/1/task1.eval.GuideBook.asp
ONS,
2006.
Operador
Nacional
de
Sistemas.
Site
acessado
em
26/04/2006:
http://www.ons.org.br.
PNAD/IBGE, 2006. Pesquisa Nacional por Amostra a Domicílio/Instituto Brasileiro de
Geografia e Estatística. Site acessado em 20/12/2006: http:// www.ibge.gov.br.
PROCEL, 2007. Relatório de Avaliação de Resultados do Programa Selo Procel de Economia de
Energia. DPS/DPST.