1.3 TIPOS DE INDICADORES DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

Segundo Patterson (1996), podem ser detectados quatro grupos mais influentes de indicadores de eficiência energética:

1. Termodinâmico;

2. Físico-termodinâmico;

3. Econômico-termodinâmico;

4. Econômico.

O primeiro grupo refere-se às análises segundo as leis da termodinâmica, da eficiência da transformação de uma forma de energia em outra (eficiência energética); o segundo avalia os insumos energéticos necessários para produzir um determinado bem ou serviço e nesse caso, a energia que entra no sistema é mensurada em unidades termodinâmicas convencionais e a energia que sai do sistema em unidades físicas – exemplo: Energia que entra/tonelada de produto – (Consumo Específico de Energia); o terceiro é um indicador híbrido no qual o produto do processo é mensurado a preços de mercado e a energia que entra por unidades termodinâmicas convencionais – exemplo: Energia/PNB - (intensidade energética); o quarto indicador mede as mudanças na eficiência energética, puramente, em valores monetários tanto da energia que entra, quanto da que sai do sistema. (apud Patterson, 1996:377).

Indicadores termodinâmicos

Os indicadores termodinâmicos têm sido o caminho mais natural para mensurar a eficiência energética, tanto que a termodinâmica atualmente é freqüentemente definida como a ciência de processos energéticos. Porém, surpreendentemente, as medidas termodinâmicas de eficiência energética não são tão satisfatórias para medir a eficiência energética quanto podem parecer.

De qualquer modo, um atrativo para usar esse método quantitativo para medir a eficiência energética é que pode ser calculada no tocante à “função estado” do processo. Isso significa que é produzido por medidas únicas e objetivas dadas por um processo em um meio ambiente particular (descrito por temperatura; pressão; concentração, formula química; espécie nuclear; magnetização; etc.). Desse modo, para qualquer mudança nas condições físicas resultantes da dinâmica de alguns processos, as mudanças associadas, aos valores da “função estado”, podem ser unicamente medidas ou atribuídas. (Patterson,1996:378).

A Primeira Lei da Termodinâmica, também conhecida como Princípio de Conservação de Energia, pode ser descrita como “A soma da energia mecânica e da quantidade de calor (que é igual à energia total) de um sistema isolado é constante” (Goldemberg, 1983:35). Nesse caso a energia total do sistema inicial é igual à energia do sistema final, qualquer que seja o caminho seguido pelo sistema para passar do estado inicial ao final. A energia total do sistema é função do estado deste e não do caminho seguido pelo mesmo para chegar a esse estado.

A eficiência da primeira lei, ou entalpia, pode ser calculada por:

O que está contido nesta definição é apenas o fato de que energia se conserva, mas não a melhor forma de se usá-la (Goldemberg, 1983:45). A utilização dessa lei não propicia uma idéia realista das melhorias, que podem ser realizadas em um dado sistema, para que se obtenha um melhor desempenho. Tal eficiência também não leva em consideração a qualidade da energia nem na entrada e nem na saída do sistema. Não é feita a distinção entre fontes com excelente qualidade energética, que são mais eficientes e produtivas, e fontes de baixa qualidade e menos produtivas. (apud Goldemberg. 1996:378).

A Segunda Lei da Termodinâmica parte do principio de que as diferentes formas de energia têm qualidades que lhes são características, chamada entropia. Essas formas de energia não podem ser indiferentemente convertidas, uma nas outras (o que é permitido pelo Princípio de Conservação de Energia) e determina a direção que essas transformações podem ocorrer, no Universo. A energia flui sempre de uma maneira tal que a entropia do sistema aumente, (apud Goldemberg, 1983). Isso acontece, porque a conversão do estoque de energia interna da biosfera (recursos fósseis, físseis e "fundíveis") passa necessariamente, ao menos na tecnologia conhecida, pelo ciclo térmico irreversível e portanto acelera a entropização (exceção a esta regra é a célula de combustível).

Segundo Lizarraga (1987), existem três questões básicas na formulação da Segunda Lei da Termodinâmica: a) degradação da energia; b) sentido de evolução dos processos; c) critérios de equilíbrio e estabilidade. Ainda, pode-se citar outras conseqüências como a determinação do rendimento teórico máximo dos ciclos e máquinas térmicas, a avaliação quantitativa da degradação da energia provocada pela irreversibilidade, a definição de escala termodinâmica de temperatura e o desenvolvimento de meios para avaliação de propriedade, tais como: energia interna e entalpia. Estas se referem às propriedades que são mais rapidamente obtidas experimentalmente.

Segundo Patterson (1996:380), a Segunda Lei da Termodinâmica tem como base à definição do limite ideal dos processos que é um ponto importante para a teoria da conservação de energia. Tal lei dá uma definição de eficiência termodinâmica de 100% ou a unidade, permitindo que se tenha uma idéia das melhorias que podem ser realizadas pelos técnicos, porém sua aplicabilidade é restritiva ao mundo dos sistemas ideais.

onde:

W= energia útil

Q0= energia requerida

A primeira limitação desse método é que assume perfeita reversibilidade, que é equivalente a assumir, reduzir os processos infinitesimalmente. Os processos no mundo real são realizados em um período de tempo finito. A segunda limitação do método “limite ideal” de definição de eficiência energética é que este não contabiliza as entrada de energias indiretas. No método de “limite ideal”, por não incluir a entrada de energias indiretas, o “problema da qualidade de energia” permanece e inevitavelmente terá a multiplicidade de diferentes tipos de energia que necessitam, de alguma maneira, de equivalência.

Alguns estudiosos defendem o uso desses indicadores, tendo como base de calculo a exergia, porém esse método não resolve as dificuldades apresentadas. Segundo Nogueria et alli. 1994 para Baehr, (1965) pode se definir “a exergia como a parte transformável da energia, e a energia como a parte intransformável” e para Szargut et al (1988) “a exergia, de uma forma geral, como a capacidade de um tipo de energia ser convertido em outros tipos”.

Os processos termodinâmicos podem ser reversíveis ou irreversíveis. Nos processos reversíveis toda energia convertida de uma forma em outra pode e consegue ser aplicada para restaurar o sistema e o meio ambiente ao estado inicial, antes do inicio do processo, sem deixar quaisquer vestígios da ocorrência do processo. Assim, os processos reversíveis são ideais. Nos processos irreversíveis tal restauração não é possível, porque ocorrem perdas na transformação de uma forma de energia em outra.

Segundo Kotas (1995) as formas de energia podem ser classificadas em ordenadas e desordenadas. As principais características da energia ordenada, segundo Oliveira Júnior (1996:19), são: 1- conversão de uma forma de energia ordenada em outra é total, se realiza reversivelmente; 2 - podem ser analisadas apenas pela Primeira Lei da Termodinâmica; 3 – os parâmetros do meio ambiente não são necessários para o cálculo de energia ordenada transferida de um sistema a outro; 4 - a transferência de energia ordenada, entre dois sistemas, manifesta-se como uma interação do tipo trabalho na fronteira que separa os sistemas (trabalho é energia ordenada em trânsito).

As condições para haver conversão de energia desordenada (energia interna, radiação térmica, energia química) em energia ordenada, segundo Oliveira Junior, (1996:20) são:

• processos de conversão devem ser reversíveis;

• limite superior de conversão depende dos parâmetros termodinâmicos do sistema no qual a energia está armazenada e daqueles do meio ambiente;

• a análise dos processos de conversão deve envolver o uso da Segunda Lei da Termodinâmica;

• a conversão de energia é em geral acompanhada por mudanças nas entropias dos sistemas que estão interagindo.

O objetivo principal da análise exergética é detectar e avaliar quantitativamente as causas da imperfeição termodinâmica do processo sob consideração, permitindo localizar os pontos onde ocorrem as destruições de exergia e classificá-las segundo a magnitude das perdas. (Horta Nogueira et al, 1994). As diferenças entre energia e exergia, segundo Szargut (1980) podem ser observadas na Tabela 4.

Este tipo de análise pode ser utilizado no projeto de equipamentos ou sistemas, estabelecendo como objetivo a minimização da destruição de exergia, juntamente com outros aspectos. Este método também possibilita separar a perda de exergia por unidades do processo, porém como alerta Szargut et al (1988) mesmo assim é impossível avaliar exatamente as perdas de exergias atribuídas à diferentes tipos de irreversibilidades, a menos que suposições arbitrárias sejam feitas com a finalidade de separar os fenômenos físicos e químicos.

Outro item importante que se deve conhecer para melhor estudar os indicadores termodinâmicos são as diferenças entre energia útil e energia final . Para tal fim, será descrito o processo de transformação da energia primária até chegar a diferença entre estes tipos de energias.

As fontes energéticas apresentam-se em diferentes formas na natureza, em distintos níveis de refinamento que vão da lenha à nuclear. Em uma avaliação global de um sistema energético é conveniente expressar todas as formas de energia de maneira unificada. Para definir qual o indicador de eficiência energética mais adequado a ser desenvolvido é importante que se caracteriza o tipo de energia que será utilizada para a avaliação do sistema.

Pode-se classificar as fontes energéticas em primárias e secundárias, que são os produtos energéticos providos pela natureza na sua forma direta, como petróleo, gás natural, carvão mineral, minério de urânio, lenha. Outras formas de energia primária para produção de energia elétrica são: hidráulica, eólica, solar e nuclear. Os produtos primários, como por exemplo o petróleo, passam por um processo de transformação que os convertem em formas mais adequadas para os diferentes usos. O local onde se realiza este processo é denominado genericamente de centro de transformação. Nesse exemplo, o centro de transformação é a refinaria, onde são obtidos produtos de uso direto, como a gasolina, o óleo Diesel, o querosene, o gás liqüefeito e outros classificados como energia secundária. Em alguns casos, uma fonte secundária, como o óleo combustível obtido do petróleo, passa por um outro centro de transformação onde é convertido em eletricidade (Ver Figura 1.1).

Pode-se definir a energia final como aquela recebida pelo usuário nos diferentes setores, seja na forma primária, seja na secundária. A chamada energia final só o é do ponto de vista do setor energético e, simplificando, representa a forma em que a energia é comercializada.

Em cada unidade produtiva, industrial ou agrícola, ou em outro setor de consumo, como o residencial, comercial ou público, a energia tem diferentes usos como motriz, iluminação, aquecimento, etc.

Pode-se notar na Figura 1.1 que a energia final inclui a energia primária de uso direto. Em um esquema mais completo deve-se considerar ainda outros tipos de perdas, exportações e importações nas diversas etapas, bem como ajustes metodológicos ou de dados.

Para converter a energia, chamada final na forma em que ela é usada, passa-se ainda por um processo que implica perdas, sendo necessário considerar uma eficiência de uso ou rendimento. No caso do uso motriz, parte da energia é transferida ao eixo do motor e parte é dissipada na forma de calor. Denomina-se rendimento a razão entre essa energia na forma que é usada, denominada energia útil, e a energia final ou seja:

[Energia Útil] = rendimento * [Energia Final].

De maneira geral, pode-se elaborar um Balanço de Energia Útil da seguinte forma:

[Energia Final] = [Energia Útil] + [Perdas no uso].

Em um balanço de energia útil os usos são agrupados em: Força Motriz; Calor de Processo; Aquecimento Direto; Iluminação; Eletroquímica; Outros. Para elaborar um balanço de energia útil é necessário dispor, para cada atividade, da energia final utilizada por fonte energética. Para cada uma das fontes é necessária a distribuição pelos diferentes usos e o dos rendimentos em cada um desses usos. A soma dos valores em energia útil tem, pois, a vantagem de levar em conta os diferentes rendimentos, para um mesmo uso, dos diferentes energéticos.

A utilização da soma das parcelas representando os diferentes usos para compor a energia útil, apresenta, no entanto, o inconveniente de uma valorização que depende do tipo de uso. Por exemplo, um combustível, como a lenha é usada para gerar calor de processo em uma indústria com eficiência, aproximadamente de 75%. O óleo Diesel é usado, na mesma indústria, para gerar, força motriz com uma eficiência de 30%. Quando somados os dois combustíveis, na forma de energia útil, eles aparecem com um fator de mérito que não corresponde a sua potencialidade. Com efeito, o óleo diesel poderia ser usado, com uma eficiência superior à lenha para calor de processo e, quando usado como força motriz, também apresentaria uma eficiência maior a que seria obtida através da lenha em uma máquina a vapor.

Para elaborar um indicador termodinâmico como, por exemplo, de uma indústria, utilizando-se da energia útil, exige-se muito tempo do pesquisador e livre acesso, dentro da indústria a ser analisada, para medir e estudar o processo produtivo (minuciosamente) e o rendimento de cada máquina, motor, forno e outros equipamentos que utilizam energia para o seu funcionamento. Tal procedimento ainda não traria garantia de que não haveriam falhas, na contabilização da energia útil do processo.

Indicadores físico-termodinâmicos

Esses indicadores têm a vantagem de, usando medidas físicas e termodinâmicas, poderem mensurar objetivamente qual o consumo requerido atualmente pelo uso final. Por ter a possibilidade de contabilizar o produto final em quantidades físicas, estes podem ser prontamente comparados e analisados em séries temporais.

Para medir a eficiência energética o indicador físico-termodinâmico não é tão direto quanto parece, por causa da assim chamada ligação produtiva. A dificuldade esta na localização e analises das diferentes entradas e saídas de energia na indústria, para cada linha de produto. Como, por exemplo, um dado montante de entrada de energia é requerido para produzir dois produtos provenientes de uma fazenda de ovelhas: madeira (t) e carne (t). O problema surge quanto da entrada de energia (∆H,) tem de ser alocado para as diferentes saídas (t) em seqüência para produzir o indicador desejado. Esse indicador é restrito para medir a eficiência energética geral do processo, tendo como base que ele permite comparar somente serviços que tem o mesmo uso final (Patterson,1996:381-386).

Indicadores econômico-termodinâmicos

Esses indicadores são híbridos, porque a energia que entra estará sendo mensurada em unidades termodinâmicas e na saída do sistema em valor monetário. Podem ser aplicados em diversos níveis de agregação das atividades econômicas: setorial, indústrial ou a nível nacional. São muito utilizados para comparação entre países.

O problema dessa metodologia, para comparação entre países, está na composição do Produto Interno Bruto (PIB) ou Produto Nacional Bruto (PNB), que são calculados segundo a metodologia da ONU, adaptados teoricamente à realidade de cada país. Porém, setorialmente, encontra-se o mesmo problema metodológico, porque os dados são manipulados e podem não representar a realidade.

Indicadores econômicos

Esses indicadores têm como característica principal a mensuração da energia de entrada e saída em valor monetário. O maior problema desse indicador é a determinação do valor monetário da energia de entrada. A idéia é criar um “preço ideal” porém esse no tempo se torna instável e precisa ser recalculado. Outra idéia seria a de construir uma medida para o “custo da energia conservada”. Essa medida teria a vantagem de informar o público, de quanto em valor monetário teria sido poupado, com a implantação de medidas de eficiência energética.

Esse método de “preço ideal” tem por princípio que a melhor tecnologia esta disponível para todos e não leva em consideração as variáveis exógenas que podem influenciar na eficiência energética, como políticas econômicas, sociais e energéticas de cada pais, diferentes recursos naturais e diferenças climáticas. Os preços ideais provavelmente seriam determinados a partir dos parâmetros encontrados nos países em desenvolvimento, onde as melhores tecnologias e informações estão disponíveis e acessíveis ao consumidor. Essa hipótese parece atraente, porém não funciona nos países em desenvolvimento ou subdesenvolvidos, porque estes não têm acesso às melhores tecnologias disponíveis ou estas não são adequadas à realidade social e econômica desses países. Existe também um questionamento se um indicador puramente econômico poderia não ser verdadeiramente, um indicador de eficiência energética. Por exemplo, o indicador econômico para uma indústria ou setor é determinado pelos preços dos produtos finais multiplicado pela quantidade total dos mesmos. Isso torna os valores finais encontrados através destes indicadores econômicos/energéticos vagos, se utilizados sozinhos sem uma outra analise complementar, porque os preços podem variar e a qualidade do produto também,não refletindo a eficiência energética.

Segundo Bosseboeuf et al (1997), para definir e caracterizar a eficiência energética de um país, pode-se também utilizar os macro-indicadores que reportam a economia como um todo (macroeconomia) ou os principais setores (indústrial, agrícola, etc.) ou somente os principais uso finais. A macroeconomia tem como objeto de estudo as relações entre os grandes agregados estatísticos: a renda nacional, o nível de emprego e dos preços; o consumo, a poupança e o investimento total. Ao detectar as forças gerais que impelem os agregados em determinadas direções, a macroeconomia estabelece as chamadas forças de “ajuste” ou “equilíbrio”. Ao estabelecerem essas forças, podem afetar o investimento, os juros, a demanda, a oferta, as exportações e importações e no final toda a economia tem que se ajustar às regras impostas pela política macroeconômica vigente.

Nos últimos anos a política macroeconômica vem sendo dominada pelo grupo dos monetaristas, que têm por princípio enfatizar o papel desempenhado pela demanda de moeda e crédito, opondo-se frontalmente à intervenção do Estado. As regras determinadas pela política macroeconômica afetam as indústrias levando a uma oscilação na demanda total do produto e serviço, à substituição entre fatores de produção, variações nos preços e no câmbio que podem determinar um maior ou menor crescimento nas exportações e importações. As variações no preço para cima, da energia ou de suas fontes, podem incentivar a aquisição ou desenvolvimento de tecnologias, que consomem menos energia por produto final, ou levar a uma mudança na manutenção dos equipamentos já existentes e no controle e modo de uso da energia. Por isso, Nagata (1997) declara que os principais impactos, no consumo energético, podem ser divididos em mudanças na tecnologia, na operação e manutenção dos equipamentos e os de impactos macroeconômicos.

Existem também os micro-indicadores que podem ser definidos como microeconômico. Estes englobam, nessa área de eficiência energética, os seguintes itens:

• Comportamento do consumidor em relação ao preço da energia e a utilização de aparelhos mais eficientes.

• Determinação dos custos marginais da energia, dos de capacidade e dos de expansão para uma estrutura desagregada (custo incremental unitário).

• As implicações das variáveis do modelo de equilíbrio geral, que determinam os preços sombras, para o consumidor final. Como: preços eficientes, preços sociais e outras.

• Curvas de oferta e demanda para a energia.

• Previsão de demanda de energia.

Os indicadores microeconômicos podem também utilizar-se das ferramentas de engenharia econômica, para medir o custo efetivo de investimentos de eficiência energética, como: o retorno do investimento simples, o custo de energia economizada (CEE), a taxa interna de retorno (TIR) e o custo do ciclo de vida (CCV) ou o custo de vida anual (CCVA). Esse método pode auxiliar o consumidor e as empresas a decidirem a tecnologia a ser adquirida e o melhor investimento.

Além dessa tipologia de indicadores macro e micro indicadores, uma outra tipologia também é citada por Bosseboeuf et al (1997), como: indicadores econômicos, tecno-econômico, descritivos e explanatórios. Os indicadores econômicos e técnico-econômicos fazem parte dos quatro indicadores básicos tratados por Patterson, 1996 e, neste trabalho no item 2.2. Por esse motivo, neste momento, não trataremos deles.

Duas outras categorias de indicadores têm sido identificadas de acordo com os seus próprios propósitos para descrever a situação e a evolução da eficiência energética, sendo o primeiro indicador conhecido como descritivo; o segundo o explicativo ou explanatório. Tais indicadores explicam e analisam os fatores que permeiam a situação e evolução da eficiência energética e o papel desta na evolução do consumo de energia. Eles tomam como referência duas noções básicas de eficiência:

• eficiência econômica: maior produto, melhor padrão de vida com o mesmo ou menor montante de energia (e redução de emissões de CO2);

• eficiência tecnico-econômica: redução na energia específica que se deve à melhoria técnica, mudanças no comportamento, melhor gerenciamento, etc. Esses itens podem referir-se aos indicadores econômicos e tecno-econômicos.

Os indicadores descritivos são designados para descrever e interpretar alguns aspectos da eficiência energética que não são facilmente captados pelos indicadores tecnico-econômicos e econômicos quando fechados em si mesmos. Normalmente é necessária a combinação de vários indicadores descritivos, para interpretar a tendência na intensidade energética, relatando o consumo energético em valor monetário (PIB, valor adicionado) e unidade consumida ou consumo específico relatando o consumo energético para um valor físico (número de carros, produção de aço, cimento, empregos).

O indicador explanatório ou explicativo é utilizado primeiramente para explicar a razão para a variação na descrição dos indicadores, como por exemplo, o progresso ou deterioração da eficiência energética para um dado país ou de um setor indústrial. Em particular, um dos objetivos perseguidos naquela circunstância é identificar o papel respectivo da mudança na tecnologia, das mudanças estruturais e comportamentais, etc. Em segundo lugar, esses indicadores poderão ser utilizados para explicar as diferenças entre países (por exemplo, parâmetros climáticos; tamanho de residências, etc).