COPPE/UFRJ COPPE/UFRJ IMPACTOS ECONMICOS DOS HARMNICOS DE CORRENTE DAS CARGAS NO LINEARES EM REDES ELTRICAS DE DISTRIBUIO RESIDENCIAIS Carlos Henrique Duarte TesedeDoutoradoapresentadaaoProgramadePs-GraduaoemPlanejamentoEnergtico,COPPE,da UniversidadeFederaldoRiodeJaneiro,comoparte dosrequisitosnecessriosobtenodottulode Doutor em Planejamento Energtico. Orientador: Roberto Schaeffer

Rio de Janeiro Abril de 2010IMPACTOS ECONMICOS DOS HARMNICOS DE CORRENTE DAS CARGAS NO LINEARES EM REDES ELTRICAS DE DISTRIBUIO RESIDENCIAIS Carlos Henrique Duarte TESESUBMETIDAAOCORPODOCENTEDOINSTITUTOALBERTOLUIZ COIMBRA DE PS-GRADUAO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADEFEDERALDORIODEJANEIROCOMOPARTEDOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE DOUTOR EM CINCIAS EM PLANEJAMENTO ENERGTICO. Examinada por: ________________________________________________ Prof. Roberto Schaeffer, Ph.D ________________________________________________ Prof. Jos Policarpo Gonalves de Abreu, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Jos Antenor Pomlio, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Richard Magdalena Stephan, Dr.-Ing. ________________________________________________ Prof. Maurcio Cardoso Arouca, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL ABRIL DE 2010 iii Duarte, Carlos HenriqueImpactosEconmicosdosHarmnicosdeCorrente dasCargasNo-LinearesemRedesEltricasde Distribuio Residenciais /Carlos Henrique Duarte Rio de Janeiro: UFRJ / COPPE, 2010. XVI, 224 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Roberto Schaeffer TesedeDoutorado-UFRJ/COPPE/Programade Planejamento Energtico, 2010 Referencias Bibliogrficas: p. 143-160. 1.EficinciaEnergtica.2.DistoroHarmnica.3. ImpactosEconmicos.I.Schaeffer,Roberto.II. UniversidadeFederaldoRiodeJaneiro,COPPE, Programa de Planejamento Energtico. III. Titulo iv DEDICATRIA Com grande carinho, dedico este trabalho aos meus pais, pelo empenhoem me prover educao de qualidade. v AGRADECIMENTOS Antes de tudo a Deus, pelas graas que me foram dadas de determinao, entusiasmo e obstinao por realizar com qualidade e eficincia. Ao professor Richard Magdalena Stephan, amigo de longa data do qual sou f, pelo seu profissionalismo cientfico que foi espelho para minha reflexo de caminhar at aqui. Ao professor Maurcio Tolmasquim, que acolheu minha proposta inicial, e ao professor Luiz Pinguelli Rosa, que mesmo diante de tantas demandas sempre se prestou solcito. AoprofessorMaurcioCardosoArouca,quemeadotounumaocasioemquepor vicissitudes fiquei sem pai nem me, ou seja, semorientador e sem bolsa. AoprofessorRobertoSchaeffer,pelasegundaadoo,quesetornoudefinitiva,que muitomais do que um orientador umverdadeiro amigo e que, diante tantas virtudes, tanto profissionais quanto pessoais, no caberiam express-las aqui. Ao professor Jos Policarpo Gonalves de Abreu e ao Mestre Herivelto Bronzeado, que me incentivaram a prosseguir neste tema to espinhoso, mas muito importante. Ao professor Edson Watanabe, pela preciosa ateno e orientao informal.Ao professorJos Antenor Pomlio, ao Mestre FlvioResende Garcia e ao engenheiro Ernesto Mertens, pela ateno e pelo apoio nas informaes essenciais ao trabalho. Ao professor Reinaldo Castro Pontes e Christiano da PUC, pelo apoio incondicional na compreenso das informaes das Pesquisas de Posse e de Hbitos de Uso. AosengenheirosdoONS,AntnioPduaGuarini,AntnioFelipeCunhaAquino, Dalton Oliveira Campons do Brasil, Jos Roberto Medeiros e Paulo Diniz de Oliveira. Aos Engenheiros da Ampla, FranciscoEduardo RizzoFraga, da Light, Paulo Maurcio Senra, e da Energias do Brasil, Jos Rubens M. Jnior que hoje professor na UFU. engenheira CecliaHelena, da CH Consultoria, e ao engenheiro lvaro Tupiassu, da Petrobrs, pelo apoio prestado quando solicitados. vi Ao diretor Luiz Menandro e engenheiros Hamilton Pollis e Raphael, da Eletrobrs.DonaDiva,DonaDora,TiaClemildaeaocasaldeprofessoresngelaCristinae Fernando Duda, pela acolhida.AosamigosdoprojetoPNUD,Alexia,CristianeCamacho,LucianaRocha,Mrcio Giannini, Rita Passos, Valria Monnerat e Leonardo Rocha, este ltimo que me prestou um auxlio fundamental para o tratamento e para a estruturao dos dados. AospesquisadoresdoCEPEL,JooCarlosAguiar,JosFranciscoSobrinho,Luiz Felipe W. Souza, Mria Q.F. Balthazar, Ricardo Dutra e Ricardo Penido Dutt-Ross.Aosmeuspais,emespecialminhame,quepartiudessavidadurantemeumestrado,pelo esforo para prover formao de alto nvel a todos os seus filhos. Aos tios, tias, primos e minha madrinha, pela compreenso da minha falta de tempo. AomeuamigoMarcosHenriqueS.dePaula,minhasamigasLilianVillasBoase Suzane Ortiz,e tambm a minha av Maria Nogueira de Mello (Lol). Sagrada Famlia, Marcos Antnio Gomes, Andra Norberto e minhas lindas afilhadas Clara e Iara.Aos amigos damicroturma de engenharia eltrica Antnio Lopes de Souza, Antnio Raad, Nelson Pereira Ramos e Paulo Quinto. Aospreciososprofissionaisdasadequeforamimprescindveisparaqueeume mantivesse vivo, lvaro Afonso, Fernando Valente, Joo Amrico, Luiz Augusto, Paula Chaves,RicardoFittipaldi,e,emespecial,aquelesquetambmsomeusamigos, ngela Maria Eugnio, Marcos Antnio Gomes, Rosane Barroso Salerno. ASM e ALIA, Andr, Antnio, Cynthia, Bianca e especialmente Leonardo Ciuffo. Ao tcnico Srgio Ferreira e famlia, D. Cidla, Sr. Cceres e minha gatinha. Aos funcionrios do PPE, Paulo, Fernando, Simone e, em especial, Rita e Sandrinha. Ao (CNPq), pelo apoio financeiro na forma de bolsa de estudo. vii ResumodaTeseapresentadaCOPPE/UFRJcomopartedosrequisitosnecessrios para a obteno do grau de Doutor em Cincias (D.Sc.) IMPACTOS ECONMICOS DOS HARMNICOS DE CORRENTE DAS CARGAS NO LINEARES EM REDES ELTRICAS DE DISTRIBUIO RESIDENCIAIS. Carlos Henrique Duarte Abril / 2010 Orientador: Roberto Schaeffer

Programa: Planejamento Energtico Paraseobterumusomaiseficientedeenergiaeltricapodemserutilizados sistemasdeeletrnicadepotncia(PES-powerelectronicssystems).Entretanto,a utilizaodestesdispositivos,quesecomportamcomocargasno-lineares(NLL- nonlinearloads),resultanageraodefreqnciasindesejadas,quesoharmnicas (mltiplas)dafreqnciafundamental(60HznoBrasil).Consequentemente, equipamentosqueusamPESapresentammaioreseficincias,mastambmcontribuem significativamenteparaadegradaodaQualidadedaEnergiaEltrica(QEE).Alm disso, tanto as regras convencionais de projeto e de operao para sistemas de potncia, quanto as premissas usuais utilizadas em programas de eficincia energtica, sem contar o consumo prprio de eletricidade dos equipamentos, consideram as formas de onda de tenso e corrente senoidais com freqncia fundamental da rede eltrica fixa (60 Hz no Brasil).Assim,areduonoconsumodeeletricidadeemprogramasdeeficincia energtica pela aplicao de PES considera a reduo dos kWh para o usurio final, no observandoasperdasadicionaisdevidoaoaumentodadistoroharmnica.Desta forma,pormeiodeumestudodecasodeposseedehbitosdeusodeTVs,estatese temoobjetivodeestimarimpactoseconmicosadvindosdousodedispositivosde eletrnica de potncia em redes de distribuio residenciais no Brasil. viii AbstractofThesispresentedtoCOPPE/UFRJasapartialfulfillmentofthe requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.) ECONOMIC IMPACTS OF CURRENT HARMONIC FROM NONLINEAR LOADS ON RESIDENTIAL ELECTRICITY DISTRIBUTION NETWORKS. Carlos Henrique Duarte April / 2010 Advisor: Roberto Schaeffer

Department: Energy Planning Toachievemoreefficientenergyuse,powerelectronicssytems(PES)maybe employed.However,thisintroducenonlinearloads(NLLs)intothesystemby generatingundesiredfrequenciesthatareharmonicinrelationto(multiplesof)the fundamentalfrequency(60HzinBrazil).Consequently,devicesusingPES(power electronics systems) are more efficient but also contribute significantly to degradation of power quality (QEE). Besides this, both the conventional rules on design and operation ofpowersystemsandtheusualpremisesfollowedinenergyefficiencyprograms (withoutmentioningtheelectricityconsumedbythedevicesthemselves)considerthe sinusoidal voltage and current waveforms at the fixed fundamental frequency (60 Hz in Brazil) of the power grid. Thus, analysis of electricity consumption reductions in energy efficiency programs that include the use of PES considers the reduction ofkWh to the finalconsumerbutnottheadditionallossescausedbytheincreaseinharmonic distortion.Thisdissertationinvestigatesthisproblembyexploringacasestudyofthe ownershipanduseoftelevisionsets(TVsets)toestimatetheeconomicimpactsof residential PES on a mainly residential electricity distribution system. ix Sumrio Captulo 1 ................................................................................................................................. 1 Introduo................................................................................................................................. 1 Captulo 2 ............................................................................................................................... 14 Converso de Energia e Eficincia Energtica ......................................................................... 14 2.1.Converso de Energia ................................................................................................. 17 2.2.Eficincia Energtica .................................................................................................. 21 2.3.Programas de Eficincia Energtica ............................................................................ 25 2.4.Consideraes Finais .................................................................................................. 29 Captulo 3 ............................................................................................................................... 31 Qualidade da Energia Eltrica ................................................................................................. 31 3.1.Consideraes Iniciais ................................................................................................ 32 3.2.Definio da QEE....................................................................................................... 35 3.3.Distrbios Relacionados QEE .................................................................................. 37 3.3.1.Variaes Transitrias de Tenso (Transient Voltages) ........................................... 37 3.3.2.Variaes Momentneas de Tenso de Curta Durao (Short Duration Voltage Variations) .............................................................................................................................. 38 3.3.3.Variaes Sustentadas de Tenso (Long Duration Voltage Variation) ..................... 39 3.3.4.Variaes Momentneas de Frequncia (Power Frequency Variations) .................. 39 3.3.5.Distoro Harmnica Total (Total Harmonic Distortion) ........................................ 39 3.3.6.Flutuao de Tenso (Voltage Flutuation)............................................................... 39 3.3.7.Cintilao (Flicker) ................................................................................................ 40 3.3.8.Desequilbrio de Tenso (Voltage Imbalance) ......................................................... 40 3.3.9.Algumas Causas de Distrbios Relacionados QEE ............................................... 41 3.4.Distrbios Relacionados QEE .................................................................................. 44 Captulo 4 ............................................................................................................................... 45 Distores Harmnicas ........................................................................................................... 45 4.1.Consideraes Iniciais ................................................................................................ 46 4.2.Gerao e Consequncias dos Harmnicos ................................................................. 48 4.3.Tipos de Fontes: Propagao de Harmnicos nas Redes Eltricas ................................ 56 4.4.Consideraes Finais .................................................................................................. 62 Captulo 5 ............................................................................................................................... 64 Impactos das Distores Harmnicas ...................................................................................... 64 5.1.Consideraes Iniciais ................................................................................................ 65 5.2.Os Programas de Eficincia Energtica no Brasil e os Harmnicos ............................. 68 x 5.3.Algumas Medidas de Eficincia Energtica e Seus Impactos nas Distores Harmnicas72 5.4.Procedimentos Internacionais de Padronizao ........................................................... 76 5.4.1.Contexto Regulatrio ............................................................................................. 76 5.4.2.International Electrotechnical Commission - IEC.................................................... 78 5.4.3.Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE STd. 519-1992 .................. 81 5.5.Consideraes Finais .................................................................................................. 83 Captulo 6 ............................................................................................................................... 85 Estimativas dos Impactos Econmicos dos Harmnicos .......................................................... 85 6. 1.Introduo .................................................................................................................. 85 6. 2.Metodologia ............................................................................................................... 86 6. 3.Estimativas de Potncia Ativa Para Todos os Cenrios ............................................... 91 6. 4.Estimativas para o Cenrio Referncia ...................................................................... 105 6. 5.Estimativas para o Cenrio Alternativo Baixa DHTi ................................................. 115 6. 6.Estimativas para o Cenrio Alternativo Alta DHTi .................................................... 125 Captulo 7 ............................................................................................................................. 137 Concluses e Trabalhos Futuros ............................................................................................ 137 7.1.Concluses ............................................................................................................... 137 7.2Trabalhos Futuros ..................................................................................................... 141 Referncias Bibliogrficas .................................................................................................... 143 Apndice A ........................................................................................................................... 161 Sistemas No Lineares .......................................................................................................... 161 A.1Conceitos de Distores e No Linearidades ............................................................. 162 A.2. Circuitos Eltricos com Formas de Ondas de Tenso e Corrente Senoidais .................... 164 A.3. Circuitos com Distoro e sua Representao por Srie de Fourier ................................. 167 A.4. Potncia sob Condies No-Senoidais .......................................................................... 170 A.4.1. Potncia no Domnio da Freqncia. ........................................................................... 170 A.4.2. Potncia no Domnio do Tempo .................................................................................. 172 A.4.3. Definies da Norma IEEE 1459 ................................................................................ 173 Apndice B ........................................................................................................................... 176 Componentes de Sequncia ................................................................................................... 176 B.1Componentes mpares, Pares e Contnua .................................................................. 176 B.2 Componentes de Sequncia ..................................................................................... 178 Apndice C ........................................................................................................................... 186 Ressonncia .......................................................................................................................... 186 C.1Ressonncia Paralela ................................................................................................ 187 xi Apndice D ........................................................................................................................... 191 Potncia Ativa ...................................................................................................................... 191 Apndice E ........................................................................................................................... 204 Potncia Aparente ................................................................................................................. 204 Apndice F ........................................................................................................................... 209 Potncia No Ativa ............................................................................................................... 209 Apndice G ........................................................................................................................... 214 Perdas em Condutores - Rede Interna e Ramal de Ligao..................................................... 214 Tabela G1. Quantidade de Consumidores e Potncia Mdia Ponderada por Residncia .......... 215 xii Lista das Figuras Figura 1. Forma de Onda Distorcida e sua Decomposio em Ondas Senoidais. ...................... 47 Figura 2. Fator de Deslocamento num Sistema com Carga Linear. ........................................... 52 Figura 3. Espectro Harmnico de Corrente de uma Lmpada Fluorescente com Reator Eletromagntico. ..................................................................................................................... 53 Figura 4. Forma da Onda de Corrente de uma Lmpada Fluorescente com Reator Eletrnico (a) e seu Espectro Harmnico (b). ................................................................................................ 54 Figura 5. Capacitor para Correo do Fator de Potncia vs. Fluxo Harmnico. ........................ 58 Figura 6. Retificador com Filtro Capacitivo. ............................................................................ 59 Figura 7. Formas de Onda de Tenso Senoidal, Plana e com Pico. .................................... 71 Figura 8. Conversor Eletrnico com Fonte Chaveada. ............................................................. 75 Figura 9. Diagrama Utilizado Para a Rede Eltrica Tipicamente Residencial. .......................... 88 Figura 10. Fluxograma Para Estimao dos Impactos das Correntes Harmnicas. .................... 90 Figura 11. Estimativa do Consumo Anual de Eletricidade de TVs. .......................................... 92 Figura 12. Impactos Econmicos do Consumo de Eletricidade de TVs. ................................... 93 Figura 13. Estimativa do Consumo de Eletricidade Devido a Variao de 1% na Potncia de TVs......................................................................................................................................... 94 Figura 14. Estimativa do Consumo de Eletricidade de TVs Devido Variao de 1% na Potncia. ................................................................................................................................. 96 Figura 15. Estimativa do Consumo de Eletricidade de TVs Devido ao Uso da Funo Standby (4 W). ......................................................................................................................................... 97 Figura 16. Impactos Econmicos do Consumo de Eletricidade de TVs Desligadas em Standby (4 W). ..................................................................................................................................... 98 Figura 17. Diminuio do Consumo de Eletricidade Pela Reduo de 1 W na Potncia de TVs. ............................................................................................................................................. 100 Figura 18. Impactos Econmicos da Reduo o Consumo de Eletricidade de TVs em Stand-by Pela Variao de 1 W na Potncia. ........................................................................................ 101 Figura 19. Perdas Adicionais em Condutores Devido s Distores Harmnicas de Corrente. 103 Figura 20. Impactos Econmicos das Perdas Adicionais em Condutores Devido s Distores Harmnicas de Corrente. ....................................................................................................... 104 Figura 21. Aumento da Capacidade Instalada (kVA) Devido s Distores Harmnicas. ....... 106 Figura 22. Impactos Econmicos do Aumento da Capacidade Instalada. ................................ 107 Figura 23. Aumento das Perdas Fixas em Transformadores de Distribuio. .......................... 108 Figura 24. Impactos Econmicos do Aumento das Perdas Fixas em Transformadores Adicionais............................................................................................................................. 110 Figura 25. Impactos do Aumento do Fluxo de Energia No Ativa. ......................................... 111 xiii Figura 26. Impactos Econmicos do Aumento do Fluxo de Energia No Ativa. ..................... 113 Figura 27. Correo do Fator de Potncia com Filtros Ativos. ............................................... 114 Figura 28. Impactos Econmicos da Correo do Fator de Potncia. ...................................... 115 Figura 29. Estimativa do Aumento da Capacidade Instalada. ................................................. 116 Figura 30. Impactos Econmicos do Aumento da Capacidade Instalada. ................................ 117 Figura 31. Aumento das Perdas Fixas em Transformadores de Distribuio. .......................... 119 Figura 32. Impactos Econmicos Devido ao Aumento das Perdas Fixas em Transformadores Adicionais............................................................................................................................. 120 Figura 33. Aumento do Fluxo de Energia No Ativa nas Redes Eltricas. .............................. 121 Figura 34. Impactos Econmicos do Aumento do Fluxo de Energia No Ativa. ..................... 123 Figura 35. Correo do Fator de Potncia com Filtros Ativos. ............................................... 124 Figura 36. Impactos Econmicos da Correo do Fator de Potncia. ...................................... 125 Figura 37. Estimativa do Aumento da Capacidade Instalada. ................................................. 126 Figura 38. Impactos Econmicos Devido ao Aumento da Capacidade Instalada. .................... 127 Figura 39. Aumento das Perdas Fixas em Transformadores de Distribuio. .......................... 129 Figura 40. Impactos Econmicos Devido ao Aumento das Perdas Fixas em Transformadores de Distribuio. ......................................................................................................................... 130 Figura 41. Aumento do Fluxo de Energia No Ativa nas Redes Eltricas. .............................. 131 Figura 42. Correo do Fator de Potncia com Filtros Ativos. ............................................... 133 Figura 43. Impactos Econmicos Para Correo do Fator de Potncia. .................................. 134 xiv Lista de Tabelas Tabela 1. Rendimentos Energtico e Exergtico ...................................................................... 20 Tabela 2. Estrutura da Capacidade Instalada e do Consumo Final por Setor ............................. 21 Tabela 3. Relao de Alguns Distrbios Relacionados QEE.................................................. 41 Tabela 4. Relao de Alguns Distrbios Relacionados QEE.................................................. 42 Tabela 5. Medies de Distintas Cargas Residenciais Monofsicas .......................................... 52 Tabela 6. Distores Harmnicas de Tenses e Correntes de Televisores................................. 55 Tabela 7. Distores Harmnicas para Lmpada Fluorescente Circular.................................... 61 Tabela 8. Correntes Eficazes no No-Break............................................................................... 66 Tabela 9. Razo Rac/Rdc para Condutores em Funo da Ordem Harmnica ............................. 67 Tabela 10. Benefcios e Efeitos da Conservao Sobre a Qualidade de Energia Eltrica........... 69 Tabela 11. Influncia da THDi no Aumento da Corrente Eficaz (Irms) e na Reduo do Fator de Potncia (fp) ........................................................................................................................... 70 Tabela 12. Comparao da Potncia Ativa e do 3 Harmnico para Diferentes Ondas de Tenso de Alimentao ....................................................................................................................... 72 Tabela 13. Comparao Lmpada Incandescente x Fluorescente Compacta ............................. 73 Tabela 14. Conservao de Energia Eltrica Pelo Uso de LFCs ............................................... 74 Tabela 15. Limites de Distoro Harmnica de Corrente ......................................................... 80 Tabela 16. Limites de Distoro Harmnica de Corrente (Ih) em % de ILMAX ............................ 82 Tabela 17. Limites de Distoro de Tenso Conforme IEEE Std.519-1992 .............................. 83 Tabela 18. Estimativa do Consumo de Eletricidade de TVs (MWh/ano) .................................. 91 Tabela 19. Impactos Econmicos (R$) do Consumo de Eletricidade de TVs (MWh/ano) ......... 92 Tabela 20. Estimativa da Alterao no Consumo Anual de Eletricidade (MWh/ano) Devido Variao de 1% na Potncia de TVs ........................................................................................ 94 Tabela 21. Impactos Econmicos (R$) do Consumo de Eletricidade Devido Variao de 1% na Potncia de TVs ................................................................................................................. 95 Tabela 22. Estimativa das Perdas de Eletricidade (MWh/ano) da Funo Stand-by de TVs (4W) ............................................................................................................................................... 96 Tabela 23. Impactos Econmicos (R$) das Perdas de Eletricidade de TVs Desligadas em Standby(4 W) ........................................................................................................................ 98 Tabela 24. Diminuio do Consumo de Eletricidade (MWh/ano) em Funo da Reduo de 1 W na Potncia da Funo Stand-by de TVs .................................................................................. 99 Tabela 25. Impactos Econmicos (R$) da Reduo do Consumo de Eletricidade de TVs Devido Reduo de 1 W na Potncia em Standby de TVs ............................................................... 100 Tabela 26. Perdas em Condutores (MWh/ano) Devido s Distores Harmnicas de TVs...... 102 Tabela 27. Impactos Econmicos (R$) Devido as Perdas nos Condutores .............................. 104 xv Tabela 28. Estimativa do Aumento da Capacidade Instalada (kVA) ....................................... 105 Tabela 29. Impactos Econmicos (R$) do Aumento da Capacidade Instalada ........................ 106 Tabela 30. Aumento das Perdas Fixas (kWh) de Transformadores Adicionais .................... 108 Tabela 31. Impactos Econmicos (R$) do Aumento das Perdas Fixas (kWh/ano) de Transformadores Adicionais ................................................................................................. 109 Tabela. 32. Energia No Ativa (Mvar/ano) Equivalente de TVs. ............................................ 111 Tabela. 33. Impactos Econmicos (R$) da Energia No Ativa Equivalente de TVs ................ 112 Tabela 34. Correo do Fator de Potncia (kvar) ................................................................... 113 Tabela 35. Impactos Econmicos (R$) da Correo do Fator de Potncia .............................. 114 Tabela 36. Estimativa do Aumento da Capacidade Instalada (kVA) ....................................... 116 Tabela 37. Impactos Econmicos (R$) do Aumento da Capacidade Instalada ........................ 117 Tabela 38. Aumento das Perdas Fixas (kWh/ano) de Transformadores Adicionais .............. 118 Tabela 39. Impactos Econmicos (R$) do Aumento das Perdas Fixas (kWh) de Transformadores Adicionais ................................................................................................. 119 Tabela. 40. Energia No Ativa (Mvar/ano) Equivalente de TVs. ............................................ 121 41. Impactos Econmicos (R$) da Energia No Ativa Equivalente de TVs ............................ 122 Tabela 42. Correo do Fator de Potncia (kvar) ................................................................... 123 Tabela 43. Impactos Econmicos (R$) da Correo do Fator de Potncia .............................. 124 Tabela 44. Estimativa do Aumento da Capacidade Instalada (kVA) ....................................... 126 Tabela 45. Impactos Econmicos (R$) do Aumento da Capacidade Instalada ........................ 127 Tabela 46. Aumento das Perdas Fixas (kWh/ano) de Transformadores Adicionais ................. 128 Tabela 47. Impactos Econmicos (R$) do Aumento das Perdas Fixas (kWh) de Transformadores Adicionais ................................................................................................. 129 Tabela. 48. Energia No Ativa (Mvar/ano) Equivalente de TVs. ............................................ 131 49. Impactos Econmicos (R$) da Energia No Ativa Equivalente de TVs ............................ 132 Tabela 50. Correo do Fator de Potncia (kvar) ................................................................... 132 Tabela 51. Impactos Econmicos (R$) da Correo do Fator de Potncia .............................. 133 Tabela 52. Sumrio dos Impactos de Potncia dos Harmnicos de Corrente Para o Estado Analisado.............................................................................................................................. 135 Tabela 53. Sumrio dos Impactos Econmicos (R$)dos Harmnicos de Corrente Para o Estado Analisado.............................................................................................................................. 135 Tabela 54. Estimativa dos Impactos Econmicos (R$) dos Harmnicos no Brasil .................. 136 xvi LISTA DE NOMENCLATURAS BENBalano Energtico Nacional BEU Balano de Energia til COP Coeficiente de Performance D Potncia de Distoro EPE Empresa de Pesquisa Energtica EST Energy Saving Trust f Fator de Potncia fdesl Fator de Potncia de Deslocamento fpdist Fator de Potncia de Distoro GLD Gerenciamento do Lado da Demanda; INEEInstituto Nacional de Eficincia Energtica LFCLmpada Fluorescente Compacta LILmpada Incandescente NPotncia No Ativa NLLs Cargas No Lineares; P Potncia Ativa PES Sistemas de Eletrnica de Potncia; PIRPlanejamento Integrado de Recursos PROCELPrograma Nacional de Conservao de Energia Eltrica PPHPesquisa de Posse e de Hbitos de Uso; QEE Qualidade da Energia Eltrica 1 Captulo 1 Introduo Aproduodeenergia,sejapelaqueimadecombustveisfsseis,sejapela fisso nuclear, ou ainda por meio de hidreltricas e at de recursos da biomassa, provoca impactosambientaislocaiseglobais,cabendocitarapoluiodoar,ageraode rejeitos radioativos, o assoreamento das margens dos rios, o desflorestamento, a eroso do solo (SWISHER et. al, 1997). ConformeJANUZZIeSWISHER(1997),aeficinciaenergticaparteda constatao da possibilidade tcnica da contnua oferta de produtos e servios ensejando menoressuprimentosdeenergia,comotambmpornoexistirnecessariamenteuma relaoentrecrescimentoeconmicoeummaiorconsumodeenergia.Acrescentam aindaque,namaioriadasvezes,investimentosemeficinciaenergticarepresentam 2 apenasumafraodonecessrioparaproduzirmaisenergia,podendo,assim,atuar comoumaalternativageraoadicionaldeenergia.Destaforma,aeficincia energtica torna-se um poderoso instrumento diante do esgotamento de alguns recursos energticos, das maiores restries ambientais, bem como da possibilidade de utilizar os investimentos destinados gerao de mais energia em outras reas, como por exemplo, em sade e educao. Cabe ressaltar que os objetivos de se investir em eficincia energtica no esto relacionados somente necessidade de uma menor produo de energia, mas tambm a umamaiorcompetitividadecomercialeindustrial,reduodaprobabilidadedefalta deenergia(seguranaenergtica),dosimpactosambientais(globaiselocais),das emissesdeCO2,bemcomodoscustosdaenergiaparaoconsumidorfinal,almde possibilitaraindaaumentaraconfiabilidadedosistemaeltricoepostergaras necessidadesdeinvestimentosemgerao,transmissoedistribuio(JANNUZZI, 2006). Por outro lado, o uso eficiente da energia pode ser afetado por alguns fatores que so determinados pela natureza (clima, dimenso territorial, fontes primrias utilizadas), porrazesscio-econmicos(adensamentoindustrial,cultural)oupolticos(escolhas das trajetrias dos pases), e mesmo pelo nvel de renda e desenvolvimento tecnolgico (MACHADO, 2004). Nestecontexto,foilanadoemdezembrode1985oPROCELProgramade ConservaodeEnergiaEltrica-,coordenadopeloMinistriodasMinaseEnergiae sob controle executivo da Eletrobrs, cujo principal objetivo a conservao da energia eltrica, seja no lado da produo como na ponta do consumo, destacando-se a reduo nas perdas tcnicas das concessionrias, a racionalizao do uso da energia eltrica e o aumentodaeficinciaenergticaemaparelhoseltricos.Temcontribuindotambm parareduzirosimpactosambientaisefomentaracriaodeempregos.Noperodo 1986-2007 aes do PROCEL resultaram numa economia de energia total acumulada de 28,5 bilhes de kWh, um valor equivalente a cerca de 7,6% do consumo de eletricidade no Brasil em 2007 ou 31% do consumo residencial (ELETROBRS/PROCEL,2009). 3 Entretanto,naelaboraoeexecuodeprogramasdeconservaodeenergia, considera-seosistemaeltricodepotnciatrabalhandosobcondiespraticamente senoidais,emqueosnveisdetensoefreqnciaestonafaixadevalores estabelecidos por normas, desconsiderando, por conseguinte, os problemas relacionados QualidadedaEnergiaEltrica(QEE),cabendocitar,porexemplo,asdistoresdas formas de ondas de corrente e tenso. Desde1970,comoadventodosPESaplicadosemretificadores,controladores demotores e sistemas de suprimento de energia, o aumento do nvel das distores em sistemaseltricosdepotnciavempreocupandoengenheirosdesistemasdepotncia (KEY e LAY, 1993). A partir de 1980, passou a haver uma acentuada preocupao com a qualidade da onda da tenso, especialmente no setor industrial (DUGAN etal., 2003). Nasltimasdcadas,temsetornandoevidentequeosequipamentoseltricos apresentam mau funcionamento devido a falhas na energia recebida. Convmressaltarqueabuscapordiminuircustospodereduzirinvestimentos em manuteno e na expanso dos sistemas eltricos, resultando como conseqncia, na degradao da confiabilidade do sistema. ConformeLIMAeROSS(1996),aQEEvemadquirindocadavezmaisuma maior relevncia, em virtude da substituio de sistemas eletromecnicos, insensveis a interrupesdesegundos,porsistemaseletroeletrnicos,sensveisaoscilaesde milissegundos.Estamudanatemcontribudoparaumaumentodaprodutividade industrialpelousomaiseficientedaenergiaeltrica,comoformadecompetirna economia globalizada, mas tambm mais exigente quanto aos requisitos de QEE. Assim, transitrios no sistema eltrico, a exemplo das energizaes de linhas de transmissoedetransformadores,comocurtos-circuitosemquaisquerpontosdo sistema, podem resultar na interrupo de unidades industriais automatizadas. H que se lembrarqueageraodeenergiaeltricadistantedosgrandescentrosdeconsumo requerlongaslinhasdetransmisso,oquetornaosistemanacionalparticularmente vulnervelaosefeitosdoscurtos-circuitos,exigindoconhecimentoeestratgias prprias. Acrescente-se aisso o aumento considervelnos setores comercial,industrial 4 e comercial, da quantidade de cargas que utilizam dispositivos de eletrnica de potncia (PES), que apresentam comportamento no linear. Essa situao torna-se mais agravada quandohousosimultneodeumagrandequantidadedecargasno-linearesnum perodoemqueosistemaoperasobcargalevecompoucousodecargaslineares1. MediesdegrandezaseltricasrelacionadasQEEtmsinalizadoocorrnciasque podem levar auma situao crtica em termos de impactos ao sistema eltrico e resultar naatuaointempestivadosrelsdeproteodasredeseltricasdetransmissoou distribuio2. Aslmpadasdedescargaapresentamumacaractersticatensoversuscorrente fortementenolinear,incrementandoocontedodeharmnicosnarede(FARIASet al.,2003).Deacordocomestareferncia,aslmpadasdedescargageralmenteso utilizadas em conjunto com reatores que podem apresentar um baixofator de potncia, absorvendo reativos, bem como causando distores nas redes eltricas. Assim, o aumento da distoro harmnicase deve, emmuito, proliferao do usodePES,quesomuitoutilizadosparaaumentaraeficinciaenergticados equipamentoseltricos,cabendocitaraaplicaodeinversoresdefreqnciaparao controle da velocidade de motores e de controladores de fluxo luminoso (dimmers), bem ousodelmpadasfluorescentescomreatoreseletrnicosemsubstituios incandescentes,por,almdoaumentoexpressivodonmerodefonteschaveadas,a exemplodoscomputadorespessoais,televisoresmodernos,carregadoresdecelulares; que se somam grande utilizao de lmpadas de descarga, levando-se em considerao ainda os impactos devidos s cargas pesadas como fornos a arco e laminadores. 1Um exemplo se refere ao uso simultneo de milhares de TVs durante a realizao dosjogos da seleo brasileira nas Copa do Mundo de Futebol (DUARTE et al., 2007). 2Para transmisso em corrente contnua (CC) de Itaipu at a estao de Furnas em Ibinas (SP), a corrente alternada(CA)convertidaparaCCpormeioderetificadoresinstaladosemItaipuetransformada novamente em CA utilizando inversores localizados em Ibinas (FARIAS, 2006). Como tanto o processo de retificao quanto de inverso originam correntes harmnicas, foi previsto originalmente no projeto de FurnasainstalaoemIbinasdedoisfiltrosdeharmnicos,umprincipaleoutroreserva,parafiltrar estesharmnicosoriundosdosinversoresemIbinas.Segundoestareferncia,mesmoemocasies quandoesteeloCCnoseencontravaemoperao,ouseja,semaoperaodosinversores,foram observadasocorrnciascomconsiderveisnveisdeharmnicosemlinhasdaredebsica,inferindo-se, pois,queestesharmnicasseriamoriundosdascargasconectadasaosistemaeltrico(FARIASetal., 2006). 5 Por outro lado, os PES so bastante sensveis QEE, sendo que, na avaliao do ganho em eficincia energtica, so consideradas condies de fornecimento da energia pelo distribuidor sob uma forma de onda de tenso senoidal e no de maneira distorcida. Assim, os prprios equipamentos economizadores de energia, ao mesmo tempo em que demandamumaenergiadequalidadenumaformadeondasenoidal,contribuem fortementeparaapoluiodosistemaeltrico.Emvirtudedapequenapotncia, individualmenteosequipamentoseletrnicosnocausamimpactosnasredeseltricas, masaproliferaodousodemilharesdestascargaspodeprovocaradegradaoda qualidadedosistemaeltrico,atuandodeformaaaumentarasperdas,almdecausar danoseprejuzosaosconsumidores,concessionria,comoatodososagentesdo sistema interligado nacional (SOUZA e ROSS, 2003). Estasituaonormalmenteocorreemsistemasdedistribuio,quandoas tensesaumentam,incorrendoemmaiorescorrentesharmnicas3nostransformadores dedistribuio,devidoaofatodeexistiremmenoscargaslinearesparaamortecerema ressonncia4,ouseja,situaoemqueasreatnciascapacitivaeindutivaseigualam, tornado mnima a impedncia da rede eltrica (DUGAN et al., 2003). Uma energia de m qualidade gera prejuzos e perdas de produo, sendo que os custosnosopequenos,tantoparaconsumidoresquantoparaconcessionrias.Pela anlisedarelaoentreoProdutoInternoBrutoeoconsumodeenergiaeltrica nacional, entre os anos de 1985 a 1994, estima-se que o prejuzomdio de 1 MWh de interrupo seja de aproximadamente US$ 2.500 (GOMES et al., 1995). ConformerelatriodoEPRI(EUA)dejunhode2001,asperdaseconmicas relacionadas a fenmenos de QEE nos EUA atingiram um montante de US$ 24 bilhes anuais.Esterelatrioenfatizaanecessidadedeeletricidadedequalidadedigitalcom 3Ageraodeenergiaeltrica noBrasil,assimcomosuatransmissoedistribuio,comotambmo funcionamento das cargas, se baseiam numa operao comfreqncia centrada em60 Hz, denominada defreqnciafundamental.Entretanto,almdeoutrasocorrncias,aexemplodaenergizaode transformadores de potncia emanobras debancos de capacitores, a proliferao do uso de cargas no-linearesqueoperamemaltasfreqncias(centenasemilharesdeHertz),temaumentado consideravelmente o contedo de correntes em freqncias mltiplas (harmnicas) da fundamental. 4A condio de ressonncia apresentada no Apndice C. 6 continuidade(alwayson)econformidade(alwaysperfect).Aestimativaatualque estesvaloresalcancemcercadeUS$35bilhes(VASCONCELOS,2006). Considerando-se somente a relao entre os PIBs, podemos inferir estimativas de perdas para o caso do Brasil na ordem de US$ 3,5 bilhes.

No caso especfico da presena de harmnicos nos sistemas de potncia, surgem problemasdeinterfernciascomsistemasdecomunicao,almdeocorreremum aumentodasperdasrelacionadascomotransporteeadistribuiodeenergiaeltrica, bemcomoumamaiordegradaoepossvelmalfuncionamentodamaiorpartedos equipamentosligadosrede,emespecialdaquelesconstitudosdeeletrnicade potncia,quevemaumentandocadavezemquantidadeesomaissensveispor incluremsistemasdecontrolemicroeletrnicosqueoperamcomnveisdeenergia muito baixos. Nosetorindustrialpodemosterosseguintescustosdiretosporinterrupo:de reparo ou reposio, da produo interrompida, de recuperao e reinicio da produo, degeraoprpria,deproteocontrainterrupo,custodeprodutosestragados (antes/duranteedepoisdoprocessoindustrial),osassociadosperdadedados,extras (seguro, imagem, meio ambiente, quebra de contrato) e de sazonalidade (LEITE, 2005). Nosomenteindstria,mastambmaocomrcio,aosetordeservioseat mesmoaoconsumidorresidencialpodemserassociadoscustosdeinterrupodo fornecimentodeenergiaeltrica.OantigoGCOI(1991)realizouumapesquisaparaa obteno dos custos nacional e regional de interrupo, para as classes de consumidores comercialeindustrial,considerandooscustosdiretosincorridospeloconsumidor devidointerrupo,referentesperdadematriaprimaoudeproduto,damo-de-obraociosaedocapitalocioso,dotemponecessrioparaoreinciodoprocesso produtivo,etc.Nocasodoconsumidorresidencial,estapesquisaconsideroua residnciacomoumaunidadedeproduo,emqueosprodutossoconsumidos internamente,nopossuindo,pois,valordemercado.Issoporquedentreasatividades predominantementerelacionadasresidnciaestoosservioscomnfasenolazer. Nestecasoaproduodelazerdiferedaproduodealgunsoutrosbensdomsticos hajavistaarelativaimpossibilidadedereprogramao.Apremissaqueoindivduo 7 seja capaz de substituir o lazer por trabalho adicional, desde que a remunerao tenha o valor percebido no seu trabalho normal ou o supere. Nummercadoglobalizadohgrandepreocupaocomacompetitividadeem nveismundiais,devendo-se,pois,eliminartodotipodeperda,comotambm modernizaraproduo,pormeiodousodemquinassensveisealtamente automatizadas,almdeseproduzirbensdemaiorvaloragregadoparaaumentara participaoeconmicanasexportaes.Porexemplo,laminao,produode automveis,fabricaodetintasecorantes,entretantosoutros,requeremum suprimentodeenergiasemfalhas.Assim,aeletricidadetorna-seumrelevanteinsumo do setor produtivo. Apartirdoinciodaltimadcada,comaacentuadaaberturadasimportaes brasileirasaomercadointernacional,houveumabuscapormaioreficincianos processos produtivos industriais, bem como facilitao de acesso a equipamentos eletro-eletrnicosmaismodernos.Aaprovaodaleideeficinciaenergtica,Lei 10.295/2001, e, principalmente, o racionamento de energia no ano de 2001, provocaram profundas mudanas tcnicas e comportamentais quanto ao consumo de energia eltrica noBrasil.Sobaticadoconsumidorumaquestoeconmicamuitoimportantea reduo do consumo de energia ativa. De outra forma, pelo lado da oferta o distribuidor deenergiaeltricadevedimensionarsuaredeparasuportaraocupaodapotncia aparente,garantirquantoenergiafaturadaodesempenhodosseusmedidores,bem como a qualidade de tenso fornecida e a freqncia de operao. Notocantesinter-relaesentrefabricao,comercializaoeconsumode equipamentos eltricos, os fornecedores de equipamentos geralmente se encontram num mercado muito competitivo em que a maioria dos consumidores compra baseando-se no menorcusto.Diantedainexistnciadelimitesdedistoresharmnicasnosprpriosequipamentoseltricos,nohincentivoparaofabricanteadicionarcomponentesde compensao harmnicas nos equipamentos por ele produzidos (PILEGGI et al., 1995). Adicionalmente,muitosfabricantestambmnotmconhecimentodosdistrbiosque osequipamentoseltricosporelesfabricadospodemocasionarnossistemasde potncia. Finalmente, aos usurios finais que no tm a percepo destes problemas, por 8 apenas realizar a compra e operao dos equipamentos eltricos, deve recair por ltimo aresponsabilidadeparasecorrigirinadequaesnascargas,aindamaisquandose constataqueeminmerosequipamentoseltricossequerhinformaoacercado consumo de eletricidade (ELETROBRS, 2007). Dessaforma,hanecessidadederegulaocomasespecificaesdos equipamentoseltricosqueincluacritriostantodeQEEquantodaperformancede potncia.Tambmseriademuitautilidadequeosfornecedoresdeenergiapudessem disseminar as informaes a respeito da QEE, assim como os requerimentos para que as cargas pudessem operar adequadamente em condies reais de uso. Noambientenolinearedesequilibrado,almdaspotnciasativaenoativa definidasparaodomniolineareequilibradoparacircuitoseltricosemregime permanente, surgem os conceitos das potncias harmnicas e de desequilbrio, conforme definionoApndiceI.Ofatordepotncia,definidonoambientelinearpelarazo entre as potncias ativa e aparente, passa a ser alterado incluindo o fator de potncia de distoro no ambiente distorcido das cargas no lineares.Consequentemente, diante do aumentomassivocontnuodascargascomcaractersticasnolinearesdeve-sepensar no planejamento energtico, tanto da operao quanto da expanso do sistema eltrico, considerando-se o fator de potncia, incluindo os casos onde somente existe tarifao da energia ativa, como ocorre com a grande maioria dos consumidores residenciais. Asdistoresharmnicasprovocamumadiminuiodofatordepotncia, implicandonumaumentodapotnciaaparenteaserdisponibilizadapelosistemade potncia.Ocorrenessecaso,umincrementonacapacidadeinstalada, consequentemente, hum aumento no sistema de gerao, transmisso e distribuio de energia,paraentregarcadaquilowattadicionalrequeridoparasuprirtodasasperdas, incluindo a de condutores e transformadores. A proliferao das cargas que utilizam PES leva a este contraponto: o crescente aumento da gerao de harmnicos nas redes eltricas por cargas que so mais sensveis qualidadedeenergia.Some-seaissoapossibilidadedaatuaointempestivados 9 elementos de proteo das redes eltricas e obtm-se os requisitos bsicos que ensejam a necessidade da elaborao de uma regulao especfica para o tema em questo. Noobstante,torna-seimportantelembrarqueconformeSANTOSetal., (2005),hojeemdiasumadasgrandespreocupaesdaengenhariadedistribuiose refere propagao de grandezas harmnicas na rede, de forma a avaliar a influncia da distoronasformasdeondadetensooudecorrente,produzidaporumdado consumidor, nas instalaes dos outros consumidores da rede. Quando a implementao da Eficincia Energtica realizada pelo uso de cargas comPES,correnteseltricasdistorcidassodrenadasdasredeseltricasque,em interaocomaimpednciadosistemaeltrico,provocadistoresnatensode alimentao,oqueresultaemdistrbiosnosnaprpriacarganolinear,mas tambmemoutrascargassupridasporestatensodistorcida.Estadegradaocausa perdasadicionaisdepotncia,maiorsobreaquecimentodoselementosdaredeeltrica (transformadores, condutores, etc.), bem como aumento da deteriorao dos dieltricos. Estes efeitos danosos devem ser considerados, como instrumentos de gesto de polticas energticasedegernciadoinsumoenergtico,fazendocomqueaanlisetcnico-econmica do planejamento energtico do sistema eltrico evolua para as condies do ambiente no linear. Nestecontexto,aconfiabilidadeeaQualidadedaEnergiaEltrica(QEE),cuja melhordenominaoseriaaqueladadaporQualidadedaPotncia(PowerQuality), tornaram-seassuntosdevitalrelevnciaemeconomiasfortementedependentesde sofisticadasTecnologiasdeInformao(TI),assimcomodeprocessosindustriais controladosporcomputadores,almdebaseadasnousodecircuitosdigitais,que necessariamenteseutilizamdossistemasdetelecomunicaes.Todasestasaplicaes somuitosensveisaosdistrbiosesdistoresdaondasenoidaltantodatenso quanto da corrente eltrica. Poroutrolado,tantoodesenvolvimentoeconmicodospasesquantoa necessidade de seinserir grandesmassashumanas a um patamarmnimo de condies dignasdevida,requerumaumentodanecessidadedegeraodeenergiaadicional. 10 Entretanto, diante da limitao dos recursos energticos, para atender a estas demandas, oconceitodedesenvolvimentoeconmicoevoluiuparaumconceitomaisamplo,de desenvolvimentosustentvel,quebuscaumamaiorinseronamatrizenergticade fontesrenovveisdeenergia,almdousoracionaldaenergia,especialmentepela aplicao de tecnologias eficientes. Estasquestesafetamnoapenasosentesdosetoreltrico,geradores, transmissores e distribuidores, mas alcanam todos os setores da economia, incluindo oindustrial,ocomercialeoresidencial,almdeoutros(agropecurio,pblico, transportes, etc.). No caso especfico das distores harmnicas de tenso ou de corrente existem diversas razes para a reduo de seus nveis nos sistemas eltricos de potncia, cabendocitar,aimposiodelimitespelasconcessionriasbaseandoemnormase/ou padronizaes,asinterfernciasemsistemasdetelecomunicaes,areduodo sobreaquecimentodosequipamentosinstaladosnosistemadepotncia,assimcomoa diminuio do estresse sofrido por estes equipamentos submetidos a tenses distorcidas. CaberessaltarqueasrelaesentreEficinciaEnergticaeQEEnose restringemaocartertcnicoeeconmico,masincluem,entreoutros,aspectos institucionaisealcanamoordenamentojurdico.Entretanto,estasquestesno caminhamemconjunto,cabendocitarquesorealizadoscongressos,seminriose workshops relacionados Eficincia Energtica separadamentedaqueles afetos QEE, damesmaformaqueexistemassociaeseentidadesenvolvidascomEficincia Energtica, mas que no tratam das questes de QEE. Emadio,emempresasdosetoreltrico,sejamatuantesnatransmissoou distribuiodeenergia,emcentrosdepesquisaoueminstituiesdeoperaoe planejamento do sistema eltrico, assim como em rgos de regulao ou normatizao, nota-sequegeralmenteeficinciaenergticaeQEEsoassuntostratadosem departamentosoudiretoriasdistintas,sendoqueemalgunscasosaQEEnoum assunto recorrente, ainda quemedidas de eficincia energticaimplementadas porPES contribuam consideravelmente para a degradao da QEE, resultando num aumento dos custosnocontabilizadosdesdeagerao,passandopelatransmissoechegandos redes de distribuio de energia eltrica. 11 Consultando a literatura, foram encontradas inmeras publicaes abordando os impactosdasdistoresharmnicasprovocadasporequipamentosqueutilizamPES, alguns trabalhos enfocando a relao entre suas aplicaes e o consumo de eletricidade, mas poucos quantificando os impactos econmicos quando se trata de cargas eletrnicas monofsicasemredesdedistribuiotipicamenteresidenciais.Entretanto,nofoi encontrada na literatura estimativa dos impactos econmicos dos diversos componentes dasredesdedistribuiodebaixatenso(perdasemcondutores,transformadores, correodofatordepotncia,etc.)emvirtudedasdistoresharmnicasdecorrentes geradas por cargas comPES emlongo perodo a partir de dados de posse e dehbitos de uso de equipamentos com PES. Assim,utilizandodadosdasPesquisasdePosseedeHbitosdeUso(PPHs) para o Setor Residencial, realizada pela PUC-Rio sob a coordenao da Eletrobrsnos anos de 1997 e 2005, e baseando-se nosvalores das distores harmnicas de correntemedidasemredesdedistribuiotipicamenteresidenciais(DECKMANNetal.,2005; DECKMANN e POMLIO, 2005; POMLIO e DECKMANN, 2004),este trabalho tem por objetivo desenvolver uma metodologia para avaliar os impacto devido as distores harmnicasdecorrentenasredeseltricasdedistribuiotipicamenteresidenciaise estimarosrespectivosvaloreseconmicosrelacionadosporumamaiorcirculaode correntes harmnicas originadas por cargas eletrnicas monofsicas com PES. ParaavaliarosimpactoseconmicosdadegradaodaQEEnotocantes distores harmnicas de corrente devido ao uso massivo de cargas com PES, utilizados para aumentar a eficincia energtica dos equipamentos eltricos, foi feito um estudo de caso analisando a posse e uso de TVs, que so a maiorfonte de distores harmnicas decorrentesnasredesdedistribuiotipicamenteresidncias(DECKMANNetal., 2005; LUNDQUIST, 2001). As implicaes econmicas entre a aplicao da eletrnica de potncia, que tem como um de seus objetivos aumentar a eficincia energtica, e seus impactosnasredeseltricassodevitalimportncia,paraosentesdeplanejamentoe operaodosistemaeltrico,assimcomoparargosreguladoresenormatizadores, principalmentenosentidodeestabelecerprocedimentosmnimosdeperformancedos equipamentos eltricos, tanto no que se refere eficincia energtica quanto QEE. A 12 importnciadaQEEtemcomorazoosseusimpactoseconmicosenvolvendoas empresasdosetoreltrico,detransmisso,geraoedistribuio,seusclientes,como tambm os fornecedores deequipamentos (DUGAN et al., 2003). OCaptulo2abordarosconceitosdaconversodeenergiaeeficincia energtica,procurandomostrarquegeraoeconsumodeenergiapodemsermelhor definidos como converso deformas de energia e que osvetores oufluxos energticospossuem diferentes contedos tanto quantitativo quanto qualitativo. DeformaapropiciarumaadequadacompreensodotermoQualidadeda Energia Eltrica (QEE), que tambm pode ser designada comoQualidade da Tenso, o Captulo3apresentaralgumasdefiniesdaQEEeseusdiversosdistrbios relacionados. Considerandoqueopropsitodestetrabalhoestimarosimpactosdos harmnicosdecorrentenasredeseltricasdedistribuio,noCaptulo4sero apresentadasaorigemdotermoharmnica,seusconceitos,assimcomoasprincipais fontes de harmnicos. NoCaptulo5seroabordadasasimplicaescorrelacionadassmedidasde aumentodaeficinciaenergticaquecausamdistoresharmnicas.Tambmsero apresentadas as duas principais recomendaes internacionais no tocante limitao das distores harmnicas nas redes eltricas. No Captulo 6 serdesenvolvidaumametodologiapara estimar osimpactosde potnciadasdistoresharmnicasdecorrentenasredeseltricaseestimaras respectivasimplicaeseconmicasemcomparaocomasituaosemdistoro harmnica.Paraisso,serrealizadaumaanlisedasensibilidadedavariaoda potncia dos equipamentos eltricos, do aumento tanto da corrente de neutro quanto da capacidadeinstalada do sistema de distribuio e das perdasfixas em transformadores, bemcomodanecessidadedacorreodofatordepotnciadedistoroeocustode oportunidade da comercializao de energia no ativa como energia ativa. 13 No Captulo 7 serofeitas as ConsideraesFinais eapresentadassugestes de trabalhos futuros. 14 Captulo 2 Converso de Energia e Eficincia Energtica EsteCaptulotemporobjetivomostrarqueostermosgeraoeconsumode energia so de fato converses de formas de energia e abordar as questes de eficincia energticatantoquantoaosseusaspectosquantitativoscomoqualitativos.Almdisso, seroabordadasasquestesrelativaseficinciaenergticaeaosprogramasde eficincia energtica no Brasil. SegundoLeite(2007,p.468),demodoquesepossaalcanaroobjetivode atenderademandadeenergiacomomnimoimpactosobreomeioambientenum horizontedemdioprazo,aconservaocaracteriza-secomoamaisimportantefonte de energia. De acordo com esta referncia, a conservao entendida como a soma das aes voltadas para o controle do desperdcio de energia e materiais, operao racional 15 demquinaseutenslios,eficinciadosprojetos edaconstruodosequipamentosde produoetransformaodeenergiaeeficinciadasprpriasmquinas,instalaese equipamentos em que a energia utilizada. De umaforma geral, o termo eficincia energtica conduzaviso tradicional doproblemaenergticosobumaticaquantitativaouentlpica.Contudo,comoser descritomaisadiante,existeumcarterqualitativonaanliseenergticaquedistingue entalpia(nfasequantitativa)deexergia(nfasequalitativa).Umadefiniomais adequadaparaenergiafoipropostaporMaxwellem1872:energiaaquiloque permiteumamudananaconfiguraodeumsistema,emoposioaumaforaque resisteaestamudana(NOGUEIRA,2001).Deacordocomestarefernciaeste conceito se relaciona com mudanas de condies e alteraes de estado de um sistema, almdeincluiraidiadequeaenergiapermitemodificaesdeestadoqueimplicam emvencerresistncias.Assim,qualquerprocessorelacionadoaalgumamudanade estado requer a existncia de fluxos energticos. Numasociedadeemquetempoumaquestoderelevadaimportncia,um conceitousualmenteassociadoenergiaodapotnciaquecorrespondeaofluxode energianotempo.Mesmoquehajaumapreocupaoematenderumadeterminada demanda energtica em kWh, de uma forma geral existe uma imposio de tempo dado pelo requerimento de potncia avaliada em kW. Neste sentido, verifica-se que a taxa de utilizaodosfluxosenergticostemtantaimportnciaquantosuasimples disponibilidade. SegundoNOGUEIRA(2001,p.1),atualmenteenergiatemumaacepo relacionadaaumconceitoquesurgiuapartirdemeadosdosculoXIX,criado paralelamentetermodinmica.Convencionalmenteenergiadefinidacomoa capacidadedeumsistemarealizartrabalho.Porm,ousodestadefiniopodeser corretamenteaplicadosomenteparaalgumasformasdeenergia,comoamecnicaea eltrica.Umexemplosereferecomparaoentreenergiatrmicaetrabalhoemque este tem umamaior qualidadej que pode ser totalmente convertido em calor que, por suavez,temapenaspartedaenergiacontidadeseufluxotrmicoconvertidaem trabalho. Dentre as principais formas de energia incluem-se (NOGUEIRA, 2001): 16 nuclearresultantedafusodosncleosdetomoslevespormeiode um processo fsico em que ocorre um dficit de massa, entre os reagentes e os produtos dereao,quecorrespondeaumaconsidervelquantidadedeenergialiberada.Tem aplicaodestrutivaporaindaserumareaonoadequadamentecontrolvelcomo ocorre nas bombas de hidrognio; atmica relacionada aos processos de fisso de tomos pesados (urnio, trio,plutnio)devidoinstabilidadenaturalouforadadealgunsistoposdestes materiais, que tm a tendncia de ser converterem em outros materiais de menor nmero atmico, liberando energia em virtude da perda de massa ocorrida. Tanto o processo de fusoquantoodefissoapresentamumadependnciaentreavariaodemassaea energia liberada, dada pela expresso proposta por Albert Einstein, em que a energia o produtodavariaodamassapeloquadradodavelocidadedaluz.Hajavistasera velocidade da luz muito elevada, para pequenas variaes de massa so obtidas grandes quantidades de energia; qumica relacionadas ligaes qumicas existentes nas molculas dos reagentes. Em geral sua aplicao mais usual associa-se aos processos de combusto de motores,fornosecaldeiras,ondeaenergiaqumicadecombustveisconvertidaem energiatrmica.Aenergiaqumicadoscombustveistambmpodeserconvertida diretamenteemenergiaeltricaatravsdasclulascombustveis,numprocessocom alta eficincia, por meio de reaes isotrmicas a temperaturas relativamente baixas; trmicapodeseapresentaressencialmentecomoradiaotrmicaou energia interna. A energia trmica pode ser resultante da converso da energia qumica por meio de uma reao de combusto. A energiainternase relaciona capacidade de propiciarmudanas,associadaagitao trmicadeummaterial,podendosermedida por sua temperatura. A transferncia de energia de um corpo para outro ocorre por meio dos processos de conduo de calor, quando o fluxo de energiase d atravs demeios estticos, oudeconveco trmica,quando ofluxodeenergiarequeramovimentao de um fluido. mecnicapodeserapresentarnasformasdeenergiamecnica potencial, associada diretamente a umafora esttica, ou de energiamecnica cintica, relacionada inrcia das massas em movimento. A energia potencial pode ser subdivida emelstica,comoaacumuladatantoemmolasquantoemgasescomprimidos,e gravitacional,aexemplodaenergiahidrulicanaguaacumuladaemumarepresa.A 17 energiacinticapodeconsiderarvelocidadeslineares,comoocorrecomaenergia elica, ou movimentos rotacionais, a exemplo dos volantes de inrcia; magntica relacionada acumulao de campos magnticos que podem teraplicaoprtica,porexemplo,naaodetransformaodeenergiaeltricaem transformadores; eltricaaindaquesuaexistnciasejaobservadanascargas estacionrias(nuvenseletricamentecarregadas,capacitoreseltricos,etc.),usualmente serelacionaaofluxodecargaseltricasatravsdeumcampodepotenciaeltrico. dada pelo produto da potncia eltrica pelo tempo em que se desenvolve esta potncia. Apotncia,porconseguinte,obtidapeloprodutoentreacorrenteeltricaeatenso medida entre os dois pontos em que se observou a circulao desta corrente, que pode se dividir em corrente contnua, como ocorre nas baterias onde seu valor constante com o tempo,oucorrentealternada,comoocorrenasredeseltricasondeseuvalor senoidalmentevariantenotempocomfreqnciade60Hznocasobrasileiro.A corrente alternada aformamais simples tanto para produo e transformao quanto para transporte e utilizao em mquinas eltricas. 2.1.Converso de Energia Diante da constatao de que a principal caracterstica dos potenciais energticos asua possibilidade deinterconverso deformaa propiciarmudanas, tanto o uso do termogeraodeenergiaquantoconsumodeenergiadeveriasedenominar conversodeenergia.Aconversodeumaformadeenergiaemoutrapodeserde modonaturalouforado.SegundoNOGUEIRA(2001,p.10),osprocessosde converso de energia so regidos por duas leis fundamentais: 1) Lei da Conservao da Energia5 ou Primeira Lei da Termodinmica e 2) Lei da Dissipao de Energia ou 2 Lei da Termodinmica. A1LeidaConservaodaEnergia,formalmenteestabelecidademodo independenteporJouleeMeyeremtornode1840,estabelececomopostuladoque 5Aexceoocorreparaasreaesatmicasounuclearesondeocorremtransformaesdemassaem energia. 18 energia no se cria nem se destri, mas pode ser transformada em diferentes formas, ou seja,osfluxoseestoquesenergticosemumprocessoousistematemsomatria constante, como representada pela Equao 1 (NOGUEIRA, 2001). A + =sistema sai entraE E E (1) De acordo com a Equao 1, a somatria da energia que entra em um sistema igual a somatria da energia que sa mais as variaes no estoque de energia do sistema considerado. Pormeioda1LeidaConservaodeEnergiapodesequantificarosfluxos energticospormeiodarealizaodebalanosedadeterminaodasperdas.Alm disso, como para um processo em regime permanente invariante no tempo, ou seja, em quenoocorremvariaesmdiasdeestoque,AEsistema,asomadofluxoenergtico deentradaigualaodesada,pormeiodestaleipodeserderivadooconceitode eficincia energtica ou desempenho de umsistemaenergtico, conforme a Equao 2 (NOGUEIRA, 2001). consumida consumidaconsumidaconsumidatilenergEPerdasEPerdas EEE == = 1 q(2) Pela Lei da Dissipao da Energia, em todos os processos reais de converso de energia,semprehavercomoprodutoumaparceladeenergiatrmica,ouseja, inevitavelmente existiro perdas trmicas nestes processos resultando numa degradao ouperdadaqualidadedaenergia.Destemodoparatodofluxoenergtico(E)huma frao passvel de ser transformada em trabalho mecnico, denominada exergia, e outra fraoquenopodesertransformadaemtrabalhoeperdidanaformadedissipao trmica, chamada de anergia (SZKLO, 2003). Diferentemente da energia, a exergia, que omximotrabalhoquepodeserefetuadoporumprocesso,noseconservaemum processo real. J o conceito de trabalho perdido tem associao com a irreversibilidade das converses, sendo a entropia a medida desta irreversibilidade. Diante deste conceito, a variao da entropia possibilitamedira reversibilidade de um determinado processo, ouseja,permitemediraperdadecapacidadedosistemaderealizartrabalho.Assim, 19 quanto maior a entropia total de um sistema, menor ser a exergia do fluxo energtico e maior ser a indisponibilidade de energia para produzir trabalho. Em1865,RudolfClausiusmostrouquesoasimperfeiesnosprocessosde conversoenergticaquedeterminamoaumentolquidodaentropianoUniverso (NOGUEIRA,2001).Segundoestareferncia,Carnotmostrouqueparaocasodos ciclos trmicos de potncia, a reversibilidade dos fluxos contidos na energia trmica em energia mecnica depende da temperatura da fonte trmica, de acordo com a Equao 3 do rendimento mximo das mquinas trmicas: 121TTrevers = q (3) onde: T1 fonte trmica de maior temperatura; T2 -fonte trmica de menor temperatura; Verifica-seporestaequao,vlidaparamquinastrmicasreversveis,queo rendimentoaumentacomaelevaodeT1eareduodeT2,massempremenordo que 100%. Como o trabalho pode ser totalmente convertido em qualquer outra forma de energia,masocalorpodeapenasserparcialmenteconvertido,umfluxodeenergia diretamente conversvel em trabalho est associado a uma energia de alta qualidade, ao passoqueumfluxotrmicorelacionadoaumaenergiadebaixaqualidade (NOGUEIRA,2001).Porconseguinte,tantoparaumfluxodeenergiaeltricaquanto mecnica corresponde totalmente energia, enquanto que num fluxo de calor a exergia dependente da temperatura. Orendimentoexergticoapresentavriasformulaes.Comoexemplo,pode considerar a razo da exergia requerida para alcanar um determinado objetivo por meio deumprocessototalmentereversvelpelaexergiaconsumidanumprocessorealpara atingir este mesmo objetivo, conforme a Equao 4 (NOGUEIRA, 2001): consumidautilExEx=1c(4) 20 comotambmpodeindicarquefraodaexergiafornecidaaoprocessopodeser convertida (NOGUEIRA, 2001), conforme a Equao 5: consumidausada no utilExEx Ex +=2c (5)

A Tabela 1 mostra os rendimentos energticos para alguns processos e equipamentos. Tabela 1. Rendimentos Energtico e Exergtico SistemaRendimento (%) EnergticoExergtico Motor Diesel (> 20.000 HP)36 [44 30]36 Motor Eltrico (> 5 HP)90 [95 85]90 Chuveiro Eltrico90 [97 75]5 Ar Condicionado Eltrico (COP = 2) [4 2]-14 Refrigerador Domstico (COP =1) [1 0,9]-12 Bomba de Calor (COP = 3,5) [4,5 - 2] -54 Fonte: SCHAEFFER, R. (1990). Observando a Tabela 1,onde pode senotar que no aquecimento por meio do usodaenergiaeltricaacentuadaadegradaodaenergiadevidoconversode energia de alta qualidade, eletricidade, em calor de baixa temperatura, ou seja, baixa a razoentreasomadasexergiastilenoconsumida,contidasnofluxodaenergia trmica na sada, e a exergia consumida, contida no fluxo energtico de eletricidade na entrada.Em outros termos, isso significa queenquanto o contedo energtico do fluxo trmicodebaixaqualidadenasada,emtornode30a40C,podeserapenas conversvelnumapequenafraodeenergiamecnica,ocontedoenergticode eletricidade pode ser totalmente conversvel em trabalho. Pela anlise da Tabela 1, pode se observar, que diferentemente do rendimento energticoondeofluxoenergticonoutilizadorejeitadocomoenergiatrmicade baixa qualidade, o coeficiente de performance (COP) apresenta valores maiores do que aunidade.Aexplicaoqueparaalgunsequipamentos,taiscomoar-condicionado, 21 geladeiraebombadecalor,ofluxoenergticonoutilizadorejeitadocomoenergia trmicademaiorqualidade.Assim,oCOPdadopelarazoentreocontedo energtico total consumido e o contedo energtico til para a realizao do processo. Conformevisto,existemdiferentesformasdeenergiacomdiferentes qualidadesemseusfluxosenergticosrelacionadoscapacidadedeconversoem outros tiposdeenergia.Dessaforma,aperformanceenergticadossistemasnopode sertotalmentedescritapormeiodobalanoentlpicoouquantitativo,masdeve-se avaliartambmacaractersticaqualitativaouexergtica.Assim,comoserdiscutido maisadiante,podeseobservarquediferentementedavisotradicional,aeficincia energtica tambm deve ser abordada pela tica da qualidade da energia. 2.2.Eficincia Energtica Entre 1996 e 2004 no Brasil, que a maior economia da Amrica do Sul, houve umaumentodacapacidadeinstaladatotaldegeraoeltricadeaproximadamente61GWparacercade91GW,aomesmotempoemqueocorreuumaumentodo consumosfinaisdeeletricidadetotaledosetorresidencial,respectivamente,deuma faixa278TWhe69TWhparaumpatamarde360TWhe79TWh(EPE,2009).A Tabela2apresentaaestruturadacapacidadeinstaladadegeraodeenergiaeltrica segundoanaturezadafonte(hidroeltrica,termoeltricaconvencional,termoeltrica nuclear),ressaltandoopercentualdeparticipaodasfontesno-renovveis,edo consumo final de energia eltrica por setor (industrial, residencial, comercial, outros). Tabela 2. Estrutura da Capacidade Instalada e do Consumo Final por Setor Capacidade InstaladaConsumo Final por Setor Ano19962004Ano19962004 Hidro87,4%76,0%Industrial46,7%47,8% Termo11,6%21,7%Residencial24,9%21,8% Nuclear1,1%2,2%Outros15,9%13,9% No Renovvel12,6%24,0%Comercial12,5%16,5% Fonte: EPE (2009). 22 DaTabela2pode-senotarquenesteperodoocorreuumaumentoda capacidade instalada de gerao de energia eltrica, com uma elevao considervel da participaodefontesno-renovveisdeenergiae,consequentemente,reduodo percentualdefontesrenovveisdeenergia.Doladodoconsumo,foiobservadoum aumentodaparticipaodossetoresindustrialecomercialaomesmotempoemque houveumadiminuiodopercentualdeconsumodosetorresidencial,assimcomode outros setores (transportes, pblico, agropecurio). Em virtude do aumento dos custos da oferta e das maiores restries ambientais, o planejamento eltrico convencional cuja prtica preferencial se baseia na expanso da oferta a custo mnimo demodo a atender a demandafutura de energia com segurana, devecaminharparaaintegraodevariadasopestecnolgicas,dentreasquaisa aplicao da eficincia energtica e o gerenciamento do lado da demanda (GLD), bem comodomaiorusodefontesdegeraodescentralizadaseprodutoresindependentes (JANUZZIetal.1997).Deacordocomestareferncia,estavisointroduzidapelo PlanejamentoIntegradodeRecursos(PIR)temcomoresultadoesperadoacriaode umambienteeconmicomaispropcioparaodesenvolvimentoeaaplicaode tecnologiaslimpas, com produo menos centralizadas, com papel de destaque para as fontesrenovveis,edeusofinalmaiseficiente.Acrescentaaindaquenocontextoda avaliaoeseleodasalternativastcnicaspotenciais,istosignificaintegraroutros componentes ao custo, cabendo citar custos ambientais e sociais. O custo ambiental, que representavaumadificuldadedaimplementaodestasmedidasnaeconomiade mercado,apsaaplicaodoProtocolodeKyoto,apsaadesodaRssiaem2005, passou a ter conotao econmica. J o custo social passou a incorporar os ganhos com a criao demilhares de empregos que requeremmenor especializao do que aqueles demandadosparaageraoadicionaldeenergia,oquesetornabastanterelevante especialmente em pases menos desenvolvidos como o Brasil. SegundoGeller(2003,p.2),aeficinciaenergticaatualmenteumaquesto crucial para a humanidade, considerando que as atuais fontes de energia e os padres de usosoinsustentveis.Deacordocomestareferncia,osproblemasrelacionadosaos atuaispadresdeusodeenergia,bemcomsuastendncias,podemsermitigadospela aplicao da eficincia energtica e pelo uso de fontes alternativas de energia. 23 Devido s alteraes na estrutura do setor eltrico brasileiro, que se caracterizou nasltimasdcadasporumaforteinflunciagovernamental,comopelaaplicaode tarifasreduzidascomparativamenteaomercadogovernamental,etambmemvirtude doaumentodovalordastarifas,atualmentecrescenteointeresseporprogramase projetos de eficincia energtica (MARTINEZ, 2009). Constatando-sequeosmaioresganhosdeeficinciaenergticapodemser obtidos na converso para os usos finais, como forma de possibilitar uma estimao da ordemdegrandezadaeconomiapossveldousofinaldaenergia,foramconduzidos estudosdoBalanodeEnergiatil(BEU)6queapresentoucomoresultadoo rendimentomdioenergticoporsetoresdeatividade(energtico,residencial, transportes,industrial,etc.)paraosanosde1983,1993e2003.Mesmosendoum mtodo questionvel por Garcia (2003, p.37), tambm por meio do BEU as informaes setoriaisdeconsumodeenergiadoBalanoEnergticoNacional(BEN)podemser processadas afim de se obter o potencial de conservao de energia (GARCIA, 2003), bem como a as estimativas da energia final e da energia til (EPE, 2007). Uma comparao entre 1993 e 2003 mostra que o rendimento mdio energtico nosetorresidencialaumentoude43,4%para47,4%,enquantoaelevaodo rendimentomdioenergticototalfoide53,9%para57,5%(EPE,2007).Assim, conformemencionadoanteriormente,nesteperodo tantooaumentonoconsumototal de eletricidade, de 29,6%, quanto o do setor residencial, de 13,8%, vm acompanhados deumaelevaopercentualdeseusrendimentosmdiosenergticos,respectivamente, 4% para o setor residencial e 3,6% para o consumo total final. Este incremento decorreu em parte devido evoluo tecnolgica dos equipamentos, resultado da melhora efetiva do rendimento de uso final, bem como pela mudana da matriz energtica do Pas, tendo em vista a substituio da participao de energticos de uso menos eficiente, a exemplo delenhaecarvo,paraoutrosdeusomaiseficiente,cabendocitarGLP/gsnaturale energiaeltrica(EPE,2007).Cabeacrescentaraindaacontribuiodomaiorusode aparelhoseletrnicos,almdasubstituiodesistemasdeiluminaocomlmpadas incandescentes por fluorescentes. 6OsestudosdoBEUforamfeitoscombasenosanosde1983,1993e2003,sendosuasestimativas apresentadas nos Balanos Energticos Nacionais, respectivamente, dos anos subseqentes.Para maiores detalhes sobre a metodologia utilizada pelo BEU consultar Garcia (2003, p.33-39). 24 Entretanto, projees do Energy Saving Trust (EST) indicam que na Inglaterra o consumoresidencialdeeletricidadetantodeeletrodomsticosquantodailuminao seroultrapassadospeloconsumodeaparelhoseletrnicos,emqueosmodelosnovos consomemmaisdoqueosmodelosantigos,entreoutrosmotivos,porquetrazem consigo cada vez mais oferta de outros servios, alm de utilizarem a funo stand-by, alguns tampouco dispondo do boto de desligar (ELETROBRS, 2007). Segundoestareferncia,houveumaumentodedomicliosbritnicoscomum nicomorador,muitosdestespossuindo,entreoutros,TVsdetelagrande, computadores pessoais, impressoras, equipamentos de conexo tanto Internet quanto TV a cabo, e que consomem cada vez mais energia eltrica. Outra pesquisa realizada na Inglaterra e publicada no The Daily Record, mostrou queentre350TVs,DVDs,caixasdigitaiselaptopsavaliados,apenasumnicoitem apresentouinformaesdequantaenergiaconsumidaporesteequipamento (ELETROBRS, 2007b). Torna-seimportantefrisar,contudo,quetantooumaisimportantedoque aumentaraeficinciadasmquinas,assimcomodosequipamentoseltricosdeuso final,possibilitarconstruesmaiseficientes(ELETROBRS,2007a).Deacordo comeestareferncia,pormaiseficientequesejaosistemadecondicionamento ambiental a concepo do projeto arquitetnico que possibilita maiores eficincias no uso da energia. Acrescenta ainda, que num pas tropical com incidncia de calor quase o ano inteiro, ao invs do uso excessivo de vidros nas fachadas das edificaes, h que se privilegiaraventilaonatural,porexemplo,comjanelasdeboasaberturase posicionadas de acordo com o sentido dos ventos, umaescolha que tambminfluencia nailuminaonatural.Estescasospodemserbonsexemplosparajustificara importncia de se inserir a varivel qualidade no uso da energia. 25 2.3.Programas de Eficincia Energtica O objetivo dos programas de eficincia energtica possibilitar a contnua oferta deprodutosouserviosquedemandamummenorfornecimentodeenergia,mantendo ummesmonveldeconfortoouresultado.Dessaforma,investimentosemeficincia energtica, que na maioria das vezes so menos onerosos do que aqueles para produzir maisenergia,podempropiciarapostergaodas necessidadesdageraoadicionalde energia, bem como de sua transmisso e distribuio (JANUZZI et al., 1997). Seusobjetivostambmestorelacionadosnecessidadedeumamaior competitividadecomercialeindustrial,reduodoscustosdeenergiaparao consumidorfinaleminimizaodaprobabilidadedefaltadeenergia.Podeainda contribuirparaoaumentodaconfiabilidadedosistemaeltrico,assimcomopara reduzir os impactos do efeito estufa (JANUZZI, 2006). Leite (2007, p.461) observa que soinseparveisas relaes entre a conservaode energia,bem como a eficinciano seuuso,comosdanosaomeioambiente,sejapelacontenodademandadeenergia seja pela reduo das emisses provenientes da queima de combustveis. importanteressaltarque,enquantoosinvestimentosemeficinciaenergtica soincrementaisemodulares,humaindivisibilidadedosinvestimentosnaproduo deenergia,representandoumnusamais,particularmenteparaospasesmenos desenvolvidos,quenecessitamrecorreraemprstimoscompagamentodejurospor vriosanosantesquehajaaproduodeenergiapeloempreendimento(JANUZZI, 2006). Comointuitodecombaterodesperdciodeenergiaeltrica,emdezembrode 1985 foi lanado o Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica (PROCEL)7, coordenado pelo Ministrio das Minas e Energia e sob controle executivo da Eletrobrs. Uma das atividades deste programa foi instituir o selo PROCEL de economia de energia concedidoatualmenteparaosequipamentos,taiscomolmpadas,reatorespara lmpadasdedescarga,motoreseltricosdealtorendimento,entreoutros eletrodomsticos,queapresentemosmelhoresndicesdeeficinciaenergtica. 7Para maiores detalhes sobre o histrico e atuao do PROCEL consultar Garcia (2003, p.42-45). 26 Entretanto,oobjetivodoPROCELconservarenergiaeltrica,tantonaproduo quantonoconsumoecontribuirparaareduodosimpactosambientais,almde fomentar a gerao de empregos. Segundo Leite (2007, p. 496), o PROCEL avaliou quantitativamente em 2004 o potencialdeconservaodeeletricidadenoPas,tantoasdoprpriosetoreltrico quanto do lado da demanda, resultando em perdas num patamar de 17% da energia total disponveljuntosusinasgeradoras.Entreestasperdasestoincludasasperdas tcnicasintrnsecas,ouseja,originadasdadissipaodeenergianatransmissoe distribuiodeenergiaeltrica,almdosdesperdciosevitveisouperdascomerciais por falta de medidores, desvios e furtos. AlmdoPROCEL,queconduzestudosepesquisasdeeficinciaenergtica correlacionadas s diretrizes governamentais, na esfera empresarial foi criado o Instituto NacionaldeEficinciaEnergtica(INEE),semcontarasEscosEnergyService CompanyquevmatuandonoBrasildesdeofimdosanos80comoobjetivode auxiliaroutrascompanhiasadiminuirgastoscomenergiaegua(GONALVES, 2009).Deacordocomestareferncia,opotencialdemercadoparaaeficincia energtica no pas estimado pela Abesco seria de 17 bilhes de reais ao ano. Almdestasiniciativas,at31/12/2015,asconcessionriasdoserviopblico dedistribuiodeenergiaeltricatmdeaplicarnomnimo0,5%desuareceita operacionallquidatantoparaprojetosdepesquisaedesenvolvimentoquantoparaprogramasdeeficinciaenergtica(BRASIL,2010).Deacordocomestareferncia, 60%dosrecursosdosprogramasdeeficinciaenergticadevemseraplicadosem consumidoresbeneficiadospelaTarifaSocial.Nestecasoparaosetorresidencialde baixa renda asaes destas concessionrias tm foco principalmente na substituio de geladeirasantigaspornovasmaiseficientesepeladoaodelmpadasfluorescentes paraseremutilizadasnolugardasincandescentes.Comoparaobtertaisbenefciosos consumidoresdevemestarregularizadosjuntosconcessionriasoupelomenos negociarsuasdvidas,estasaesalmdepossibilitarainclusosocialdestas populaes,quepassaramacontarcomumcomprovantedeendereopormeioda faturadeenergiaeltrica,tambmserevelouserumatimaoportunidadedenegcios 27 paraasconcessionrias,poisfezcomhouvesseumaconsidervelquedadasperdas comerciais,sejapelareduodainadimplnciaporpartedosconsumidores,sejapela diminuiodaocorrnciadedesviosoufurtosdeenergiaeltrica,feitospormeiode instalaeseltricasclandestinascompssimascondies,resultandoemmaiores perdas de eletricidade (FERNANDES, 2007; POLITO, 2007). Cabecomentar,contudo,queapesardasmedidasdeeficinciaenergtica permitirporumladoareduodousodaenergiasemimplicaremcustosparaa economia, ou seja, o seu uso racional no requer uma diminuio do nvel da produo (SAURDERS,2000).Entretanto,diantedoscustosdeimplementaodapolticade eficientizao,adiminuionoconsumodeenergiapodenoatingiropotencialde conservao almejado. Poroutrolado,areduonoconsumodeenergiapossibilitaumaumentoda eficinciadosprocessosprodutivos,oquepermitereduzirocustodeproduo, podendo resultar numa diminuio do preo final e acarretar num aumento da aquisio deprodutose/ouservios.Issofazcomqueopotencialdereduodousodaenergia fique aqum do esperado pelaimplementao das medidas de eficientizao energtica ou,ainda,estepotencialsertotalmenteanulado,resultandonummaiorconsumo absolutodeenergia.Assim,mesmodiantedaaplicaodetecnologiaseficientes,a conservaodeenergiaglobalpodenoseralcanada,ocorrendoochamadoefeito-boomerangue,ouaexpansodestesprodutose/ouserviossertoaltaqueeleveo consumo global de energia alm do patamar anterior, incorrendo no denominado efeito-backfire (AGUIAR, 2006). Emadio,umestudodarelaoentreganhosdeeficinciaenergticae consumo de energia, por meio da anlise estatstica para diversos pases desenvolvidos e o Brasil, afirma que no longo prazo ganhos de eficincia energtica alcanados no plano microeconmicoacarretamnummaiorconsumodeenergianoplanomacroeconmico (AMADO, 2006). 28 Combasenasinformaes das Pesquisas de Posse e de Hbitos de Uso (PPHs) para os anos de 1997 e 20058, realizadas pela PUC-Rio sob a coordenao executiva da Eletrobrs,foifeitaumaestimativaquemostrouparaocasodasTVsumaumentoda participaopercentualdoconsumodeenergiaanualdasTVstantoemrelaoao aumento do consumo residencial quanto ao do consumo total anual de eletricidade, sem contaraconsidervelelevaodaparticipaodeseusequipamentosacessrios,tais como videocassetes mais DVDs e, principalmente, dos set-top-boxes (DUARTE, 2008). Almdisso,apesardeterocorridonesteperodoumareduonapotnciamdiados aparelhos de TVs de mesma diagonal (tamanho de tela), houve um aumento da potncia mdiaponderadadasTVsexistentes,assimcomodapotnciamdiaponderadapor residncia (DUARTE et al., 2009). Cabe acrescentar que no somente ocorreu um aumento das potncias mdias de TVsponderadatantoportamanhodetelaquantoporresidncia,mastambmdo nmeromdiodehorasdeusodeTVsaolongodesteperodo,conformeatestam estatsticasdeaudincia,asquaisconstataramqueemmdiaadedicaodotempo dirio do brasileiro a este meio de comunicao passou de 4h27m em 2001 para 4h54m em 2004 e alcanou 5h04m em 2006 (PAVLOVA, 2007). Adicionalmente,caberessalvarodesenvolvimentodaeletrnicadepotncia contribuiuparavriastransformaes,tantodeprocessosindustriaisquantodehbitos empresariais, alm daquelas inerentes prpria sociedade. Este processo se iniciou com a introduo da informtica e mudanas nas tecnologias de comunicaes, prosseguindo com a realidade de uma sociedade digital, cada vez mais dependente das tecnologias de informaoecomunicao,usodaInternetedatelefoniacelular,assimcomodos computadores pessoais, incluindo ainda processos automticos de produo industrial e novas formas de comrcio eletrnico (LEITE, 2007). Segundo esta referncia, o balano entre a economia de eletricidade, em virtude da maior eficincia das operaes por meio deinstrumentosdigitaisprogramados,eoaumentodoconsumopelaintroduode novostiposdeequipamentos,spoderseravaliadocommelhorprecisonomdio prazo, tarefa a qual se prope este trabalho. 8 A coleta de dados da PPH-1997 foi feita em 1996 e 1997, enquanto para a PPH-2005 os dados foram coletados em 2004. 29 Finalmente,devidoscadeiasdeinterconexoedasensibilidadedos instrumentos,cabecomentarqueaaplicaodaeletrnicadepotnciacomoumadas formasdeaumentaraeficinciaenergticadeusofinaldeequipamentoseltricos, incorrenumaumentodasresponsabilidadesquantoseguranaequalidadedo suprimento, sem interrupes e flutuaes (LEITE, 2007). Os sistemas eltricos, antes eletromecnicos,insensveisainterrupesdesegundos,passamasetransformarem sistemas eletrnicos, sensveis a oscilaes de milisegundos (LIMA e ROSS, 1996). 2.4.Consideraes Finais ComodiscutidonesteCaptulo,ostermosgeraoeconsumodeenergiase referemconversodeformasdeenergia.Asprincipaisformasdeenergiasoa nuclear,atmica,qumica,trmica,mecnica,magnticaeeltrica,quetmdiferentes qualidadesemseusfluxosenergticosnoquesereferecapacidadedeconversoem outras formas de energia. Nos processos de converso de energia devem ser observados tanto o aspecto quantitativo, de acordo com a Lei da Conservao da Energia ou 1 Lei da Termodinmica, quanto o qualitativo, segundo a Lei da Dissipao de Energia ou 2 Lei da Termodinmica. Podeseobservaraindaquepormeioda1LeidaTermodinmicapodemser quantificadososfluxosenergticospormeiodarealizaodebalanosenergticose tambmestimadasasperdas,almdepermitirsederivaroconceitodeeficincia energtica. J pela 2 Lei da Termodinmica sempre existiro perdas trmicas em todos osprocessosreaisdeconversodeenergia,oqueimplicanaperdadaqualidadeda energia.Destaforma,ocorreadegradaodaexergia,ouseja,humareduoda mximaquantidadedetrabalhomecnicodisponvelnumaformadeenergia,emcada processo de converso de energia. Tambmfoicomentadoquehouveumaumentodaeficinciaenergticados equipamentos eltricos pelo aumento do uso de aparelhos eletrnicos que ultrapassaro ademandaporeletricidadedeeletrodomsticosedailuminao,emvirtudedos 30 eletrnicosaumentaremsuapotnciacommodeloscadavezmaioresquetambm ofertamnovos servios, alm deincluir afuno stand-by, cabendo citar o exemplo da TV. Emadiofoimostradoqueentreosprincipaisprogramasdeeficincia energtica no Brasil, destacam-se o PROCEL na esfera governamental, o INEE no meio empresarial, cabendo ainda citar a atuao ESCOS. Alm disso, por fora da legislao as distribuidoras de energia devem aplicar 0,5% de sua receita operacionallquidos em programas de eficincia energtica. Comoosequipamentoseletrnicoscontribuemtantoparapropiciarmaior eficinciaenergticaquantoaumentaradegradaodaqualidadedaenergia,no Captulo 3 sero abordados especificamente os conceitos, definies e alguns problemas relacionados QEE. 31 Captulo 3 Qualidade da Energia Eltrica EstecaptuloabordaraquestodaQualidadedeEnergiaEltrica,assuntode especialinteressenosdiasatuais,hajavistaaproliferaonossetorescomerciale residencialdecargascomcomponenteseletrnicos,quesomaissensveisaos distrbiosnasredeseltricasaomesmotempoquetambmsocausadoresdestes distrbios. Inicialmenteserfeitaumaabordagemarespeitodaspeculiaridadesdosetor eltricoesuarelaocomotermoQualidade.Servistoqueaeficinciaenergtica almejadapelousuriodeenergiaeltricapodecomprometeraQEE.Comoexemplo, cabe citar que para atingir metas de produtividade e qualidade dos processos, bem como propiciaraumentaraeficincianousofinaldaenergiaeltrica,osequipamentos 32 eltricos passaram a incorporar a eletrnica de potncia, que causa distores nas redes eltricas, degradando a sua Qualidade. Estes efeitos contraditrios esto relacionados a aspectos tcnicos, econmico-financeiros, bem como regulatrios. Na seo 3.2 sero apresentadas algumas definies mais usuais da QEE. Na seo 3.3 sero definidos diversos distrbios relacionados QEE, sejam eles transitrios, momentneos, quase-permanentes ou permanentes, bem como algumas das causas destes mencionados distrbios. Assim, o objetivo deste Captulo mostrar a grande relevncia do termoQEE, enfocandoespecialmenteoproblemadosharmnicosdecorrente,comoformade possibilitarumaadequadaoperaodascargasconsumidoras,constitudasatualmente em sua maioria por equipamentos possuindo dispositivos de eletrnica de potncia, que degradam a QEE das redes eltricas, mas tambm so mais susceptveis qualidade do fornecimento de energia eltrica. 3.1.Consideraes Iniciais Osetoreltrico,quepartedaindstriadeinfra-estrutura,apresenta caractersticastcnico-econmicaspeculiaresqueodistinguedeoutrossetores industriais. Em funo das suas especificidades tcnicas considerada uma indstria de rede, sendo formada por diferentes atividades que constituem uma rede fsica necessria operao e prestao do servio. Haja vista as dificuldades tcnicas, bem como devido aoaltocustodoarmazenamentodaenergiaeltrica,ageraoeoconsumo,queno ocorremnomesmoespaofsico,seprocessamsimultaneamente.Outrasquestes especficas deste setor se referem essencialidade do consumo, obrigao jurdica de fornecimento, ocorrncia de externalidades na prestao do servio, necessidade de capitalintensivo, existncia de economias de escala, de densidade e de coordenao. (TOLMASQUIM, 2002). ConformeROSSetal.(1995),osprocessoseequipamentosutilizadospelos consumidoresdeenergiaeltrica,queeramconstitudospreponderantementepor 33 equipamentoseletromecnicos,vmcontinuadamentesetransformandoemsistemas eletroeletrnicos,estespossuindoumaestreitarelaocomaqualidadedaenergia, sendo, por conseguinte, muito sensveis aos distrbios e s distores da onda senoidal. Estesfatorespassamaensejarofornecimentopelaconcessionriadeumaenergiade altaqualidade.OassuntoQualidadeeQualidadeTotalestocadavezmaisem evidncia nos tempos modernos, sinalizando para as indstrias e prestadores de servio anecessidadedemelhoriatantodeseusprodutoseouserviosfinaisquantoda obtenodestes.Cabeconsiderartambm,principalmentediantedeumambiente competitivo,ondeomercadodedistribuiodeenergiaeltricaseconstituiemsua grande maioria por fornecedores privados, que a oferta de energia com qualidade passa a se tornar um dos fatores de competio entre as empresas distribuidoras. Hojeemdia,paraatingirasmetasgerenciaisdeprodutividadeequalidadedos processos,osequipamentosindustriaissoautomatizados,realizandotarefas controladaspormicroprocessadores,quesomuitovulnerveisqualidadedo fornecimentodeenergia.Dessemodo,asinterrupesemvirtudedomau funcionamentodosmicroprocessadores,podemcomprometertodaaproduo industrial, trazendo grandes prejuzos, no spela parada do processo em si, mas pelas perdasdeinsumos,doscustosassociadosmo-de-obra,doreparodeequipamentos, bem como dados dos sistemas de informao; sem contarpossveis prejuzos advindos com multas ou penalidades impostas por atraso e a no realizao de negcios (MELO e CAVALCANTI, 2003). A QEE e os seus problemas correlatos se tornam cada vez mais importantes em virtudedemaioresexignciasdasdiversasclassesdeconsumidores,emfacedo aumento do nmero de cargassensveis a perturbaes na tenso de suprimento, como tambm pelalegislao que sefirmanonovo ambiente do setor eltricobrasileiro.No casoespecficodosharmnicos,osseusimpactosvodesdeoconsumidorfinal, passando pelo sistema de distribuio de energia e alcanam a operao da Rede Bsica doSistemaInterligadoNacional(DUARTE,etal.,2007;FARIASetal.,2003; ROCHA, 1997).

34 Noatualambientecompetitivoeregulatrio,adegradaodaQEEpode contribuir para o desgaste da imagem empresarial das distribuidoras de energia eltrica, semcontaroscustosdevidoaospedidosderessarcimentodosprejuzossofridospor consumidores, emfuno dam qualidade da energia. Nesse cenrio, a concessionria deveclassificars