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Termos e Definições Sobre Energia - Grupo GIMI

Atualizado: 26 de mar.


Termos e Definições Sobre Energia, Energia Primária, Secundária e Útil

Recursos energéticos são quaisquer recursos naturais que possam ser aproveitados para obter energia. O estudo dos sistemas energéticos não apenas se baseia em conceitos bastante específicos, mas também impõe o uso de uma linguagem e de parâmetros particulares, que convém apresentar, ainda que de forma sucinta, para facilitar o tratamento posterior dos problemas associados à racionalização dos fluxos energéticos.


Cabe ressaltar que são inúmeras as publicações literárias específicas sobre o tema, tamanha a importância da boa compreensão. Essa importância é decorrente do fato de que todas as atividades humanas requerem energia, seja na forma de fluxos energéticos como calor e energia elétrica, seja na forma de produtos e serviços, que, de forma indireta, também correspondem a fluxos energéticos, pois sem eles, não poderiam ser obtidos. Além disso, existe um fluxo gigantesco de capitais orbitando os diversos mercados correlatos com a matéria energia.



Energia primária


Uma fonte de energia primária é toda forma de energia disponível na natureza antes de ser convertida ou transformada. Consiste na energia contida nos combustíveis crus, energia solar, eólica, geotérmica e outras formas de energia que constituem uma entrada ao sistema. Se não é utilizável diretamente, deve ser transformada numa fonte de energia secundária (eletricidade, calor, etc.).


Na indústria energética distinguem-se diferentes etapas: a produção de energia primária, seu armazenamento e transporte em forma de energia secundária, e seu consumo como energia final.


Assim, por exemplo, a energia mecânica de uma queda d’água é transformada em eletricidade e, ao chegar ao consumidor, pode ser empregada em diferentes formas de usos finais, quais sejam: iluminação, produção de frio e calor, força motriz, ventilação, etc. Do ponto de vista do consumidor final, a forma de energia primária, portanto, não tem importância e na maioria das vezes, é ignorada.


Uma série bastante complexa de transformações resultam numa corrente energética concreta, como por exemplo, a que se dá na cadeia da indústria petrolífera, composta a grosso modo por: extração, transporte, refino e distribuição. A cada transformação caracteriza-se por seu rendimento, sempre inferior a 1, devido às perdas inerentes aos diversos processos.


O conceito de relação entre energia primária e energia secundária utiliza-se, especialmente em estatística energética, e da compilação de balanços energéticos. No entanto, costuma-se identificar como energia primária, a energia que resulta da primeira transformação, como por exemplo o calor obtido em processos de fissão nuclear, a eletricidade gerada em usinas eólicas ou hidráulicas, e finalmente, como energia final a que chega ao consumidor.


Segundo o Balanço Energético Nacional 2018 publicado pela Empresa de Pesquisas Energéticas, ano base 2017, temos a seguinte composição percentual de fontes primárias de energia no Brasil:



Fontes renováveis e não renováveis de energia


Energia Secundária


Em contraponto ao conceito de energia primária, energia secundária representa a energia obtida após os processos de conversão, que tem como objetivo aumentar a densidade energética do combustível, proporcionando maior facilidade logística, adequação ao uso, etc. Como exemplos práticos podemos elencar: Eletricidade, Etanol de cana de açúcar, carvão vegetal que é obtido por processo de transformação de lenha virgem em carvão, para concentração de carbono, etc.


Em certas situações, a energia secundária ainda pode ser novamente transformada ou convertida em outras formas de energia, como, por exemplo, a eletricidade obtida à partir da queima de óleo Diesel ou outros combustíveis derivados do petróleo em centrais termelétricas.

Importante ter em mente que transformações como as acima descritas, foram desenvolvidas ao longo do processo evolutivo do homem (notadamente no século XX), para prover maior conforto e versatilidade aos usos e necessidades do homem moderno.


Gás natural encanado é um exemplo da engenhosidade do homem, que foi capaz de praticamente cobrir a Europa ocidental de milhões de quilômetros de tubulações para distribuir esse combustível primário para que consumidores residenciais e industriais façam os mais diversos usos desse combustível, tais como: Aquecimento das mais diversas formas, calefação de ambientes (visto que o inverno é muito intenso no velho continente e praticamente todos os lares da Europa Ocidental contam com esse conforto), Geração de energia elétrica, queima direta do gás em fornos, caldeiras e etc. em grandes indústrias, entre tantos outros usos.


Num exemplo prático que podemos também explorar seria o Etanol oriundo da cana de açúcar produzido no Brasil. Segundo o Balanço Energético Nacional 2018, a biomassa da cana de açúcar representa 17,4% da oferta primária de energia brasileira. Entretanto, como o Brasil é um País de dimensões continentais e a produção de Etanol é concentrada no Sudeste, Centro-Oeste e partes do Nordeste, devemos analisar o custo do transporte por TEP (Tonelada Equivalente de Petróleo) antes de distribuir Etanol pelo Brasil.


Analisando por exemplo, a Cidade de Manaus, se considerarmos que praticamente tudo que chega àquela cidade é transportado por Navios de Cabotagem, devemos prover a maior quantidade de energia útil por metro cubico de combustível transportado. Etanol compreende 0,7% de água e sua octanagem é menor, portanto, como o custo do transporte para longas distâncias corresponde a uma parcela importante do preço final no destino, transportar etanol para lá não parece ser economicamente viável, por conta do conceito de energia útil.



Energia Útil


Na grande maioria dos processos em que ocorre transferência de energia entre sistemas, nem toda a energia fornecida pela fonte é utilizada pelo receptor. Assim, da totalidade de energia fornecida a uma máquina, uma parte é transformada em energia útil, ou seja, em energia que é realmente aproveitada pela máquina e realiza trabalho, enquanto outra parte é dissipada, geralmente sob a forma de calor. Quanto menor for a energia dissipada por uma máquina, maior será a energia útil e, consequentemente, maior será o rendimento da máquina.


Sob o ponto de vista da análise do Etanol do tópico anterior, podemos definir energia útil como sendo a energia que efetivamente fará movimentar o motor do carro por uma certa quantidade de quilômetros, que deve ser comparada, tanto em custos como em autonomia, com a energia oriunda da Gasolina que efetivamente fará movimentar o motor do carro por uma certa quantidade de quilômetros, sendo que essa comparação será absolutamente favorável à Gasolina.


Em última análise, energia útil consiste na energia efetivamente utilizada pelo usuário, resultado de algum processo como fluxo de calor de alta para baixa temperatura, iluminação, momento num eixo rotativo, etc. A correlação entre a energia útil e energia consumida correspondente à energia secundária, depende em última instância, da eficiência energética do equipamento ou sistema de uso final desta energia.


No estudo de sistemas elétricos eficientes, adota-se parâmetros que indiquem o nível de disponibilidade dos mesmos em relação à energia aplicada. Cabe observar-se ainda que em sistemas elétricos a demanda expressa-se sob a égide da potência requerida, mensurada em kW, enquanto o consumo energético é em base temporal, portanto expresso em kWh.



Fator de carga


Segundo Luiz Augusto Horta Nogueira, grande estudioso dos conceitos e fundamentos da energia, Fator de Carga corresponde à relação entre a potência média consumida e a potência máxima requerida, sendo uma característica importante para o consumidor de energia. Tipicamente, consumidores residenciais e rurais apresentam fatores de carga inferiores a 10%, enquanto indústrias de grande porte podem apresentar fatores de carga superiores a 90%.


Dentre as práticas que merecem mais atenção no gerenciamento de contas de energia elétrica, está a melhoria do fator de carga, que pode, simplificadamente ser resumida em conservar o consumo e reduzir a demanda ou aumentar o consumo e manter a demanda.


Muitos programas de conservação de energia focam na combinação otimizada de alternativas, a manutenção da qualidade da eletricidade consumida, maior homogeneidade na demanda ao longo do tempo, a manutenção do consumo útil (kWh), etc. Estas práticas possibilitam a efetiva redução de picos de demanda (kW) e, ao mesmo tempo, deslocar a operação de máquinas para serem utilizadas em outros horários, previamente selecionados, em que a demanda do sistema elétrico seja menor, para, em todos os casos, aumentar os fatores de carga tanto quanto possível.



Fator de capacidade


Ainda segundo Horta Nogueira, fator de capacidade paralelamente ao fator de carga, mais utilizado para sistemas de fornecimento energético, o conceito expressa a relação entre potência média fornecida por uma unidade de geração e sua capacidade máxima de suprimento de energia. Em sistemas isolados, o fator de carga deve ser igual ao fator de capacidade, por óbvio.


Um exemplo prático deste conceito pode ser a usina Hidrelétrica de Belo Monte. A Usina de Belo Monte foi construída na bacia do Rio Xingu, próximo ao município de Altamira, no sudoeste do estado Pará. Sua potência instalada será de 11.233 MW mas, por operar com reservatório muito reduzido, deverá produzir efetivamente cerca de 4.500 MW (39,5 TWh por ano) em média ao longo do ano, o que representa aproximadamente 10% do consumo nacional (388 TWh em 2009). Assim sendo, pelos dados globais do empreendimento, o fator de capacidade de Belo Monte é de 40%.



Disponibilidade


O fator de disponibilidade indica a fração do tempo total que se espera poder contar com um dado sistema de suprimento ou conversão energética, em função das paradas programadas e previstas para manutenção e ajustes. Esse fator é tão importante que a Agência Nacional de energia Elétrica ANEEL, regula por meio deste fator a qualidade dos serviços prestados por concessionárias e usinas geradoras operadas por entes privados, sendo este um parâmetro de demérito que resulta em redução de lucratividade das empresas quando esse fator cai.


Um exemplo, é o cálculo e a aplicação das indisponibilidades de usinas hidrelétricas ou termelétricas com custo variável unitário declarado diferente de zero, e empreendimentos de importação de energia elétrica, despachados centralizadamente, que o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), apura mensalmente as indisponibilidades das usinas hidrelétricas, termelétricas com Custo Variável Unitário (CVU) declarado diferente de zero, e dos empreendimentos de importação de energia elétrica, despachados centralizadamente. As indisponibilidades de que trata o caput serão apuradas por meio do cálculo da Taxa Equivalente de Indisponibilidade Programada (TEIP), e da Taxa Equivalente de Indisponibilidade Forçada Apurada (TEIFa). A TEIP e a TEIFa deverão ser calculadas considerando 60 (sessenta) valores mensais apurados, relativos aos meses imediatamente anteriores, conforme procedimentos a seguir:


Para cada empreendimento de importação ou usina despachada centralizadamente com n unidades geradoras em operação comercial, deverão ser calculadas a TEIP e a TEIFa, mediante a aplicação das seguintes fórmulas:


Cálculos da TEIP e TEIFa

Legenda dos cálculos de TEIP e TEIFa


Para efetuar os cálculos de que trata as equações acima, caso não se disponha dos valores apurados mensais que totalizem 60 (sessenta) meses, os valores faltantes deverão ser complementados utilizando-se os valores de referência, considerados no cálculo da respectiva garantia física do empreendimento; e na apuração da TEIP e da TEIFa, o ONS poderá desconsiderar a indisponibilidade decorrente dos motivos apresentados oriundos de força maior previstos em normas daquele ONS, desde que justificados adequadamente pelo agente de geração em até 60 (sessenta) dias do início da ocorrência da indisponibilidade.



Fator de diversidade


O fator de diversidade de um conjunto de consumidores expressa a não simultaneidade das cargas, visto que a potência requerida por um consumidor qualquer sempre varia com o tempo, e não necessariamente é simultâneo com o consumo dos seus vizinhos. Assim sendo, o fator de diversidade contribui com a racionalização da construção pois reduz a previsão de consumo instantâneo quando do dimensionamento dos sistemas.

A referida reflexão relaciona-se com os conceitos de custos de capacidade e custos de energia. Entende-se por custo de capacidade os custos de investimento relacionados com a necessária amortização do capital aplicado no sistema energético.


Frequentemente estes custos são apresentados como custos unitários, dados como US$/kW de capacidade instalada e depende fortemente da tecnologia do sistema, com os custos mais elevados naturalmente em sistemas de maior eficiência. Necessária a correlação entre horário de ponta e fora de ponta, que apresenta fator de diversidade substancialmente menor no horário de ponta, pois a simultaneidade do consumo é maior que fora da ponta.



Confiabilidade


Confiabilidade é a capacidade de um sistema realizar e manter seu funcionamento em circunstâncias de rotina, bem como em circunstâncias hostis e contingências. O estudo da confiabilidade desenvolveu-se a partir da necessidade da indústria de sofrer um menor número de falhas em seus processos.


Em muitos campos da engenharia são indesejáveis até os menores índices de falhas, tais como centrais nucleares, aviões e submarinos.


Ainda que os estudos sobre confiabilidade tenham sido desenvolvidos para identificar defeitos em grandes linhas de produção, trouxe também muitas contribuições para processos de manutenção industriais, pois proveram grandes aumentos na disponibilidade de equipamentos e sistemas.


Confiabilidade pode ser entendida e estudada em duas formas distintas:


⦁ Confiabilidade qualitativa, que analisa e trata os tipos de falhas e suas consequências para o sistema.


⦁ Confiabilidade quantitativa, que analisa a quantidade de falhas, o tempo em que a produção ficou parada e os custos consequentes para a manutenção e os prejuízos com perdas produtivas (não produção).


As duas abordagens oferecem ao profissional uma descrição do sistema em diagramas de blocos, atribuindo-se um grau de confiabilidade obtido nos levantamentos e comparando-os com os parâmetros desejados. Através deste panorama define-se os processos críticos, estabelece-se quais processos precisam de redundância ou sistemas backup, estabelece-se rotinas de manutenção preventiva, estoque de peças sobressalentes indispensáveis ou de grande dificuldade logística, entre outras ações.


O MTBF ("Mean Time Between Failures") ou período médio entre falhas, é um lapso de tempo atribuído a um produto ou sistema que representa, em certa medida, seu grau de confiabilidade, pois pode representar a hipótese de quando uma falha pode ocorrer nesse sistema ou produto. Quanto maior o índice, entende-se que será mais confiável o produto ou sistema, servido de base para programação dos períodos de manutenção adequados a cada um deles.


O cálculo do MTBF é feito da seguinte forma:


⦁ O fabricante define o lote adequado para avaliação do produto, estabelece o procedimento de avaliação e o período significativo para este ensaio.


⦁ Pelo produto da multiplicação de todos os parâmetros acima descritos, obtém-se o período total de horas de funcionamento desejado.


⦁ O total de horas de funcionamento é divido pelo número total de aparelhos que apresentaram problemas durante o período de ensaio.


É necessário entender que quanto maior a confiabilidade de um sistema ou equipamento, maior será seu custo de aquisição, visto que conceitos de redundância e disponibilidade sempre estão presentes.



Bibliografia


HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.

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Website TODA MATERIA :<http:// https://www.todamateria.com.br/tipos-de-energia/>. Acesso em: 01 maio. 2018.

Website Wikipedia :<https://pt.wikipedia.org/wiki/>. Acesso em: 26 maio. 2018.


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