Análise exergética em sistemas elétricos

Abstract

O paradigma econômico que imperou até as crises do petróleo foi o do desenvolvimento com crescimento econômico. Aspectos ambientais tinham importância secundária, e sua avaliação não era integrada nas etapas desse desenvolvimento. Cada vez mais, observa-se maior mobilização da sociedade organizada para minimizar impactos ambientais. O planejamento integrado, que engloba ações desde os recursos naturais até o uso final dado à energia pela sociedade, a um baixo custo e com menor impacto ambiental, é uma forma de se racionalizar o uso desses recursos. A análise exergética, baseada no primeiro e segundo princípios da termodinâmica, é proposta neste trabalho para quantificar a racionalidade do uso da energia. O primeiro princípio da termodinâmica quantifica a energia utilizada em processos e equipamentos, mas não qualifica o uso dessa energia. A eficiência energética não compara os níveis de degradação que diferentes equipamentos e processos fazem ao utilizar energia, o que dificulta a comparação. Pelo segundo princípio da termodinâmica, compara-se o máximo trabalho possível de ser realizado por diferentes processos, equipamentos e fontes energéticas. Assim, a análise exergética possibilita identificar e quantificar as irreversibilidades de qualquer sistema de energia. Portanto, a utilização da termoeconomia enfatiza o valor do recurso natural e não somente a riqueza proporcionada por este. Neste estudo, primeiramente, mostrou-se a importância conceitual do tema, bem como suas formas de aplicação; em segundo lugar, as considerações da análise exergética em tarifas de energia elétrica nos diversos setores da economia do Estado de Minas Gerais; em terceiro lugar, propôs-se a tarifa exergética horo- sazonal e simulou-se o impacto de taxar o consumo e a demanda de energia elétrica pelo seu uso final e pelo horário do dia; em quarto, analisou-se a análise exergética na adoção de carros elétricos em substituição aos de passeio movidos a gasolina das regiões brasileiras (Centro-Oeste, Sul, Sudeste, Norte e Nordeste) e propuseram-se ações de gerenciamento do lado da demanda como remanejamento de chuveiros do horário de ponta, alterações do fator de carga e geração de energia para atender à demanda devido à adoção do carro elétrico; e, por último, aplicou-se o conceito de exergia em sistemas residenciais de aquecimento de água. Utilizaram-se cinco tipos de equipamentos de aquecimento de água residencial e foram aplicados quatro tipos de tarifas: monômia energética, monômia exergética, horo-sazonal amarela e exergética horo-sazonal. Neste trabalho foi introduzida a tarifação exergética, que contempla tanto as leis de oferta e procura de energia quanto a redução do nível de degradação ambiental. Acredita-se que a motivação maior são a possibilidade da sustentabilidade e a valorização de externalidades ambientais, buscando a reestruturação do sistema energético nacional pela valorização dos recursos naturais e do uso final dado à energia.

The economic model, which predominated until the oil crisis, was a combination of development and economic growth. Environmental aspects played a minor role and their evaluation was not part of the development stages. An increase in social awareness and mobilization is being observed, aiming to minimize environmental impacts. Integrated planning actions ranging from the use of natural resources by society to the energy end-uses at low cost and lower environmental impact is a rational way of using the natural resources. Exergetic analysis, based on the first and second principles of thermodynamics, is proposed in this work to quantify the rational use of energy. The first principle of thermodynamics quantifies the energy used by processes and equipments, but it does not qualify the use of energy. Energy efficiency does not compare the levels of degradation that different equipments and processes cause while using energy, thus making evaluation difficult. The second principle of thermodynamics compares the maximum work possible to be carried out by different processes, equipments and energetic sources. Thus, exergetic analysis (thermoeconomics) allows the identification and quantification of the irreversibilities of any given energy system. Therefore, thermoeconomics emphasizes energetically and exergetically the value of natural resources and not only the wealth they provide. This study firstly presented the exergetic analysis conceptual importance, as well as, their application forms; secondly, it presented the exergetic analysis considerations on the electric energy rates in the various economic sectors of Minas Gerais State; thirdly, it proposed time-of-use exergetic rates for different seasons, simulating the impact caused by charging electric energy consumption and demand according to its end- uses; fourthly, exergetic analysis studied if internal combustion gasoline cars were replaced by electric cars, throughout the Brazilian regions (Central Western, Southern, Southeastern, Northern and Northeastern) and Demand Side Management (DSM) actions were also proposed, such as peak clipping or load shifting, improvement in the load factor and generation of energy to meet the demand due to the adoption of electric cars; and lastly, the exergetic analysis was applied on residential water heating systems. The utilization of five types of residential water heating equipments were simulated to four different rates: energetic monomial, exergetic monomial, time-of-use energetic and exergetic rates as a function of demand and electrical consumpti exergetic rate, which charges, as a function of both energy supply/demand laws and level of environmental degradation. It is believed that this thesis greatest motivation is to show the possibility of increased environmental sustainability by the valorization of externalities, aiming to rearrange the national energetic system by prioritizing and valueing the natural resources and the energy end-uses.