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Ficha de Trabalho 1 — UC02954

Poupança Energética e Fugas de Ar Comprimido

Duração: 90 minutos | Consulta: Tabelas de eficiência de motores, sebenta | Calculadora: Obrigatória

Grupo I — Verdadeiro / Falso (20 pontos)

Um motor de classe IE4 é menos eficiente que um motor IE3 da mesma potência. ___
A lei dos ventiladores estabelece que se a velocidade de um ventilador for reduzida para metade, a potência consumida é reduzida para 1/8 do valor original. ___
O regulamento de ecodesign da UE 2019/1781 torna os motores IE3 obrigatórios para potências ≥ 0,75 kW desde julho de 2021. ___
A norma ISO 14001 é um requisito legal obrigatório para todas as empresas industriais em Portugal. ___
O Scope 2 de emissões de carbono corresponde às emissões indirectas provenientes de energia eléctrica adquirida. ___
As fugas de ar comprimido num sistema industrial podem representar até 30% do consumo total de ar, se o sistema não for regularmente auditado. ___
Para detectar fugas de ar comprimido, o método mais preciso é o teste de pressão com espuma de sabão a toda a tubagem. ___
Segundo a REACH, antes de usar qualquer produto químico em manutenção é obrigatório consultar a Ficha de Dados de Segurança (FDS). ___
A substituição de iluminação fluorescente T8 por LED industrial reduz o consumo de energia em aproximadamente 50% mantendo o mesmo nível de iluminância. ___
Um variador de velocidade (VFD) numa bomba centrífuga que opera frequentemente a 60% da capacidade pode reduzir o consumo energético em mais de 70% comparado com controlo por válvula. ___

Soluções — Grupo I

F — IE4 (Super-premium) é mais eficiente que IE3 (Premium). As classes IE aumentam de eficiência: IE1 < IE2 < IE3 < IE4 < IE5.
V — Lei dos ventiladores: P ∝ n³. Velocidade para metade (n/2): P = P_original × (1/2)³ = P/8. Redução para 1/8 do valor original.
V — O regulamento de ecodesign (UE) 2019/1781 impôs IE3 como mínimo para motores de 0,75–1000 kW desde Julho de 2021.
F — A ISO 14001 é uma norma voluntária de certificação; não é um requisito legal obrigatório. Contudo, pode ser exigida por clientes ou concursos públicos.
V — Scope 2 (GHG Protocol): emissões indirectas de energia comprada (electricidade, calor, vapor). Scope 1 são emissões directas da empresa; Scope 3 são todas as outras emissões indirectas na cadeia de valor.
V — Em fábricas não auditadas, 20–30% do ar comprimido pode ser perdido em fugas. Em sistemas bem geridos, a meta é < 10%.
F — A espuma de sabão é um método de confirmação localizada (barata mas lenta). O método mais eficiente para auditar grandes instalações é o detector de ultrassom (40 kHz) que permite detectar fugas a distância sem contacto.
V — O REACH (e também a legislação de segurança no trabalho — DL 98/2010) obriga a consultar a FDS (MSDS/SDS) antes de usar substâncias químicas. A FDS contém informação sobre riscos, EPI necessários e disposição de resíduos.
V — Fluorescente T8: ~60 lm/W; LED industrial: ~120–150 lm/W. Para o mesmo nível de iluminância, o LED consome ~50% da energia da fluorescente (ou menos).
V — Bomba com carga variável a 60% da capacidade nominal: v ∝ Q, então velocidade = 60% da nominal. P ∝ v³ = (0,6)³ = 21,6% da potência nominal. Com controlo por válvula, a potência seria ~100% (o motor trabalha sempre a plena velocidade). Poupança: ≈ 78% da potência → redução de >70%.

Grupo II — Cálculo de Poupança Energética (40 pontos)

Problema 1 — Substituição Motor IE1 → IE4

Uma empresa de produção têxtil tem um motor de 22 kW, 4 polos, IE1 (eficiência η₁ = 89,5%) a funcionar 7200 h/ano com carga média de 80%. A empresa considera substituí-lo por um motor IE4 (η₄ = 94,0%).

Tarifa eléctrica: 0,13 €/kWh

a) Calcule o consumo anual de energia eléctrica de cada motor.

b) Calcule a poupança anual em kWh e em euros.

c) O motor IE4 equivalente custa 1 850 € e o IE1 antigo ainda tem valor residual de 200 €. O custo de instalação é 300 €. Calcule o payback simples.

d) Calcule a redução anual de emissões de CO₂ (factor de emissão da rede eléctrica portuguesa: 0,255 kgCO₂/kWh, 2024).

Soluções — Problema 1

a) Consumo anual de energia:

Potência eléctrica absorvida = P_mecânica / η

Motor IE1 (η=89,5%=0,895): $$P_{elec,IE1} = \frac{22 \text{ kW} \times 0,80}{0,895} = \frac{17,6}{0,895} = 19,665 \text{ kW}$$ $$E_{IE1} = 19,665 \text{ kW} \times 7200 \text{ h} = \mathbf{141\,590 \text{ kWh/ano}}$$

Motor IE4 (η=94,0%=0,94): $$P_{elec,IE4} = \frac{22 \times 0,80}{0,94} = \frac{17,6}{0,94} = 18,723 \text{ kW}$$ $$E_{IE4} = 18,723 \times 7200 = \mathbf{134\,806 \text{ kWh/ano}}$$

b) Poupança anual:

ΔE = 141 590 − 134 806 = 6 784 kWh/ano

Poupança em €: 6 784 × 0,13 = €882/ano

c) Payback simples:

Investimento líquido = 1 850 (IE4) − 200 (residual IE1) + 300 (instalação) = 1 950 €

Payback = 1 950 / 882 = 2,2 anos

É um investimento rentável: payback < 3 anos.

d) Redução de CO₂:

ΔCO₂ = 6 784 kWh × 0,255 kgCO₂/kWh = 1 730 kgCO₂/ano ≈ 1,73 tonCO₂/ano

Problema 2 — Auditoria de Fugas de Ar Comprimido

Uma fábrica tem um sistema de ar comprimido com compressor de 75 kW (6 bar, 13 NL/min por kW = 975 NL/min de capacidade). O técnico realizou um teste de estanquicidade: - Com todos os consumidores fechados, a pressão cai de 7 bar para 5 bar em 8 minutos - Volume do receptor: 500 L = 0,5 m³

a) Calcule o caudal de fuga total (NL/min).

Use a fórmula: Q_fuga = V_receptor × ΔP / (P_atm × Δt) × (conversão de unidades)

b) Calcule a percentagem de fuga em relação à capacidade do compressor.

c) Se o compressor trabalha 16 h/dia, 250 dias/ano, calcule o custo anual das fugas (0,13 €/kWh).

d) O técnico identificou 8 fugas com detector ultrassom. O maior "desperdício" é uma fuga de 3 mm Ø (caudal ≈ 8 NL/min) numa junção de tubo. Qual a prioridade desta fuga e qual o custo anual desta fuga isolada?

Soluções — Problema 2

a) Cálculo do caudal de fuga:

Dados: - ΔP = 7 − 5 = 2 bar = 2 × 10⁵ Pa - V = 500 L = 0,5 m³ - Δt = 8 min = 480 s - P_atm = 1 bar = 10⁵ Pa

Conversão de m³/s para NL/min:

$$Q_{fuga} = \frac{V \times \Delta P}{P_{atm} \times \Delta t} = \frac{0,5 \times 2 \times 10^5}{10^5 \times 480} = \frac{100\,000}{48\,000\,000} = 0,00208 \text{ m}^3/\text{s NL}$$

$$Q_{fuga} = 0,00208 \text{ m}^3/\text{s} \times 60 \text{ s/min} \times 1000 \text{ L/m}^3 = \mathbf{125 \text{ NL/min}}$$

b) Percentagem de fuga:

$$\% \text{fuga} = \frac{Q_{fuga}}{Q_{compressor}} \times 100 = \frac{125}{975} \times 100 = \mathbf{12,8\%}$$

Acima dos 10% de referência → o sistema tem perdas significativas e requer intervenção.

c) Custo anual das fugas:

Potência desperdiçada nas fugas: - Compressor 75 kW para 975 NL/min - Potência por NL/min = 75 kW / 975 = 0,0769 kW por NL/min - Potência das fugas = 125 × 0,0769 = 9,6 kW

Energia anual: 9,6 kW × 16 h/dia × 250 dias = 38 400 kWh/ano

Custo anual: 38 400 × 0,13 = €4 992/ano

d) Fuga de 3mm Ø — Prioridade e custo:

Caudal da fuga: 8 NL/min Potência: 8 × 0,0769 = 0,615 kW Energia anual: 0,615 × 16 × 250 = 2 461 kWh/ano Custo anual: 2 461 × 0,13 = €320/ano esta fuga isolada

Prioridade: ALTA — é a maior fuga identificada (8/125 = 6,4% de todas as fugas). O custo de reparação de uma junção de tubo (< 10 €em materiais, 30 min de trabalho) → payback imediato (< 1 semana de operação).

Grupo III — VFD e Poupança por Carga Variável (40 pontos)

Exercício — Bomba de Água de Arrefecimento com VFD

Uma bomba centrífuga de arrefecimento de 18,5 kW trabalha actualmente a 100% da velocidade 70% do tempo e a 60% da velocidade os restantes 30% do tempo (carga variável conforme temperatura exterior).

Situação actual (sem VFD): O caudal é controlado por válvula; o motor trabalha sempre a 100% da potência independentemente da necessidade.

Com VFD: O motor ajusta a velocidade conforme necessário.

a) Calcule a energia anual consumida sem VFD (6000 h/ano, composto de 4200h a 100% + 1800h a 60%).

b) Calcule a energia anual consumida com VFD (motor a 100% da potência 4200h + motor a (0,6)³×P_nominal 1800h).

c) Calcule a poupança anual e o payback (VFD custa 2 800 €, instalação 500 €).

d) Estime a redução anual de CO₂ (factor 0,255 kgCO₂/kWh).

Soluções — Grupo III

a) Energia sem VFD (controlo por válvula):

Sem VFD, o motor trabalha sempre a 100% independentemente do caudal necessário: $$E_{sem_VFD} = 18,5 \text{ kW} \times 6000 \text{ h} = \mathbf{111\,000 \text{ kWh/ano}}$$

b) Energia com VFD:

4200 h a 100% de velocidade: P = 18,5 kW → E = 18,5 × 4200 = 77 700 kWh
1800 h a 60% de velocidade: P = 18,5 × (0,6)³ = 18,5 × 0,216 = 4,0 kW → E = 4,0 × 1800 = 7 200 kWh

$$E_{com_VFD} = 77\,700 + 7\,200 = \mathbf{84\,900 \text{ kWh/ano}}$$

c) Poupança anual e payback:

ΔE = 111 000 − 84 900 = 26 100 kWh/ano

Poupança €: 26 100 × 0,13 = €3 393/ano

Investimento total: 2 800 + 500 = 3 300 €

Payback = 3 300 / 3 393 = 0,97 anos ≈ 1 ano!

Excelente retorno de investimento para uma aplicação de carga variável.

d) Redução de CO₂:

ΔCO₂ = 26 100 × 0,255 = 6 655 kgCO₂/ano ≈ 6,7 tonCO₂/ano

Ficha de Trabalho 1 — UC02954 — TMIM — Aulify