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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA André Rosa Ferreira ILUMINAÇÃO DO ESTADO SÓLIDO, ECONOMIA POTENCIAL DE ENERGIA ELÉTRICA PARA O PAÍS Dissertação de Mestrado Santo André – SP 2014
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
André Rosa Ferreira
ILUMINAÇÃO DO ESTADO SÓLIDO, ECONOMIA POTENCIAL DE ENERGIA
ELÉTRICA PARA O PAÍS
Dissertação de Mestrado
Santo André – SP 2014
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André Rosa Ferreira
ILUMINAÇÃO DO ESTADO SÓLIDO, ECONOMIA POTENCIAL DE ENERGIA
ELÉTRICA PARA O PAÍS
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-graduação da Universidade Federal
do ABC como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em
Engenharia Elétrica
Orientador: Prof. Dr. Jorge Tomioka
Santo André – SP 2014
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Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, de
acordo com as observações levantadas pela banca no dia da defesa, sob
responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador.
Santo André, ____de _______________ de 20___
Assinatura do autor: _____________________________________
Assinatura do orientador: _________________________________
5
À minha esposa, Alessandra, meu apoio constante. Ao meu filho, André.
6
AGRADECIMENTOS
Ao longo deste projeto, várias pessoas contribuíram para sua elaboração, as
quais quero agradecer.
Agradeço, em primeiro lugar, à Mãe de Deus, que tem me carregado nos
braços em todos os momentos da caminhada na vida e neste projeto.
Agradeço à minha família, ao meu pai, Expedito Ferreira, que mostrou os
valores da vida hoje esquecidos pela sociedade, e à minha mãe, Laodicena P. R.
Ferreira (em memória), pelo apoio que sempre me deu, principalmente em
minha vida acadêmica.
À minha esposa, Alessandra, por todo seu amor, carinho, paciência e
compreensão, mesmo nos momentos mais difíceis.
Ao meu filho, André, pelos momentos em que não pude estar com ele devido a
minhas pesquisas.
Ao curso de Pós-graduação de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do
ABC, pelos professores que tornaram possível a obtenção de mais
conhecimento e pelo apoio ao longo do curso.
Ao meu orientador, Professor Dr. Jorge Tomioka, por todo o apoio e a
orientação dada ao longo da execução de meu projeto, permitindo, desse
modo, sua realização e conclusão.
7
Confiança na bondade de Deus! Tudo sairá certo. Ela fará realmente tudo bem.
P. J. K.
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RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo para a área de iluminação residencial, por meio da utilização da tecnologia de iluminação do estado sólido LED (diodos emissores de luz). Seu objetivo principal é apresentar a economia de energia elétrica para o país trazendo soluções mais eficientes para nossas residências, inclusive podendo ser estendido a outros setores, como indústria e comércio. Isso gerará economia de energia elétrica para o País e favorecerá a preservação do meio ambiente, com a diminuição da emissão de dióxido de carbono (CO2), produzindo impacto imediato na utilização de energia elétrica e prorrogando os grandes investimentos em geração de energia elétrica no Brasil, fazendo reduzir os gastos do dinheiro público. Para a pesquisa, foram levantados vários conceitos aplicados a luminotécnica, para um maior aprofundamento e consolidação dos resultados. Após a fase de pesquisa dos conceitos, foram estudadas as características das diferentes tecnologias de lâmpadas de uso residencial. Foi montada uma bancada para os ensaios das amostras, facilitando a realização das medições, o levantamento de algumas características técnicas, tais como potência da lâmpada, fator de potência, fluxo luminoso e eficiência luminosa. Com a estratificação desses resultados, foi elaborado um estudo de viabilidade econômica entre as três tecnologias de lâmpadas, mostrando o tempo de retorno do investimento. Em seguida, foram realizadas simulações entre as tecnologias de lâmpadas com projeção do consumo de energia elétrica para o ano de 2021. Com a realização deste trabalho cientifico, foi possível chegar a conclusões fundamentais acerca da melhor tecnologia de lâmpada que pode ser aplicada no País no setor residencial.
Palavras-chave: Eficiência luminosa. Lâmpada de LED. Materiais no Estado Sólido. Novas Tecnologias de Iluminação.
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ABSTRACT
This work presents a study for the residential lighting through the use of solid-state lighting technology LED ( light emitting diodes ). Its main purpose is to present the economics of electricity for the country bringing more efficient solutions for our homes, and may even be extended to other sectors such as industry and commerce. This will generate electricity savings for the country and encourage the preservation of the environment, with the reduction in the emission of carbon dioxide (CO2), producing immediate impact on electricity usage and extending large investments in power generation in Brazil doing reduce spending of public money . For the research, various concepts applied to illumination, for further development and consolidation of results were collected. After the research phase of the concepts, characteristics of different technologies lamps residential use were studied. A workbench was assembled for testing the samples, facilitating the measurements, raising some technical features, such as the lamp power, power factor, luminous flux and luminous efficiency. Stratification with these results, an economic feasibility study between the three technologies lamps was prepared, showing the time of investment return. Then simulations between technologies of projection lamps with electricity consumption for the year 2021 were performed. With the completion of this scientific work, it was possible to reach basic conclusions about the best lamp technology that can be applied in the Country residential sector.
Keyword - Luminous Efficiency. LED lamp. Solid state materials. New lighting technology.
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SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................... 13
1 Introdução ................................................................................................................ 13
1.1 Identificação do problema ..................................................................................... 16
1.2 Objetivo do trabalho .............................................................................................. 17
1.3 Organização do trabalho ....................................................................................... 18
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................... 19
2 Estado da arte ......................................................................................................... 19
2.1 Introdução ............................................................................................................. 19
2.2 Produção de energia elétrica do Brasil .................................................................. 19
2.3 Projeção demográfica do País para o intervalo 2011 - 2021 ................................. 21
2.4 Conceitos de iluminação e luminotécnicos aplicados à iluminação ....................... 22
2.4.1 Conceitos de luz ...................................................................................... 23
2.4.2 Radiação ultravioleta ............................................................................... 24
2.4.3 Radiação infravermelha ........................................................................... 25
2.4.4 Fluxo luminoso (∅) ................................................................................... 25
2.4.5 Eficiência luminosa .................................................................................. 25
2.4.6 Intensidade luminosa............................................................................... 26
2.4.7 Iluminância .............................................................................................. 26
2.4.8 Luminância .............................................................................................. 26
2.4.9 Temperatura de cor ................................................................................. 27
2.4.10 Índice de Reprodução de Cor (IRC) ...................................................... 28
2.4.11 Harmônico, qualidade de energia elétrica .............................................. 30
2.4.12 Fator de potência .................................................................................. 30
2.5 Desenvolvimento das tecnologias de lâmpadas .................................................... 31
2.5.1 Tecnologia das lâmpadas ........................................................................ 32
2.5.2 Lâmpada incandescente ......................................................................... 32
2.5.3 Lâmpada fluorescente ............................................................................. 34
2.5.4 Reciclagem de lâmpadas com mercúrio .................................................. 36
2.5.5 Lâmpada do estado sólido para iluminação (LED)................................... 36
2.5.6 Lâmpada do estado sólido para iluminação - Organic Light-Emitting Diode
(OLED) ............................................................................................................. 40
2.5.7 Tecnologia Field Emission Display (FED) ................................................ 43
2.6 Vantagens e desvantagens dos materiais de estado sólido para iluminação ........ 44
2.7 Aplicação em produtos utilizando LED .................................................................. 45
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................... 47
11
3 Políticas de eficiência energética ............................................................................. 47
3.1 Introdução ............................................................................................................. 47
3.2 Comunidade Europeia .......................................................................................... 47
3.3 Austrália ................................................................................................................ 49
3.4 Argentina .............................................................................................................. 50
3.5 Estados Unidos da América .................................................................................. 51
3.6 Movimento no Brasil ............................................................................................. 53
3.7 Eficiência energética para economia de energia elétrica para o Brasil .................. 54
3.8 Sustentabilidade ................................................................................................... 57
3.9 Economia potencial de energia elétrica através do LED ....................................... 57
3.10 O DOE trabalha para o sucesso da iluminação de LED ...................................... 59
3.11 Análise do impacto do ciclo de vida da lâmpada de LED .................................... 60
3.12 Propriedade intelectual ....................................................................................... 62
3.13 Conclusão do capítulo ......................................................................................... 64
CAPÍTULO 4 ............................................................................................................... 65
4 Metodologia e resultados ......................................................................................... 65
4.1 Introdução ............................................................................................................. 65
4.2 Definição das amostras ......................................................................................... 65
4.3 Metodologia aplicada ............................................................................................ 65
4.4 Resultados ............................................................................................................ 69
4.5 Análise econômica ................................................................................................ 70
4.6 Comparativo de viabilidade econômica entre as três tecnologias (LI, LFC e LED) 71
4.6.1 Cálculo para o custo variável da lâmpada - CVL ..................................... 72
4.6.2 Cálculo para o custo fixo da lâmpada - CFL ............................................ 73
4.6.3 Cálculo do custo total do produto - CTP .................................................. 73
4.7 Economia no consumo de energia elétrica ............................................................ 74
4.8 Comparativo do tempo de retorno do investimento ............................................... 75
4.8.1 Primeira análise comparativo entre as lâmpadas LI x LFC ...................... 76
4.8.2 Segunda análise comparativa entre as lâmpadas LI x LED: .................... 77
4.8.3 Terceira análise comparativa entre as lâmpadas LFC x LED .................. 78
4.9 Conclusão do capítulo........................................................................................... 79
CAPÍTULO 5 ............................................................................................................... 81
5 Economia de energia elétrica ................................................................................... 81
5.1 Introdução ............................................................................................................. 81
5.2 Simulação de consumo de energia elétrica ........................................................... 81
5.3 Panorama sobre a energia elétrica no Brasil em 2021 .......................................... 82
12
5.4 Redução do efeito estufa – CO2 ............................................................................ 86
5.5 Discussão dos resultados ..................................................................................... 87
CAPÍTULO 6 ............................................................................................................... 89
Conclusão ................................................................................................................... 89
BIBLIOGRÁFIA ........................................................................................................... 91
Apêndice A - Tabela de ensaios ................................................................................. 94
Apêndice B - Trabalhos apresentados ........................................................................ 96
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CAPÍTULO 1
1 Introdução
O Brasil faz parte dos países emergentes que desponta para o mundo,
necessitando trabalhar para o crescimento econômico e o desenvolvimento
social, por meio do investimento em planejamento de infraestrutura.
O investimento em infraestrutura não planejado pode ter como resultado
um custo altíssimo para a sociedade brasileira e a iniciativa privada; o retorno
desse investimento é de longo prazo. Como exemplo, temos a construção de
novas usinas para a geração de energia elétrica.
De acordo com dados da International Energy Agency (IEA), 1,6 bilhão
de pessoas no mundo inteiro ainda não tem acesso à energia elétrica. Em
algumas regiões no mundo, a iluminação é feita por lamparinas ou algo similar.
No Brasil, existe um programa do governo federal de acesso à energia elétrica,
o mais ambicioso do mundo, chamado Luz para Todos, que teve início no ano
de 2003 e tem previsão de término no ano de 2015. Esse programa atenderá
por volta de 15 milhões de pessoas, tendo como beneficiados comunidades
isoladas, tais como indígenas, quilombos e pequenos produtores rurais.
No século XI, a iluminação era produzida por combustão: as fogueiras e
as tochas, em um primeiro momento, e depois as lamparinas, que utilizavam
algum líquido inflamável, tornando a luz móvel (CREDER, 2010).
A iluminação elétrica foi descoberta no início do século XIX; muito tempo
depois, por volta de 1870, foram realizadas as substituições dos dispositivos de
iluminação de combustão pelos dispositivos de iluminação por eletricidade.
A humanidade vem tentando conciliar o desenvolvimento e as vantagens
da vida moderna com a conservação do meio ambiente. Para o cumprimento
desses objetivos, são necessárias várias ações, que devem ser realizadas de
forma planejada e integrada.
Atualmente, um dos setores que mais está alinhado com o conceito de
sustentabilidade é o setor elétrico, pois busca o desenvolvimento tecnológico
em eficiência energética de forma racional e eficiente (Brundtland, 1987).
Segundo estudos da IEA, a energia primária pode aumentar em 55% no
período de 2005 a 2030, trazendo sérios riscos à segurança energética e à
sustentabilidade ambiental. Prevendo esse problema, foi desenvolvido um
14
documento com recomendações energéticas a serem implementadas, o que
poderá reduzir a emissão de CO2 (dióxido de carbono) no mundo em 20% por
ano até 2030. Essas recomendações (IEA, 2007) buscam:
• conservar energia a baixo custo;
• corrigir imperfeições ou barreiras de mercado;
• corrigir imperfeições das políticas energéticas existentes;
• encorajar e implementar planos de política energética.
Ainda de acordo com essas recomendações da IEA com relação à
iluminação para todos os países, devem ser tomadas ações para a retirada das
lâmpadas incandescentes tão logo se torne viável tanto economicamente como
comercialmente.
Essas ações governamentais devem seguir a elaboração de um plano
para sua implantação, com metas claras e bem definidas, em conjunto com o
setor industrial, para assegurar a oferta de lâmpadas eficientes e de boa
qualidade para substituir as lâmpadas ineficientes, a serem retiradas do
mercado (IEA, 2010).
Após as recomendações feitas pela IEA, alguns países, como Estados
Unidos da América, Argentina, Austrália, Comunidade Europeia e Brasil,
estabeleceram um cronograma para a retirada das lâmpadas incandescentes
do mercado, e outros ainda estão em estudo (IEA, 2007).
Foi constatado que no ano de 2005 o consumo mundial de energia
elétrica atribuído pelas lâmpadas incandescentes foi por volta de 970TWh. Se
não for realizada nenhuma ação, o consumo de energia elétrica mundial
atribuído pelas lâmpadas incandescentes deve ser por volta de 1610TWh no
ano de 2030.
Se todas as lâmpadas incandescentes do mundo fossem substituídas
por lâmpadas com tecnologia mais eficiente, a economia de energia elétrica
seria de pelos menos 800TWh no ano de 2010. Fazendo uma projeção para o
ano de 2030, a redução poderia ser até maior, chegando a 1200TWh (IEA,
2007).
O grande potencial de economia de energia elétrica com a retirada das
lâmpadas incandescentes do mercado, estas sendo substituídas por lâmpadas
mais eficientes, é considerável; segundo dados, a média é de quatro lâmpadas
incandescentes por residência (EPE, 2012).
15
Quando houve a crise energética no Brasil em 2001, o mercado de
lâmpadas fluorescentes compactas, que eram a principal tecnologia substituta
das lâmpadas incandescentes, cresceu consideravelmente. Hoje, cerca de
76% das residências que utilizavam essa tecnologia, ao fazerem a troca das
lâmpadas fluorescentes compactas queimadas, voltou a utilizar as lâmpadas
incandescentes, devido, principalmente, ao preço mais alto das lâmpadas
fluorescentes compactas (ELETROBRAS/PROCEL, 2007) (PROCEL, 2010).
A lâmpada incandescente é um dispositivo elétrico que transforma
energia elétrica em energia luminosa e energia térmica. Thomas Edison
construiu a primeira lâmpada incandescente utilizando uma haste de carvão
(carbono) muito fina que, aquecida até próximo ao ponto de fusão, passa a
emitir luz. A lâmpada conhecida até hoje utiliza filamento de tungstênio
(CREDER, 2010).
A lâmpada fluorescente foi criada por Nikola Tesla. Ela possui boa
eficiência energética, mas, para seu funcionamento, é utilizado mercúrio,
criando um problema para o meio ambiente, pois pode causar contaminação
nos solos e lençóis freáticos (CERVELIN, 2010).
No sistema de iluminação mundial, houve um aumento de eficiência
luminosa significativa nas últimas décadas. Em 1960, tínhamos uma eficiência
mundial no sistema de iluminação em torno de 18lm/W. Já no ano de 2005,
essa média aumentou para 50lm/W.
O setor residencial tem a menor eficiência luminosa, estimada, em
2005, em aproximadamente 20lm/W, valor muito menor do que a dos setores
comercial (50lm/W) e industrial (80lm/W) (Cea, 2010). São vários os fatores
que podem ser atribuídos à baixa eficiência luminosa do setor residencial. Isso
pode variar de país para país. Um deles pode ser o custo muito menor da
lâmpada incandescente em relação às outras tecnologias (IEA, 2006).
16
1.1 Identificação do problema
A energia elétrica tem um papel fundamental nos dias de hoje, é tida
como um bem de primeira necessidade, onde todo o desenvolvimento existe
em torno dela.
A demanda pelo consumo de energia elétrica no País esta superando a
capacidade de oferta de energia. No setor residencial o consumo de energia
elétrica teve um aumento em 2013 de 6,9% comparando com o ano anterior,
este fator é devido ao aumento da renda da população (EPE, 2012).
Estima-se que o consumo de energia elétrica residencial do Brasil
corresponde a aproximadamente 24% do total fornecido para o mercado
consumidor, sendo que 20% dessa energia utilizada é consumida pela
iluminação.
O Brasil necessita trabalhar para o crescimento econômico e
desenvolvimento social, investindo em planejamento de infraestrutura.
O consumo de energia per capita do País ainda é pequeno comparado
com os países da OECD (Organisation for Economic Co-operation and
Development) e não se poderia esperar que medidas de eficiência energética
tivessem tanto impacto. Segundo estudos, foi constatado que,
proporcionalmente, havendo crescimento da economia, haverá crescimento no
consumo energia elétrica para promover o desenvolvimento (MME, 2010). O
melhor que se pode fazer é utilizar tecnologias modernas e eficientes
introduzidas já no início do processo de desenvolvimento, acelerando seu uso
(PROCEL, 2010).
Durante as últimas décadas, novas tecnologias foram desenvolvidas
para se alcançar uma maior eficiência energética, além de se encontrar formas
alternativas de produzir luz. Como resultado, hoje em dia os países estão
apoiando ações governamentais, implantando programas de eficiência
energética em vários segmentos. Aqui no Brasil, temos um selo de eficiência
energética do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (Procel).
A concretização dessas ações simples é economicamente atrativa,
podendo ser realizada por meio de planejamentos energéticos.
Com um planejamento para a eficiência energética, pode-se reduzir o
consumo de energia elétrica e talvez até adiar a necessidade de investimentos
17
na expansão da capacidade instalada dessa energia, pois a construção de
novas usinas para sua geração implica altos gastos para os cofres públicos, e o
retorno desses investimentos é de longo prazo.
A eficiência energética é a maneira mais efetiva de reduzir os custos e
os impactos ambientais locais e globais. Estudos realizados por um grupo de
especialistas da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) demonstram
que a área de eletricidade deveria ter uma redução 38% com ações planejadas
até 2020 (BAJAY, 2010)
1.2 Objetivo do trabalho
Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo de economia de
energia elétrica para o País com foco na área de iluminação residencial,
utilizando a tecnologia de iluminação do estado sólido LED (diodos emissores
de luz), a fim de obter soluções mais eficientes para nossas residências e para
o meio ambiente, o que será possível com a diminuição da emissão de CO2.
Isso produzirá impacto imediato na utilização de energia elétrica, o que
permitirá o contingenciamento de grandes investimentos de obras em geração
de energia elétrica no Brasil, impactando nos gastos do dinheiro público e
privado.
O consumo consciente de nossas fontes de energia é um tema bastante
discutido atualmente, inclusive pela crescente preocupação da sociedade com
a importância da sustentabilidade. Toda ação tem uma reação, e no sistema
energético não poderia ser diferente. Para satisfazer a energia útil requerida
pela sociedade, pode ocorrer uma degradação do meio ambiente, a fim de
suprir as necessidades humanas (BRUNDTLAND, 1987).
A lâmpada de LED (este considerado um componente eletrônico
semicondutor inorgânico, que converte corrente elétrica em luz) foi criada por
Nick Holonyank. Prometendo ser mais econômica entre todas as tecnologias
apresentadas, sua taxa de eficiência energética está entre 30% e 50%,
podendo atingir uma eficiência luminosa de 85lm/W, com uma reprodução de
cor excelente. Sua vida útil é maior do que as outras tecnologias de lâmpadas
e, além disso, seu uso favorece a redução no consumo de energia elétrica,
trazendo economia para o país. Existem outros avanços importantes na
fabricação dos LEDs, como a criação do novo LED de alto desempenho, que
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chega a uma eficiência energética de 60% (AZEVEDO, 2009) (TOMIOKA J.,
2005).
1.3 Organização do trabalho
Este trabalho é composto de seis capítulos, incluindo este, introdutório.
O capítulo número 2 abordará, com um breve estudo do estado da arte,
conceitos relacionados à iluminação, através da definição de conceitos de
luminotécnica e descrição da tecnologia das lâmpadas. No capítulo número 3,
será realizado o estudo de experiências vivenciadas em outros países, que
baniram as lâmpadas incandescentes de seus mercados internos. No capítulo
número 4 será apresentada a metodologia e os resultados, obtidos em
laboratório, da comparação entre as tecnologias de lâmpadas incandescentes,
fluorescentes e de LED. Será adotada a seguinte estrutura para os
experimentos:
Serão realizados ensaios em uma bancada montada no
laboratório de automação industrial da Fatec-Osasco / ETECGV; alguns
equipamentos que farão parte dessa bancada são: voltímetro, wattímetro,
amperímetro, multímetro/megômetro, luxímetro, osciloscópio. Além disso,
utilizaremos 10 amostras de cada tecnologia adquirida no mercado de
lâmpadas.
Serão levantados estudos comparativos das lâmpadas
incandescentes, fluorescentes e de LED, considerando-se os seguintes itens:
consumo de potência, fator de potência, eficiência luminosa (lm/W),
durabilidade das lâmpadas, vida útil média (h), fluxo luminoso (lm) e viabilidade
econômica.
No capítulo número 5, serão realizadas as simulações com a perspectiva
de economia de energia elétrica e a redução na emissão de CO2 do setor
residencial brasileiro para o ano de 2021, com o banimento do mercado
brasileiro das lâmpadas incandescentes e será realizada uma análise geral
sobre os resultados obtidos com a saída das lâmpadas incandescentes do
mercado brasileiro e entrada da lâmpada de LED em larga escala.
As conclusões do presente trabalho serão apresentadas no último
capítulo.
19
CAPÍTULO 2
2 Estado da arte
2.1 Introdução
Neste capítulo, serão apresentadas uma visão da produção de geração
de energia elétrica no Brasil e uma perspectiva para o futuro, com base na
projeção demográfica populacional do País para 2021.
Serão abordados conceitos fundamentais de iluminação, juntamente
com um breve histórico da evolução das diferentes tecnologias de lâmpadas e
a perspectiva para o futuro da iluminação residencial.
2.2 Produção de energia elétrica do Brasil
No Brasil, o consumo de energia elétrica teve um aumento aproximado
de 4% no ano de 2013 em comparação com o ano anterior, atingindo 465TWh,
e esse aumento deverá evoluir para cerca de 736TWh em 2021, priorizando as
fontes renováveis hidráulica, eólica e biomassa (EPE, 2012).
Segundo um estudo do Ministério de Minas e Energia (MME),
atualmente a participação da capacidade instalada corresponde a 67,8% das
hidráulicas, 30,3% das termoelétricas (gás 11,2%, carvão 2,6% , petróleo 6,0%,
nuclear 1,6% e biomassa 8,9%) eólicas com 1,9% e solar menos de 0,01%.
(MME, 2014)
A geração por fonte de energia eólica será o grande destaque,
aumentando de 1% para 7%, e no final do decênio, a fatia de fontes renováveis
manter-se-á em torno de 83% (EPE, 2012). Com essa expansão, o País terá
investimentos da ordem de R$ 190 bilhões. Ressaltamos que grande parte dos
investimentos refere-se a empreendimentos já autorizados, incluindo as usinas
com contratos assinados nos novos leilões de energia elétrica. O montante de
R$ 100 bilhões será investido em novas usinas que ainda não estão
contratadas e muito menos autorizadas, sendo 55% em hidrelétricas e 45% no
conjunto de outras fontes renováveis.
No Brasil, há mais de 500 empreendimentos, entre eles, alguns em
construção e que já estão autorizados, mas não iniciaram ainda, e devem
aumentar ainda mais a capacidade do parque gerador de energia elétrica do
20
País. Pode ser destacado, ainda, que o aumento da capacidade de geração de
energia elétrica chegou a 50% nos últimos 10 anos (EPE, 2012).
Em 2001, o País viveu uma crise de abastecimento no setor elétrico, e,
por isso, a população foi submetida há vários meses de racionamento de
energia elétrica. Um relatório elaborado pelo Tribunal de Contas da União
(TCU) lançou uma estimativa de que os prejuízos entre 2001 e 2002 foram da
ordem de R$ 45 bilhões (ELETROBRAS/Procel, 2007). No Brasil, a capacidade
instalada da geração de energia elétrica teve um aumento de,
aproximadamente, 4% no ano de 2011, na comparação com o ano anterior,
atingindo a capacidade instalada de 117GW, e esta capacidade instalada
deverá evoluir para cerca de 171GW em 2020, com a priorização das fontes
renováveis (hidráulica, eólica e biomassa) (EPE, 2012). A distribuição do
consumo de energia elétrica está dividida por setor no Brasil, como mostra a
Figura 1.
Figura 1. Consumo de energia elétrica setorizada (MME, 2014).
O setor residencial consome 24% de energia elétrica, sendo que 20% é
aplicado em iluminação. As lâmpadas incandescentes correspondem a 80% da
iluminação residencial do País (EPE, 2010).
48%
24%
13%
8%
4% 3%
CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA POR SETOR
INDUSTRIAL
RESIDENCIAL
COMERCIAL
PUBLICO
AGROPECUARIO
ENERGETICO
21
A energia consumida no setor residencial chegou a 102TWh em 2009;
somente a iluminação residencial teve um consumo de energia de cerca de
14TWh nesse mesmo ano.
Existem novas tecnologias de lâmpadas que podem fornecer maior lm/W
com um custo energético menor do que a tecnologia de lâmpada
incandescente, tornando-a obsoleta (EPE, 2010) (PROCEL, 2010). O País
comercializa cerca de 300 milhões de lâmpadas incandescentes contra 100
milhões de lâmpadas fluorescentes por ano.
Com o fim do uso desse tipo de tecnologia de iluminação (lâmpada
incandescente) até o ano 2016, há uma previsão de economia de 10TWh por
ano até 2030, o que representa uma economia de 4% no consumo residencial
(ELETROBRAS/PROCEL, 2007) (MME, 2010) (PROCEL, 2010).
Isso proporcionará uma economia equivalente a mais do que o dobro
conseguido por meio do selo do Programa Nacional de Eficiência Energética
(Procel, 2010).
2.3 Projeção demográfica do País para o intervalo 2011 - 2021
As estimativas levam em consideração a população brasileira em 2011,
segundo dados preliminares do Censo 2010 realizado pelo Instituto Brasileiro
de Geografia e Estatística (IBGE). Essas projeções são baseadas na
identificação das tendências demográficas observadas nos últimos anos, tais
como a redução das taxas de fecundidade e de mortalidade. Temos, portanto,
uma taxa média de crescimento populacional rapidamente decrescente,
sinalizando o envelhecimento da população brasileira a um ritmo bastante
acelerado.
A projeção para os próximos 10 anos é de um aumento populacional de
cerca de 13 milhões de pessoas. A Tabela 1 apresenta a projeção da
população brasileira para o período 2011-2021 (IBGE, 2012).
Tabela 1. Brasil. Projeção da população (x1000), 2011-2022 (IBGE, 2012)
Ano Habitante (x1000) Variação % ao ano
2011 193.177 -
2016 200.246 0,7
2021 206.167 0,6
22
A projeção do número de domicílios é estimada com base na relação
habitante por domicílio, um indicador cuja evolução pode ser extraída dos
censos realizados. No ano de 2011, a média de habitante por domicilio foi por
volta de 3,3 e atingirá 2,9 habitantes por domicílio no final de 2021 (IBGE,
2012). A tendência decrescente da relação do número de moradores por
domicílio deve-se, especialmente, à queda mais expressiva do crescimento
populacional que, por sua vez, tem reflexo, especialmente, na queda da taxa
de fecundidade total.
Entender as perspectivas de evolução dessa relação é fundamental, já
que, aplicada à evolução da população do IBGE, possibilita estimar o número
total de domicílios, variável fundamental para a projeção do consumo
residencial de energia elétrica.
A Tabela 2 apresenta os resultados das projeções do número total de
domicílios particulares permanentes, e a Tabela 3 mostra os números de
habitantes por domicílios do Brasil e a divisão por regiões para o período de
2011 a 2021 (IBGE, 2012).
Tabela 2. Número de total de domicílios (x1000) 2011-2021 (IBGE, 2012)
Ano Norte Nordeste Sudeste Sul Centro-
Oeste Brasil
2011 4.259 15.295 27.152 9.591 4.547 60.844
2016 4.841 17.002 30.330 10.769 5.175 68.118
2021 5.421 18.734 33.574 11.965 5.783 75.447
Tabela 3. Número de habitantes por domicílio (x 1000), 2011-2021 (IBGE, 2012)
Ano Norte Nordeste Sudeste Sul Centro-
oeste Brasil
2011 4 3,5 3,2 3,0 3,2 3,3
2016 3,7 3,3 2,9 2,8 3,0 3,1
2021 3,5 3,1 2,7 2,6 2,8 2,9
2.4 Conceitos de iluminação e luminotécnicos aplicados à iluminação
Serão abordadas algumas grandezas e conceitos relacionados para o
entendimento dos elementos de iluminação e de luminotécnica. A cada
definição, seguem as unidades de medida e símbolos. Também serão
23
utilizados alguns conceitos de luminotécnica e de física, tais como: conceito de
luz, fluxo luminoso, eficiência luminosa, intensidade luminosa, iluminância,
luminância, curva de distribuição luminosa, temperatura de cor, índice de
reprodução de cores e fator de fluxo luminoso (CEA, 2010).
2.4.1 Conceitos de luz
Essa sensibilidade visual para a luz pode variar de acordo com o
comprimento de onda da radiação e também com a luminosidade. O olho
humano tem uma curva de sensibilidade cuja radiação de menor comprimento
de onda seria de cor violeta e azul (CEA, 2010).
Trata-se de outro modo de uma radiação eletromagnética que está
situada entre a radiação infravermelha e a radiação ultravioleta.
Três grandezas físicas são encontradas na luz, as quais são herdadas
das grandezas de qualquer onda eletromagnética. São elas: intensidade
(amplitude), que se identifica com o brilho, frequência, que se identifica com a
cor, e polarização (ângulo de vibração) (CERVELIN, 2010).
A luz é oriunda de radiação eletromagnética, atribuído um comprimento
de onda (l) determinado por um intervalo (f) realizando a multiplicação é
calculada a velocidade da luz (v) Equação 1; o olho humano é sensível a
somente alguns tipos.
v = lf Equação (1)
A luz é uma radiação eletromagnética capaz de produzir uma
sensibilidade visual (Figura 2).
24
Figura 2. Espectro eletromagnético (RISKS, 2008).
O pico de emissão é aproximadamente de 500nm. O sol emite uma
radiação cujo pico é encontrado na região visível do espectro eletromagnético
(Figura 2) (PANSI, 2006):
10% na faixa do ultravioleta (100nm-400nm);
45% na faixa do visível (400nm-700nm);
45% na faixa do infravermelho (700nm–1000nm).
O espectro visível ocupa uma faixa muito estreita compreendida entre
400nm e 700nm. A radiação visível é limitada pelas radiações ultravioletas e
infravermelhas, estas não visíveis (CREDER, 2010).
2.4.2 Radiação ultravioleta
É um tipo de radiação eletromagnética invisível ao olho humano, com
comprimentos de onda menores que os da luz, visíveis e mais longos que os
dos raios X. A radiação ultravioleta natural é produzida principalmente pelo Sol,
mas nem todos os comprimentos de onda chegam à superfície terrestre (CEA,
2010).
25
2.4.3 Radiação infravermelha
É um tipo de radiação que possui menor energia devido ao fato de ter
comprimentos de onda maiores. Também chamado de radiação térmica, esse
aquecimento é devido à agitação dos átomos e moléculas do material.
2.4.4 Fluxo luminoso (∅)
É a radiação total emitida por uma fonte luminosa por segundo em todas
as direções como mostra a Figura 3, em forma de luz, capaz de estimular a
retina ocular à percepção da luminosidade e sua unidade é o lúmen (lm).
(CERVELIN, 2010)
Figura 3. Fluxo luminoso emitido (OSRAM, 2011).
2.4.5 Eficiência luminosa
É a medida da relação entre a quantidade de luz de uma fonte luminosa
produzida e a energia consumida em watts.
Em outras palavras, essa grandeza retrata a quantidade de "luz" que
uma fonte luminosa pode produzir a partir da potência elétrica de 1 watt; a
unidade utilizada é o lúmen por watt (lm/W). Esse item é o mais importante no
segmento de iluminação: quanto maior o valor do lm/W, maior será sua
eficiência.
A Tabela 4 mostra um exemplo aplicado em duas lâmpadas existentes
no mercado (CEA, 2010).
26
Tabela 4. Exemplo de eficiência luminosa
Tipo Potência
(W)
Lúmen
(lm)
Eficiência luminosa
(lm/W)
Lâmpada
incandescente de
100W
100W 1560 15,6
Lâmpada
fluorescente de 40W 40W 3150 78,8
2.4.6 Intensidade luminosa
É a potência de radiação visível que fica disponível em uma determinada
direção, devido ao fato de uma fonte de luz não emitir a mesma potência
luminosa em todas as direções. O símbolo é (I) e a unidade é candela (cd)
(CERVELIN, 2010).
2.4.7 Iluminância
É a relação entre o fluxo luminoso que incide em uma superfície e a área
dessa superfície, ou seja, é a densidade de fluxo luminoso na superfície sobre
a qual este incide. O símbolo utilizado é (E) e a unidade é o lux (lx). A Tabela 5
mostra a aplicação de iluminância (CERVELIN, 2010).
Tabela 5. Exemplo de aplicação de iluminância Aplicação Iluminância (lux)
Dia ensolarado de verão em local aberto 100.000
Dia encoberto de verão 20.000
Dia escuro de inverno 3.000
Boa iluminação de rua 20 a 40
Noite de lua cheia 0,25
Luz de estrelas 0,01
2.4.8 Luminância
É a intensidade luminosa produzida ou refletida por uma superfície
aparente, através da luminância que o homem enxerga. O símbolo utilizado é
(L) e a unidade é candela por metro quadrado (cd/m2) (CEA, 2010).
27
2.4.9 Temperatura de cor
A temperatura de cor tem relação com a semelhança da luz diurna solar,
ou seja, quanto mais claro o branco, maior a temperatura de cor. Uma luz
amarelada é semelhante a uma lâmpada incandescente com aproximadamente
2700K de temperatura, enquanto uma luz clara (lâmpada fluorescente) tem
6500K de temperatura, conforme mostra a Figura 4 (OSRAM, 2011).
Figura 4. Gráfico de temperatura de cor (OSRAM, 2011).
Podemos ver a diferença entre a luz quente e a luz fria na Figura 5
(OSRAM, 2011).
Figura 5. Temperatura de cor: (A) luz quente e (B) luz fria (OSRAM, 2011).
Deve-se destacar que a eficiência energética de uma lâmpada não tem
nenhuma relação com a cor da luz; a impressão de que quanto mais clara mais
A B
28
potente não é válida. Quando se diz que a iluminação de um ambiente
apresenta luz quente, isso não significa que a luz apresenta uma maior
temperatura de cor, mas sim um tom mais amarelado. Esse tipo de iluminação
tem aplicação em locais onde são desejados ambientes mais aconchegantes,
tais como salas de estar e quartos. Do mesmo modo, quanto mais alta for a
temperatura de cor, mais fria será a luz. Essa iluminação é utilizada para
estimular a realização de alguma atividade, tais como em escritórios e cozinhas
(COSTA, 2010).
Dependendo do tipo de ambiente, há uma cor específica a ser
aplicada. Essa característica é muito importante na hora da escolha da
lâmpada.
2.4.10 Índice de Reprodução de Cor (IRC)
Alguns objetos iluminados podem parecer diferentes, mesmo quando as
fontes de luz têm tonalidades idênticas. Há variação de cor dos objetos quando
iluminados sob fontes de luz com características diferentes. Identificamos aí um
outro conceito, ou seja, através da reprodução de cores e de sua escala
qualitativa no Índice de Reprodução de Cores (IRC). O IRC de uma lâmpada
incandescente é de 100%, é a fonte de luz que mais se aproxima do Sol com
relação à sua reprodução de cores. Quanto maior o IRC, melhor, a sua
reprodução de cores, quanto menor, pior essa reprodução. Existe uma nota de
1 a 100 para o desempenho de outras fontes de luz como padrão, conforme a
Figura 6 (OSRAM, 2011).
29
Figura 6. Tonalidade de cor e reprodução de cores (OSRAM, 2011).
Na Figura 7, temos um exemplo de IRC aplicado em uma foto. O lado
esquerdo apresenta uma iluminação com lâmpada incandescente, chegando a
um IRC de 100%. A foto da direita apresenta uma iluminação com lâmpada
fluorescente, com IRC de 85% (OSRAM, 2011).
Figura 7. Foto (A) IRC 100% e (B) IRC 85% (OSRAM, 2011).
A B
30
2.4.11 Harmônico, qualidade de energia elétrica
Quando se fala em qualidade de energia elétrica, deve-se fazer essa
análise sob o ponto de vista da operação do sistema de distribuição de energia
elétrica.
Há muitos estudos realizados acerca da economia e da influência do
controle de potência de energia que são utilizados nos processos, provocando
impacto direto na distribuição de energia elétrica.
Se o controle de energia não for aplicado apropriadamente, pode haver
prejuízos à qualidade de energia elétrica e a outros equipamentos que estão
ligados na mesma rede de distribuição.
A harmônica é a componente de uma onda periódica cuja frequência é
múltiplo inteiro da frequência fundamental de 50Hz ou 60Hz, em que a
resultante afeta os efeitos dela. A harmônica na rede elétrica pode ocorrer
quando são ligadas cargas não lineares, ou seja, uma carga que passa uma
corrente com uma forma de onda diferente da forma de onda da tensão da
rede.
Como são muitos os equipamentos que geram harmônicos na rede, é
utilizado um parâmetro chamado Total Harmonic Distortion (THD) ou Distorção
Harmônica Total. Seu objetivo é avaliar a importância das componentes
harmônicas em um sinal.
Os harmônicos na rede elétrica deterioram a qualidade da energia e
podem causar diversos efeitos, sendo o mais preocupante a sobrecarga dos
circuitos elétricos, principalmente o condutor neutro.
Esses harmônicos são criados devido à presença de equipamentos
eletrônicos na rede, principalmente os chaveamentos, e podem distorcer as
formas de onda da tensão e corrente (PANSI, 2006).
2.4.12 Fator de potência
Fator de potência (FP) é a relação entre a potência ativa e a potência
aparente Equação 2 . Ele indicará o índice, o quanto de energia aparente
fornecida pela concessionária é transformado em energia para realizar o
trabalho. Quanto maior for o índice, maior será o aproveitamento de energia
pelo consumidor, podendo variar de 0% a 100%. Um baixo índice de fator de
31
potência pode provocar vários problemas, como variação de tensão, diminuição
do aproveitamento da capacidade dos transformadores e dos circuitos
elétricos, aquecimentos dos condutores, entre outros. O Programa Brasileiro de
Etiquetagem (PBE) determina que o fator de potência deve estar o mais
próximo de 100%, com um valor mínimo especificado de 0,92% (CERVELIN,
2010).
Equação (2)
2.5 Desenvolvimento das tecnologias de lâmpadas
No século XI, a iluminação era produzida por combustão: as fogueiras e
as tochas, em um primeiro momento, e depois as lamparinas, que utilizavam
algum líquido inflamável, tornando a luz móvel. De seu início até hoje, a luz já
sofreu muitas alterações.
A produção de luz era algo completamente diferente; a iluminação
pública era a gás, perigosa e poluente, passando do princípio químico para o
princípio da física (TOMIOKA J., 2005).
A primeira lâmpada a ser produzida comercialmente foi a incandescente.
Thomas Edison ficou com a fama, mas quem realmente a inventou, por meio
de experiências pioneiras, foi o inglês Humphy Davy na década de 1800.
A iluminação elétrica foi descoberta no início do século XIX. Muito tempo
depois, por volta de 1870, foi realizada a substituição dos dispositivos de
iluminação de combustão pelos dispositivos de iluminação por eletricidade. A
Figura 8 mostra a evolução da iluminação (AZEVEDO, 2009)
32
Figura 8. Evolução da iluminação: (A) fogueira, (B) vela, (C) lamparina de óleo, (D) lamparina a gás, (E) lâmpada
incandescente, (F) iluminação do estado sólido (IEA, 2007).
2.5.1 Tecnologia das lâmpadas
Serão apresentadas a seguir as principais tecnologias em lâmpadas,
aplicadas no setor de iluminação residencial mais utilizada em todo o mundo e
no Brasil. São elas: as lâmpadas incandescentes, fluorescentes e de LED,
estas últimas a proposta desta pesquisa.
2.5.2 Lâmpada incandescente
Entre as contribuições mais universais de Thomas Edison para o
desenvolvimento tecnológico e científico, encontra-se a primeira lâmpada
elétrica incandescente (Figura 9). Essa invenção, em 1879, pôs fim ao uso de
materiais combustíveis para a iluminação (S.A., 1993).
Figura 9. Primeira lâmpada incandescente. (a) Versão de laboratório e (b) versão comercial (The Lighthouse Society of Great Britain, 2005).
A lâmpada incandescente atual, como mostra a Figura 10, é um
dispositivo elétrico que transforma energia elétrica em energia luminosa e
energia térmica.
A B C D E F
A B
33
A primeira lâmpada incandescente utilizava uma haste de carvão
(carbono) muito fina que, aquecida até próximo ao ponto de fusão, passava a
emitir luz.
Figura 10. Lâmpada incandescente (Autor).
O termo incandescência refere-se ao estado de um corpo que será
elevado a uma alta temperatura, emitindo radiação, fazendo com que esse
corpo torne-se luminoso (CREDER, 2010).
A melhor maneira de fazer isso em uma lâmpada incandescente é por
meio de um filamento através do qual passa corrente elétrica, realizando um
aquecimento a temperaturas de 3000K. Com essa temperatura alta, o filamento
torna-se a incandescência branca e quente. Quanto maior a temperatura do
filamento, maior será a luz visível emitida, porém, a taxa de evaporação
também será maior, significando menor tempo de vida da lâmpada (OSRAM,
2011).
O filamento tem de satisfazer alguns requisitos para não se romper:
suportar o ponto de fusão elevado ao atingir elevadas temperaturas, suportar a
resistência mecânica de vibrações e proteção contra a oxidação, a fim de ser
utilizado por várias vezes, tendo, portanto, um tempo de vida longo.
Atualmente, os filamentos são fabricados com tungstênio; seu ponto de
fusão é muito alto, chegando a 3410K, com uma baixa taxa de evaporação
quando submetidos a temperaturas elevadas. O material e a concepção do
filamento beneficiam a redução da evaporação, a perda térmica e a eficiência
da lâmpada.
A taxa da perda de calor é proporcional ao comprimento. Se o filamento
é enrolado, a evaporação é lenta, se comparado com um filamento linear; a
concepção do comprimento e do diâmetro do fio é determinada em função da
tensão e da corrente de operação, respectivamente.
34
Em relação ao bulbo de vidro, sua função é isolar o filamento do meio
externo. É utilizado vácuo para lâmpadas menores de ou iguais a 40W ou gás
inerte argônio para lâmpadas maiores de 40W. O gás é utilizado a fim de
resolver os problemas dos tipos de: diminuição da evaporação, oxidação do
filamento e escurecimento da lâmpada devido à eliminação de
tungstênio(CERVELIN, 2010).
A lâmpada incandescente apresenta uma eficiência energética com um
rendimento mínimo de apenas 5% da energia elétrica consumida transformado
em luz, e os outros 95%, transformados em calor.
A eficiência luminosa é muito baixa, ficando em torno de 17lm/W; em
consequência de suas altas temperaturas, sua vida útil é baixa, por volta de
750 horas.
2.5.3 Lâmpada fluorescente
Em 1938, Nikola Tesla foi o homem que "espalhou luz sobre a face da
Terra". Era conhecido por suas contribuições revolucionárias no campo do
eletromagnetismo no fim do século XIX e início do século XX.
Ele também introduziu no mercado a lâmpada fluorescente, tendo uma
grande eficiência luminosa por emitir mais energia eletromagnética em forma
de luz do que de calor.
O princípio de funcionamento da lâmpada fluorescente começa com uma
descarga entre os catodos de tungstênio, onde irá produzir luz dentro do tubo
com vapor de mercúrio de baixa pressão juntamente com um gás inerte,
podendo ser argônio ou mistura de argônio mais criptônio. Uma cápsula com
líquido de mercúrio também é colocada dentro do tubo, e com essa mistura
haverá uma boa conversão de energia elétrica em energia radiante,
principalmente na luz ultravioleta.
A face interna do tubo de vidro é revestida por fósforo, com uma
espessura específica, onde produzirá o efeito de conversão da luz fluorescente
ultravioleta para luz visível. O fósforo pode ser um material fluorescente ou
fosforescente, cuja propriedade é absorver a luz de um comprimento de onda e
depois emiti-la.
O vidro é transparente à luz visível, mas impede que escape a luz
ultravioleta. O material de construção do tubo de vidro geralmente é feito de um
35
material de carbonato de sódio; a eficiência da lâmpada depende da forma do
tubo, ou seja, quanto mais longo for o tubo, maior é sua eficiência(CERVELIN,
2010).
Comparando com a lâmpada incandescente, a faixa da temperatura de
cor é próxima de 3000K, o que significa uma luz quente. Já para a lâmpada
fluorescente, a faixa da temperatura de cor é em torno de 6500K (cor fria),
semelhante à luz natural.
A energia elétrica é convertida em luz ultravioleta com uma eficiência por
volta de 63%, enquanto o restante é dissipado com calor na descarga dos
eletrodos. Cerca de 40% da luz ultravioleta é, então, absorvido pela substância
fosforescente sendo emitida como luz visível e o resto é perdido. Em termos
gerais, 20% do consumo de energia elétrica é convertido em luz visível
(CERVELIN, 2010).
A lâmpada fluorescente, ao contrário da lâmpada incandescente, possui
uma grande eficiência luminosa que pode chegar até cinco vezes mais do que
a lâmpada incandescente, superando os 70lm/W, por emitir mais energia
eletromagnética em forma de luz do que a produção de calor. Sua vida útil
pode ultrapassar 8.000 horas de uso (CEA, 2010).
A eficiência luminosa pode ser reduzida em ambientes frios. As
temperaturas ideais para sua aplicação são de 15ºC a 30ºC. Assim, pode-se
obter uma economia de 80% de energia elétrica, porém, seu custo de aquisição
é maior que o da lâmpada incandescente. A Figura 11 mostra uma lâmpada
fluorescente no formato tubular longo (CERVELIN, 2010).
Figura 11. Características construtivas de lâmpada fluorescente tubular (CERVELIN, 2010).
Já por volta dos anos 80, foi criada uma lâmpada fluorescente de
tamanho reduzido, para aumentar o gama de aplicações de iluminação
fluorescente. O principal objetivo de seu desenvolvimento era que substituísse
diretamente a lâmpada incandescente. Conhecidas como lâmpadas
36
econômicas, construídas de diferentes formas (Figura 12), o tubo pode ser em
espiral ou tubular com um, dois, quatro ou mais paralelos ramificados e possui
um diâmetro muito reduzido, de cerca de 10mm a 16mm (CERVELIN, 2010)
(CEA, 2010).
Figura 12. Modelos de lâmpadas fluorescentes compactas: (A) Tubular com dois tubos paralelos, (B) tubo espiral e (C) tubular com quatro
paralelos (OSRAM, 2011).
2.5.4 Reciclagem de lâmpadas com mercúrio
A reciclagem adquire, agora, um papel importante na área de
iluminação. Com o aumento da utilização das lâmpadas fluorescentes
compactas, torna-se necessário um cuidado maior no final de sua vida, pois
essa tecnologia pode trazer um problema ambiental, aja que o mercúrio
encontrado em seu interior pode contaminar os aterros sanitários e lençóis
freáticos.
As lâmpadas fluorescentes compactas contêm, em seu interior, 5mg de
mercúrio, componente essencial para o seu funcionamento. Segundo alguns
dados, somente 4% da produção das lâmpadas fluorescentes compactas é
reciclado (IEA, 2010).
2.5.5 Lâmpada do estado sólido para iluminação (LED)
A lâmpada de estado sólido para iluminação (LED) foi criada por Nick
Holonyank, por volta de 1960. Ele inventou o primeiro espectro visível de LED,
A B C
37
que levou o nome, na época, de “o mágico”, pois sua luz era visível ao olho
humano, ao contrário dos lasers infravermelhos.
Apesar de terem sido descobertos há muito tempo, a eficiência dos
materiais de estado sólido para iluminação era restrita às cores básicas:
vermelho, verde e, por último, azul.
Essa descoberta tinha pouca eficiência luminosa, sendo inferior às
lâmpadas convencionais da época. Seu custo era muito elevado, o que
restringiu a aplicação dos LEDs à área eletrônica.
Para a aplicação na iluminação residencial, os domínios ficavam com as
tecnologias incandescente e fluorescente compacta (NOVOA, 2010).
O conceito do estado sólido para iluminação é utilizado para definir que
a luz emitida a partir de um objeto sólido, em vez de usar descargas por meio
de um gás no caso da lâmpada fluorescente ou utilizando filamento utilizado
em lâmpada incandescente.
A luz é normalmente emitida por eletroluminescência em dispositivos
chamados diodos emissores de luz ou LEDs. Se a tensão aplicada entre o
anodo e catodo do semicondutor for um valor adequado do material do tipo n e
as lacunas do material do tipo p, ambos se deslocam em direção à junção p-n.
Para o seu funcionamento, um excesso de elétrons livres é necessário na
banda de condução e um excesso de buracos livres, na banda de valência, que
é produzida por uma injeção de corrente. Quando a tensão é aplicada, existe
uma injeção de elétrons a partir da camada n, bem como os furos da camada
p, e elétrons e buracos recombinam-se radiativamente. Se o elétron encontra
um buraco, caindo de banda de condução (alto nível de energia) para banda de
valência (baixo nível de energia), liberta energia na forma de um fóton que
transporta a luz, como mostrado na Figura 13 (AZEVEDO, 2009)
Em seguida, dependendo da energia, a distância entre os níveis de
elétrons e lacunas que estão diretamente em função do material utilizado
determinará o comprimento da onda de energia e, consequentemente, a cor da
luz emitida (CEA, 2010).
38
Figura 13. Funcionamento de um LED (AZEVEDO, 2009).
Para a criação do LED de luz branca, são utilizados diferentes métodos:
A luz azul com amarelo fosforescente: utiliza revestimento de
fósforo para converter parte da luz azul em amarelo e, em seguida, há a
combinação de azul e amarelo, o que é uma maneira barata de produzir
luz branca.
A luz azul com vários fósforos: cada fósforo emite uma cor
diferente; essa mistura com azul emite uma luz branca de melhor
qualidade, porém mais cara.
A luz ultravioleta com fósforos RGB (Red, Green e Blue): a luz
ultravioleta é convertida utilizando esses fósforos para gerar uma vasta
gama do espectro. A temperatura de cor da luz branca pode ser feita de
uma faixa aberta. Assim, pode ser feita uma luz branca (Figura 14) com
temperatura de cor de 3500K mais perto de incandescente até muito
branco frio com temperatura de cor de luz de 8000K.
Figura 14. Mistura aditiva de cores (AZEVEDO, 2009).
39
Os materiais de estado sólido para iluminação são monocromáticos, ou
seja, geram apenas uma cor, dependendo do tipo de material utilizado, tais
como arsênio, fósforo e galênio. Já nas lâmpadas incandescentes, a
abrangência é de todo o espectro de cores.
As novas soluções materiais do estado sólido para iluminação podem
estar alterando a decoração das casas das cidades ao oferecer uma gama de
cores abrangente com essa evolução, ganhando rapidamente o mercado de
iluminação (DOE, 2010).
Estudo do setor mostra que o mercado mundial do material de estado
sólido para iluminação atingiu um bilhão de dólares em vendas no ano de 2012.
O mercado acreditava que a maioria das aplicações dessa tecnologia era para
iluminação de luz colorida, porém, o mercado já corresponde a 60% de luz
branca em suas aplicações na área de iluminação nesse mesmo ano (CHUNG,
2012)
Essa tecnologia de iluminação promete uma grande economia de
energia elétrica para o futuro. Hoje, ela vem sendo produzida com um custo
cada vez menor, porém, o custo para sua aquisição, comparando-se com as
outras tecnologias existentes no mercado, é oneroso. A utilização dessa
tecnologia de lâmpadas faz a conta de luz ficar mais barata, o que deve
provocar um aumento na produção em larga escala e, como consequência, o
valor desse produto tende a cair (IEA, 2010) (TOMIOKA J., 2005).
A tecnologia de estado sólido para iluminação possui taxas de eficiência
energética entre 30% e 50%, e a eficiência luminosa continua a se desenvolver
intensamente, podendo chegar a cerca de 100lm/W na iluminação de luz
branca, dependendo da tecnologia com que é fabricada. A Figura 15 mostra a
evolução das tecnologias das lâmpadas em um momento na linha do tempo de
1950 a 2025, em a lâmpada fluorescente terá uma evolução quanto à eficiência
luminosa e depois mostra a rapidez com que as lâmpadas de LED no mesmo
período supera a eficiência luminosa das outras tecnologias (IEA, 2010).
40
Figura 15. Evolução da tecnologia das lâmpadas utilizadas em iluminação (TSAO, 2004)
A tecnologia de estado sólido para iluminação tem uma vida útil acima
de 25.000 horas, mas já existem protótipos que atingiram entre 50.000 a
100.000 horas de vida útil. A Figura 16 mostra alguns modelos de lâmpadas de
LED (DOE, 2010).
Figura 16. Vários modelos de lâmpadas LED (OSRAM, 2011).
2.5.6 Lâmpada do estado sólido para iluminação - Organic Light-Emitting Diode
(OLED)
A tecnologia OLED (Organic Light-Emitting Diode) vem com a criação de
um novo produto de alto desempenho, com o nome de LEDs orgânicos, que
ganham 60% em eficiência luminosa, emitindo luz branca comparável à luz do
Sol.
41
Os ganhos não são poucos; o novo LED possui uma luz mais agradável
aos olhos humanos, a sensação de uma luz mais quente e mais brilhante,
conforme mostra a Figura 17, consumindo menos energia elétrica, tendo uma
maior eficiência e uma maior vida útil. Essa produção é ainda pequena e está
voltada mais para as áreas de pesquisa (DOE, 2010) (IEA, 2010).
Figura 17. Tipos de LED: (A) LED tradicional e (B) OLED que emite uma luz branca mais pura (IEA, 2013).
Essa tecnologia relativamente nova é consiste na utilização de materiais
semicondutores orgânicos à base de carbono, ao invés de inorgânicos, como
nos LEDs. Sua principal diferença quando comparado com LEDs comuns é que
LEDs emitem luz em pontos, enquanto OLED pode emitir luz difusa, que é
distribuída ao longo de uma tela inteira ou de uma superfície.
A iluminação OLED terá abrangência em alguns ambientes, como locais
de trabalho, áreas públicas, habitações, e em meios de transporte, como
automóveis, trens e aviões. Essa fonte de luz permite uma melhoria
significativa na aparência dos espaços em que são aplicados, sendo possível a
criação de painéis de vidro que podem ser acesos por meio de um interruptor,
ou janelas iluminadas que, à noite, emitem uma iluminação delicada para o
ambiente, conforme mostrado na Figura 18 (COSTA, 2010)
B A
42
Figura 18. Iluminação de OLED (COSTA, 2010).
O princípio de funcionamento do OLED é a eletrofosforescência e sua
construção consiste em várias camadas orgânicas ou camadas poliméricas
finas, que formam os elétrons, camadas emissivas e a camada condutora de
furos.
Entre eles, encontram-se os dois eletrodos de metal, de cátodo e ânodo,
com um deles transparente e o outro, uma reflexão espelho, conforme é
mostrado na Figura 19 (CHUNG, 2012).
O OLED consiste nas seguintes partes:
Cátodo: pode ou não ser transparente, dependendo do tipo de
OLED – o cátodo injeta elétrons quando a corrente passa através
do dispositivo.
Camadas orgânicas: são feitas de moléculas orgânicas ou de
polímeros.
Camada condutora: é feita de moléculas de plástico orgânico
que transportam "buracos" do ânodo. Um polímero condutor
usado nos OLEDs é a polianilina.
Camada emissiva: feita de moléculas plásticas orgânicas
(diferente da camada condutora), que transportam elétrons do
43
cátodo. É aqui que a luz é gerada. Um polímero usado na
camada emissiva é o polifluoreno.
Ânodo (transparente): remove elétrons (adiciona "buracos" de
elétron) quando uma corrente passa através do dispositivo.
Substrato (plástico transparente, vidro, lâmina): o substrato dá
suporte ao OLED.
Figura 19. Camada de aplicação de OLED (CHUNG, 2012).
Tal como em LEDs, a tensão é aplicada fazendo com que o ânodo
positivo transportado respeite o cátodo, de modo que o fluxo de elétrons seja
do cátodo para o ânodo, enquanto os furos são gerados na camada condutora.
Portanto, torna-se a camada emissiva carregada negativamente, enquanto a
camada condutora de carga positiva com elétrons e buracos recombinem
radiativamente emissores de fótons e, consequentemente, a luz. Dependendo
dos materiais de cores diferentes, são emitidas no visível espectro e sua
combinação pode gerar luz branca (CEA, 2010).
2.5.7 Tecnologia Field Emission Display (FED)
O FED é uma nova tecnologia de iluminação desenvolvida que realiza a
emissão de campo elétrico aplicado, criado por uma separação de carga muito
forte para puxar os elétrons de um nanotubo de carbono. Estes são cilindros
ocos muito pequenos, que emitirão um fluxo de elétrons acelerados através do
vácuo para a visualização na tela. A superfície interna da tela é revestida com
os fósforos que iluminam, quando eles são excitados pelos elétrons. Os
44
fósforos na tela representam os pixels que iluminam a luz vermelha, azul e
verde para produzir uma imagem colorida, como um display eletrônico visual,
visíveis ao olho humano, como mostra a Figura 20 (CHUNG, 2012)
Figura 20. Aplicação de uma tela flexível (FED) (CHUNG, 2012)
O FED oferece melhor qualidade, maior economia de energia elétrica e
não contém materiais perigosos ao meio ambiente, como o vapor de mercúrio
utilizado em lâmpadas fluorescentes, mas o custo para sua fabricação em larga
escala ainda é muito elevado (CHUNG, 2012).
Essa tecnologia pode corresponder exatamente ao espectro de luz
natural e pode produzir uma variedade mais ampla de cores do que os diodos
emissores de luz (LEDs). Eles são até cinco vezes mais eficientes do que as
tecnologias existentes (CHUNG, 2012).
2.6 Vantagens e desvantagens dos materiais de estado sólido para
iluminação
Como a lâmpada de LED é um produto que vai quebrar as paradigmas do
mercado de iluminação, existem algumas vantagens e desvantagens:
Vantagens:
Compatibilidade de aplicação com as outras tecnologias de
lâmpadas.
Projetos compactos devido às suas dimensões.
O potencial de dimmig (sem alteração na temperatura da cor).
45
Ajustes de várias cores de luz.
Redução no custo de manutenção.
Alta eficiência luminosa.
Redução dos níveis de calor, diminuindo o risco de queimaduras.
Maior eficácia em baixas temperaturas (até -40ºC).
Emissão precisa direcionada sem acessórios ou refratores.
Vida útil longa, de 2 a 3 vezes mais do que a lâmpada
fluorescente.
Não contamina o meio ambiente por não conter mercúrio.
Desvantagens:
Taxa de retorno. Se for comparado de forma imediata, o LED
pode afastar clientes novos, pois ainda é um investimento caro, porém a
tendência é de abaixar o custo do produto.
Nem sempre a luminária é adequada para receber a lâmpada de
LED, devendo-se procurar uma solução para não comprometer a vida
útil do produto.
Falta de uma norma específica para o produto no mercado.
2.7 Aplicação em produtos utilizando LED
A utilização dos materiais do estado sólido começou no final dos anos
1960. As primeiras aplicações eram conhecidas como pequenas lâmpadas
aplicadas em diversos tipos de aparelhos eletrônicos usados para indicadores.
Mais tarde, teve aplicações em displays de calculadoras e relógios eletrônicos.
Hoje podemos encontrar aplicação dos materiais do estado sólido em
diversas áreas, como:
Em grandes cidades: aplicação nos semáforos e nas demais
sinalizações de trânsito.
Na área automobilística: nos painéis, faróis e lanternas de
automóveis.
Em diversas áreas da Medicina: podem ser encontrados em
tratamentos para o combate ao câncer e odontológicos, para
polimerização de compostos dentários.
46
Na Botânica: utilizados para acelerar no processo de fotossíntese
das plantas, aumentando seu crescimento.
Na instrumentação: em sensores de fluorescência e
espectroscopia.
Na eletroeletrônica: utilizados em TVs de LED, monitores de
computadores, notebooks, smartphone, tablets, lâmpadas residenciais,
públicas, entre outras.
A Figura 21 mostra algumas aplicações.
Figura 21. Aplicações utilizando matérias de estado sólido (DOE, 2010).
47
CAPÍTULO 3
3 Políticas de eficiência energética
3.1 Introdução
Neste capítulo abordaremos planos adotados por alguns países para a
retirada das lâmpadas incandescentes do mercado.
A International Energy Agency (IEA) recomenda que os países realizem
um planejamento para a adoção de uma política de eficiência energética,
promovendo, entre outras ações, a retirada da lâmpada incandescente do
mercado. Vários países tais como: Austrália, Argentina, Estados Unidos da
America, Brasil entre outros da comunidade européia têm adotado políticas
energéticas em que é considerada a viabilidade da implantação dessas
medidas, considerando os aspectos econômicos, técnicos e legais dentro da
especialidade de cada país (BASTOS, 2011) (IEA, 2010).
3.2 Comunidade Europeia
Em 2007, nos 27 países do bloco da Comunidade Europeia, havia um
total de 4 bilhões de pontos de iluminação com lâmpadas incandescente,
halógena e fluorescente compacta, sendo o consumo anual de eletricidade de
112TWh. A despesa anual foi calculada em aproximadamente 15 bilhões de
euros, e a emissão de CO2 no meio ambiente ficou em 48 milhões de toneladas
(COMMUNITIES, 2009)
Este estudo mostrou ainda que, no ano de 2007, o mercado de
lâmpadas sinalizava a venda de 690 milhões de lâmpadas fluorescentes
compactas contra o domínio de 767 milhões de unidades das lâmpadas
incandescentes. O domínio das lâmpadas incandescentes instaladas nas
residências corresponde a 54% do total de lâmpadas ou, aproximadamente,
cerca de 3 bilhões de unidades (BASTOS, 2011) (COMMUNITIES, 2009).
Houve um planejamento estratégico para a implantação do programa de
etiquetagem (Figuras 22 e 23), que classificaria a eficiência energética de
equipamentos, cujo início foi no ano de 1992, na Comunidade Europeia. Essa
classificação variava do mais eficiente, indicado com a letra A, até o menos
eficiente, indicado com a letra G. No caso das lâmpadas, foram atribuídas
classificações A e B para lâmpadas com eficiência energética e E, F ou G para
48
lâmpadas menos eficientes, buscando-se estimular os consumidores a
escolherem lâmpadas com tecnologia mais eficiente (COMMUNITIES, 2009).
Figura 22. Etiqueta de eficiência energética implantada na UE em 1992 (COMMUNITIES, 2009)
Figura 23. Nova etiqueta de eficiência energética implantada na UE em 2011 (CHUNG, 2012).
Foi grande a arquitetura política para estimular o consumo de lâmpadas
com eficiência energética, segundo estudo apresentado para a Comunidade
Europeia no ano de 2007 (CEA, 2010).
Depois desse estudo, houve um planejamento com a tomada de
medidas drásticas para a substituição das lâmpadas incandescentes, menos
eficientes, atingindo-se uma projeção de redução, por volta, de 39TWh de
49
consumo de energia elétrica na Comunidade Europeia e uma diminuição do
custo da rede elétrica de 22 euros em 2020, se compararmos com um cenário
sem proibição de lâmpadas com pouca eficiência (BASTOS, 2011).
Se os preços médios da eletricidade no ano de 2005 dos países da
Comunidade Europeia fossem de 14 centavos de euro por kWh, estimou-se
uma economia de 5 bilhões de euros, conforme apresentado na Tabela 6.
Tabela 6. Resultado da política de eficiência energética
Economia
estimada
Energia elétrica
economizada
(TWh)
Custo evitado (bilhões
de Euros)
Redução de emissão de
CO2 (milhões de
toneladas)
2009 - 2020 399 54 160
2020 39 5 15
Só na Europa, 32 milhões de toneladas de carbono são despejadas na
atmosfera por ano. Foi estimada, com a saída da lâmpada incandescente do
mercado, a redução de emissão de carbono, que poderia chegar a 160 milhões
de toneladas no período de 2009 a 2020 e de 15 milhões de toneladas de
carbono somente para o ano de 2020 (COMMUNITIES, 2009).
A entrada da lâmpada fluorescente compacta gerou outro problema:
apenas 20% das lâmpadas são recicladas corretamente, o restante tem como
destino aterros sanitários. Lembramos que, no interior dessa tecnologia de
lâmpada, é encontrado o mercúrio, metal pesado contaminante para o meio
ambiente (CEA, 2010).
3.3 Austrália
Em estudo realizado para a eficiência energética em iluminação para a
Austrália, foi estimado que o consumo anual de energia elétrica em iluminação
do país no ano de 2004 foi de 27TWh no parque de lâmpadas de diversos
setores.
Com isso, foi elaborada uma campanha de conscientização através da
etiquetagem, que permite a comparação dos produtos segundo sua eficiência
energética. Esse processo começou nos anos 1980, em equipamentos
50
eletroeletrônicos, porém somente mais tarde foi utilizado em lâmpadas de
eficiência energética (Figura 24) (CEA, 2010).
Figura 24. Etiqueta de eficiência energética da Austrália (CEA, 2010).
Para o planejamento dessa política de eficiência energética, foi
desenvolvida uma estratégia de comunicação para orientar o consumidor na
hora da compra de lâmpadas, focando e eficiência energética.
É importante a colaboração de vários tipos de canais de comunicação,
como vendedores de lojas devidamente treinados, profissionais do designer, os
quais estão envolvidos com reformas ou com novos empreendimentos,
instaladores de equipamentos elétricos, atendentes que prestam serviço por
telefone para esclarecer dúvidas do consumidor, displays e panfletos
informativos em pontos de vendas de lâmpadas indicando quais são as opções
com mais eficiência energética (CEA, 2010).
3.4 Argentina
No ano de 2005, a Argentina iniciou um projeto para doar lâmpadas
eficientes, buscando promover a eficiência energética. As lâmpadas
fluorescentes de 18-20W substituiriam as lâmpadas incandescentes de 60W,
70W e 100W.
Esse planejamento elaborado pelo governo previa uma doação de 5
milhões de lâmpadas no ano de 2008, 10 milhões de lâmpadas no ano de 2009
e 10 milhões de lâmpadas no ano de 2010 (CEA, 2010).
Com a substituição das lâmpadas de menor eficiência por lâmpadas
mais eficientes, haveria uma redução de 2.048GWh de energia elétrica
consumida em iluminação projetada para o ano de 2010, e de 1.246MW em
51
uma demanda esperada, comparando-se com um cenário sem nenhuma ação
efetiva no mercado de iluminação residencial (BASTOS, 2011).
A Tabela 7 mostra o resultado da evolução ano a ano da substituição
das lâmpadas.
Tabela 7. Plano de substituição das lâmpadas com pouca eficiência por lâmpadas eficientes (BASTOS, 2011)
Resultados obtidos
Ano da doação
Mercado Unidade 2008 2009 2010
Lâmpadas sem eficiências GWh 7020 7257 7501
Lâmpadas com eficiências GWh 6611 6028 5453
Economia GWh 409 1229 2048
No final do ano de 2008, o governo proibiu a importação e
comercialização de lâmpadas incandescentes para uso residencial em todo o
país, ou seja, somente lâmpadas eficientes poderiam ser comercializadas
(CEA, 2010) (IEA, 2009).
3.5 Estados Unidos da América
No ano de 1979, começou a ser implantado um programa de
etiquetagem americana de eficiência energética conhecido como EnergyGuide.
A partir de 1992, ele passou a ser aplicado em diversos equipamentos
eletroeletrônicos.
O Enviromental Protection Agency (EPA) lançou nos Estados Unidos um
selo chamado Energy Star, que tinha a função de indicar aos consumidores os
equipamentos mais eficientes energeticamente. Sua aplicação em lâmpadas
começou somente em 1994, trazendo algumas características do produto:
luminosidade em lumens, potência em watts e vida útil em horas.
Em 1999, passaram a fazer parte do programa de eficiência energética
as lâmpadas fluorescentes compactas, que receberam o selo Energy Star,
conforme mostrado na Figura 25 (DOE, 2007).
52
Figura 25. Mostra identidade visual do Selo Energy Star (DOE, 2007).
Os Estados Unidos da América, sob a responsabilidade do Department
of Energy (DOE), apresentou, no ano de 2002, um estudo segundo o qual
havia aproximadamente 4 bilhões de lâmpadas incandescentes sendo
utilizadas, as quais consumiam cerca de 286TWh de energia elétrica por ano,
estando 58% delas no setor residencial. A pesquisa foi elaborada pela National
Electrical Manufaturers Association (Nema), cujas empresas associadas
venderam para o mercado consumidor americano, em 2006, cerca de 1,7
bilhão de lâmpadas. Destas, 1,5 bilhão eram incandescentes e apenas 200
milhões eram lâmpadas fluorescentes compactas (DOE, 2007).
A Nema foi favorável a um programa nacional de eficiência energética
no ano de 2007 para a eliminação progressiva das lâmpadas incandescentes
do mercado, com o intuito de conservação de energia.
No mesmo ano, foi assinada uma lei cuja proposta era o banimento das
lâmpadas incandescentes entre 2012 a 2014 naquele país. Um estudo
preliminar destaca uma redução de 81TWh em 2020, que significa uma
redução de 10GW e de 16 milhões de toneladas de CO2 emitido no horário de
pico devido à política de eficiência energética adotada (IEA, 2007) (DOE,
2010).
No início de 2007, foi lançado nos Estados Unidos um movimento
chamado 18seconds.org. De acordo com seus organizadores, esse é o tempo
que se gasta para trocar uma lâmpada convencional por uma econômica. Com
a mensagem “Troque uma lâmpada, troque tudo”, que teve o apoio e a
divulgação do megaportal Yahoo, o movimento contabilizou mais de 55 milhões
de lâmpadas trocadas. Com essa mudança, evitou-se a queima de mais de 3
milhões de toneladas de carvão e a emissão de 11 milhões de toneladas de
CO2. Essa quantidade foi bastante significativa. Para se ter um comparativo,
durante um voo de São Paulo a Nova York, um jato emite cerca de 3 toneladas
de CO2. Isso significa que, para emitir a mesma quantidade de CO2
53
economizada pela troca das lâmpadas nos EUA, uma pessoa teria de fazer 4
milhões de viagens de São Paulo a Nova York.
Com o sucesso dessa medida, outros países também passaram a adotar
programas de eficiência energética.
3.6 Movimento no Brasil
O Brasil deve substituir as lâmpadas incandescentes até o ano de 2016.
Com essa iniciativa, deverá alcançar uma economia anual de energia elétrica
da ordem de aproximadamente de 7TWh por ano, o equivalente à construção
de uma usina de 2GWh de capacidade instalada.
Para avaliar os impactos desse projeto, tomemos como exemplo o uso
de lâmpadas incandescentes instaladas em 50 milhões de residências no
Brasil. Estimando o uso de cinco lâmpadas incandescentes de 60 watts para
cada uma dessas residências (já que essa é a mais vendida no país), ligadas
uma hora por dia, o resultado é uma demanda de cerca de 15GWh (MME,
2010).
Se todas as famílias brasileiras trocassem apenas duas lâmpadas
incandescentes comuns por lâmpadas fluorescentes, que são mais eficientes, a
economia gerada evitaria a construção de uma nova usina termelétrica no país,
justamente o tipo de usina que mais emite CO2, um dos causadores do efeito
estufa. Ainda hoje, mesmo depois da crise do apagão, temos uma grande
quantidade de residências utilizando lâmpadas incandescentes, onerando o
custo para suas residências e para a geração de energia elétrica no país.
No ano de 1984, o Instituto Nacional de Metrologia (Inmetro) lançou o
Programa Brasileiro de Etiquetagem, que utilizava a denominada Etiqueta
Nacional de Conservação de Energia, semelhante à etiqueta europeia,
conforme mostra a Figura 26. Essa etiqueta é colada nos produtos para
orientar o consumidor no ato da compra, indicando os que apresentam os
melhores níveis de eficiência energética dentro de cada categoria,
proporcionando economia na conta de energia elétrica.
Essa classificação variava do mais eficiente, indicado com a letra A, até
o menos eficiente, indicado com a letra G. No caso das lâmpadas, foram
atribuídas classificações A e B para lâmpadas com mais eficiência energética e
E, F ou G para lâmpadas menos eficientes, buscando-se estimular os
54
consumidores a escolherem lâmpadas com tecnologia mais eficiente
(PROCEL, 2010)
Figura 26. Programa PROCEL: (A) selo de eficiência energética e (B) etiqueta de eficiência energética (Procel, 2010).
Além disso, o programa estimula a fabricação e a comercialização de
produtos mais eficientes, contribuindo para o desenvolvimento tecnológico e a
preservação do meio ambiente.
A promoção do uso racional de energia elétrica por meio de programas
de eficiência energética alinha-se ao conceito de sustentabilidade. Assim, é
possível rever até os planos de investimentos de novos projetos de usinas,
principalmente na região da Amazônia, em meio a graves discussões e
disputas judiciais sobre os problemas ambientais e sociais dessas unidades.
Deve-se lembrar que esse tipo de investimento poderia ser
redirecionado para outros setores mais carentes do país, como o setor da
saúde, sem a necessidade de recriar impostos (ELETROBRAS/PROCEL,
2007) (MME, 2010) (MME, 2005).
3.7 Eficiência energética para economia de energia elétrica para o Brasil
O Brasil, quanto ao consumo de energia elétrica, deve ter priorizados
seus trabalhos de racionalização segundo os modelos que foram implantados
nos países da Organisation for Economic Co-operation and Development
(OECD). Se não tivessem sido tomadas medidas de racionalização e eficiência
energética nesses países após as crises do petróleo da década de 70, o
A B
55
consumo de energia elétrica seria 48% maior do que o atual, como mostrado
na Figura 27 (IEA, 2007).
Figura 27. Ganhos de eficiência nos países da OECD, 1973-1998 (IEA, 2007).
O Brasil é um país emergente, que está em desenvolvimento. O
consumo de energia elétrica per capita do País ainda é pequeno se comparado
aos países da OECD. Não se poderia esperar que medidas de eficiência
energética tivessem tanto impacto. Isso é proporcional; quando há um
crescimento na economia, há também um crescimento de consumo de energia
elétrica, tudo isso para promover o desenvolvimento (DOE, 2010). O que pode
ser feito é utilizar tecnologias modernas e eficientes no início do processo de
desenvolvimento, acelerando seu uso. Esse é o chamado efeito leapfrogging,
que se contrapõe ao pensamento de que, para haver desenvolvimento, é
preciso que ocorra impactos ambientais (Figura 28) (TSAO, 2004).
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
Ganhos de eficiência nos países da OECD
uso real de energia uso hipotético sem economia de energia
56
Figura 28. A curva de Kuznets para os impactos ambientais e estágios de desenvolvimento (TSAO, 2004).
A concretização dessas ações é simples, e pode ser economicamente
atrativa se for realizada por um bom planejamento energético. Há várias
tecnologias modernas e eficientes que podem ser utilizadas no mercado.
Com a conservação e economia de energia elétrica, podemos reduzir o
consumo e adiar a necessidade de investimentos em expansão da capacidade
instalada. Toda ação tem uma reação, e no sistema energético não poderia ser
diferente. Para satisfazer a energia útil requerida pela sociedade, pode-se ter a
degradação do meio ambiente, a fim de suprir suas necessidades
(ELETROBRAS/PROCEL, 2007) (EPE, 2010).
A eficiência energética é, sem dúvida, a maneira mais efetiva de reduzir
os custos e os impactos ambientais locais e globais. Além disso, a economia
de energia elétrica pode diminuir a necessidade de subsídios governamentais
para o setor.
Um grupo de estudos da Unicamp demonstrou que a área de
eletricidade deveria ter uma redução de energia elétrica de 38%, através de
ações planejadas, até 2020 (BAJAY, 2010).
57
3.8 Sustentabilidade
Sustentabilidade é “suprir as necessidades da geração presente sem
afetar a habilidade das gerações futuras de suprir as suas” (Brundtland, 1987).
Sustentabilidade é um conceito sistêmico, relacionado com a continuidade dos
aspectos econômicos, sociais, culturais e ambientais da sociedade humana.
Em termos simples, é prover o melhor para as pessoas e para o meio
ambiente, tanto agora como em um futuro indefinido. É um meio de transformar
a civilização e as atividade humanas, de tal forma que a sociedade, seus
membros e suas economias possam preencher suas necessidades e expressar
o seu maior potencial no presente e, ao mesmo tempo, preservar a
biodiversidade e os ecossistemas naturais, planejando e agindo de forma a
atingir a proficiência na manutenção indefinida desses ideais. Para um
empreendimento humano ser sustentável, deve levar em consideração quatro
requisitos básicos (BRUNDTLAND, 1987):
Ser ecologicamente correto
Economicamente viável
Socialmente justo
Culturalmente aceito
Não existe no mundo atual uma atividade que esteja mais alinhada com
o conceito de sustentabilidade do que a eficiência energética, promovendo o
uso racional das diferentes energias, entregando a mesma produtividade,
confiabilidade e conforto para os setores econômicos e para a sociedade (Cea,
2010).
3.9 Economia potencial de energia elétrica através do LED
O Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveu uma
estratégia para acelerar a introdução das lâmpadas de LED no mercado de
iluminação, para alcançar a eficiência energética. Essa economia de energia
elétrica trará grandes benefícios para os EUA, e serão concentrados fortes
recursos para manter sua liderança mundial na utilização dessa tecnologia. Há
um grande potencial econômico de energia elétrica na utilização da lâmpada de
LED, em relação às lâmpadas incandescente, halógena, fluorescente e de
descargas de alta intensidade.
58
Segundo projeções econômicas para o mercado de iluminação, o
consumo anual de energia elétrica que utiliza lâmpadas de LED, para um
cenário futuro, comparado com os níveis atuais de mercado, para essa
tecnologia de lâmpada ter sucesso no mercado, terá de ter um preço
compatível e uma vida útil maior do que as outras tecnologias de lâmpadas
(DOE, 2007).
A iluminação de LED tem o potencial de economizar, no consumo de
energia elétrica aplicada à iluminação, quase a metade conforme o gráfico da
Figura 29. Claro que utilizando lâmpadas de LED, luminárias com eficiência,
vida atingindo o especificado e preço competitivo, a iluminação de LED terá
uma penetração de mercado bem significativa. A previsão, até 2030, é de um
crescimento de 74% de lmh em vendas, atingindo uma economia de energia
elétrica de 300TWh. Considerando o preço da energia elétrica hoje, a
economia será por volta de US$ 30 bilhões de economia, e será possível,
também, reduzir o efeito estufa em 210 milhões de toneladas de CO2.
Figura 29. Projeção de economia de energia elétrica nos USA (DOE, 2010).
O consumo de energia elétrica para iluminação diminuirá em cerca de
46% em relação a um cenário sem a penetração da lâmpada de LED no
59
mercado americano, o que significaria energia elétrica suficiente para atender
24 milhões de residências.
A economia de energia elétrica gerada no período de 2010 a 2030 será
de 2.700TWh, representando, aproximadamente, US$ 250 bilhões da tarifa de
hoje e uma redução do efeito estufa de 1.800 milhões de tonelada de CO2
(DOE, 2010).
3.10 O DOE trabalha para o sucesso da iluminação de LED
O DOE investe em parceiros da indústria, na pesquisa e
desenvolvimento de materiais de estado sólido para iluminação, incluindo as
tecnologias de diodo emissor de luz (LED) e diodo orgânico emissor de luz
(OLED).
Tal atenção concentrada em materiais do estado sólido para iluminação
de LED é muito simples, porque, com as melhorias contínuas, há uma grande
economia de energia elétrica do país. O governo, reconhecendo esse estudo
potencial, planejou uma política para a energia elétrica que teve início no ano
de 2005, para acelerar a tecnologia de materiais de estado sólido para
iluminação.
As lâmpadas fluorescentes, na década de 1990, enfrentaram vários
problemas de aceitação, o que retardou sua entrada no mercado consumidor.
Para evitar os obstáculos no mercado das lâmpadas de LED, tanto em
laboratório como no mercado consumidor, deverão ser feitas melhorias na
competitividade de custos e na qualidade (DOE, 2010).
O maior obstáculo para a lâmpada de LED é o alto custo, que deve ser
melhorado para se obter uma maior competitividade. Hoje, os preços para a
venda das lâmpadas de LED são muito elevados. Fazendo um comparativo
com as outras tecnologias de lâmpadas, a economia de energia elétrica muitas
vezes não compensa dentro de um período de retorno, e isso não é atrativo
para o consumidor.
O DOE trabalha com um plano agressivo de redução de custo para a
lâmpada de LED, chegando cerca de 20% ao ano, baixando-se rapidamente o
custo até que torne-se competitivo. Para uma melhoria da qualidade, o DOE
está realizando um programa educativo voltado ao consumidor, para que fique
atento ao mercado de LED, pois há fornecedores de produtos de baixa
60
qualidade no mercado, os quais não atendem às especificações, tendo
principalmente uma diminuição da vida útil do produto (DOE, 2010).
3.11 Análise do impacto do ciclo de vida da lâmpada de LED
A iluminação que utiliza a lâmpada de LED tem um grande potencial de
economizar energia elétrica, como já foi mencionado, de melhorar a qualidade
da iluminação e de ter um desempenho superior ao das tecnologias de
iluminação convencionais. Esse estudo foi realizado pelo DOE, que revisou o
consumo de energia do ciclo de vida das tecnologias de lâmpadas
incandescente, fluorescente e de LED, e avaliou, também, os custos
ambientais, os recursos para sua fabricação, o transporte e o descarte das
lâmpadas.
Houve um detalhamento no impacto ambiental e no processo de
fabricação. Essa comparação foi tomada com base no ano de 2012, com uma
projeção até 2017, considerando algumas melhorias na lâmpada de LED já
previstas no processo de fabricação, de desempenho e de componentes
eletrônicos. Confirmou-se, também, que a energia elétrica em uso e o impacto
ambiental dominante, com a lâmpada fluorescente de 15 watts e a lâmpada de
LED de 12,5 watts, teve um desempenho melhor do que a lâmpada
incandescente de 60 watts.
A lâmpada incandescente tem um maior impacto entre todas as
lâmpadas, principalmente por causa da baixa eficiência e das grande
quantidade de energia elétrica necessária para produzir luz.
A fim de avaliar as quinze medidas de impacto de interesse entre os
quatro tipos de lâmpadas residenciais, foi elaborado um gráfico teia de aranha,
como mostra a Figura 30.
Cada uma das quinze categorias de impacto torna-se um raio na teia, e
os impactos relativos de cada tipo de lâmpada são plotados no gráfico. O tipo
de lâmpada que tem o maior impacto do conjunto de análise é a
incandescente; nesse caso, define a escala representada pelo círculo exterior à
maior distância a partir do centro da teia (DOE, 2010)
A geração de maior quantidade de energia elétrica consumida por
unidade de saída de luz provoca substanciais impactos ambientais, e o
resultado referente às lâmpadas incandescentes é que são as mais prejudiciais
61
ao meio ambiente, o que foi constatado em todas as quinze medidas de
impacto.
As lâmpadas fluorescentes são um pouco mais prejudiciais do que a
lâmpadas de LED em todos os critérios (exceto no aterro de resíduos
perigosos), pois, na fabricação, o dissipador de calor, que é a grade de
alumínio usada nas lâmpadas de LED faz com que os impactos sejam
ligeiramente maiores.
O melhor desempenho de fonte de luz é da lâmpada de LED, que leva
em conta vários itens potenciais de melhorias em sua fabricação, seu
desempenho e seus componentes eletrônicos.
Figura 30. Gráfico de impacto ambiental (DOE, 2010).
Por causa do papel dominante do consumo de energia durante a fase de
fabricação, o foco manteve-se em metas de eficácia, redução de custos e
aceitação de mercado.
O maior impacto ambiental após a energia em uso para as fontes da
lâmpada de LED é que vem sendo fabricado em tamanho reduzido o dissipador
de calor de alumínio, aumentando-se sua eficácia e potência de entrada,
convertendo em lumens úteis de luz em vez de perder calor. O dissipador de
calor é o principal motivo para as lâmpadas de LED excederem as lâmpadas
62
fluorescentes na categoria de resíduos perigosos (resíduos para os aterros), o
que é impulsionado pela energia, montante e impactos ambientais da
fabricação do alumínio a partir de matérias-primas.
Apesar do fim de vida útil, foi avaliada, de forma conservadora para esse
estudo, a reciclagem; os esforços poderiam reduzir ainda mais o impacto
adverso de fabricação do dissipador de calor de alumínio.
As constatações importantes do estudo não são pequenas diferenças
relativas entre as lâmpadas de LED e as lâmpadas fluorescentes, mas a
redução significativa dos impactos ambientais da substituição de uma lâmpada
incandescente por lâmpadas mais eficientes.
Reduções na ordem de 3 a 10 vezes são possíveis através dos
indicadores de transição para o mercado de novas e mais eficazes fontes de
luz (DOE, 2010).
3.12 Propriedade intelectual
Avaliando o desenvolvimento de inovação cientifica e tecnológica na
área de materiais de estado sólido para iluminação, pode ser constatado o
depósito de patentes no banco de dados da Word Intelectual Property
Organization (Wipo) na área de lâmpadas de LED. Esse levantamento,
realizado entre os anos de 2003 e 2013, constatou que, no gráfico de 2003 a
2011, ocorreu um aumento crescente no número de patentes depositadas,
havendo um pico, em 2011, de 298 patentes. A média desse intervalo, de 2003
a 2013, foi de 108 patentes depositadas por ano no banco de dados da Wipo,
podendo ser comprovado que houve um grande avanço no campo cientifico,
tecnológico e de investimento financeiro, como é mostrado na Figura 31.
63
Figura 31. Número de patentes concedidas em LED.
O maior depositante de patentes é o Patent Cooperation Treaty (PCT) e,
em seguida, o Instituto Europeu de Patentes e o Japão, como mostrado na
Figura 32.
Figura 32. Número de patentes por país (WIPO).
Na Figura 33, são apresentadas as nove empresas que mais depositam
patentes na área de materiais do estado sólido para iluminação sob o código
H01L33/00. O que chama a atenção é que esta área é dominada por empresas
privadas.
Pelo levantamento realizado com os dados da Wipo, pode-se notar que
existe apenas uma patente depositada no Brasil, em um segmento abrangendo
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Patentes 12 31 61 73 91 107 92 108 298 97 10
0
50
100
150
200
250
300
350
Publicação de Patentes de LEDs
523
490
34
6
3
2
PCT
INSTITUTO EUROPEU DE PATENTES
JAPÃO
REPUPLICA DA COREIA
AFRICA DO SUL
ISRAEL
NÚMERO DE PATENTES POR PAÍS
64
universidades, institutos de pesquisas e empresas privadas, o que pode
significar que não estão sendo protegidas pesquisas na área de patentes.
Tais trabalhos de pesquisa, voltados para esta área, podem estar sendo
publicado em revistas, tornando-se difícil para o País reivindicar qualquer tipo
de proteção de patente.
Figura 33. Maiores depositantes de patentes em LED (WIPO).
3.13 Conclusão do capítulo
Com a abordagem realizada neste capítulo, pode-se perceber que há
um movimento mundial, inclusive no Brasil, para melhorar a eficiência de
energia elétrica. Foi apresentado um trabalho intenso, realizado pelo DOE
juntamente com empresas privadas, com o intuito de pesquisar e desenvolver a
implantação da tecnologia de LED no mercado de lâmpadas, para alcançar o
sucesso nas vendas. Energia, para o DOE, é questão de segurança nacional.
Esse planejamento, além do apelo da eficiência energética na redução
da produção de energia elétrica, também tem o apelo do custo do produto
acessível, de uma vida útil longa e da diminuição do CO2, contribuindo para
diminuir o efeito estufa.
166
131
61
42
34
34
25
24
23
LG DISPLAY CO LTD
SEMICONDUCTOR Ener. Lab. Co. LT
CREE INC
3M COMPANY proprieties innovation
KONINK PHILIPS ELECTRONICS NV
SEMICONDUCTOR ENERGY
NICHIA CORP
LG ELETRONICS
SHOWA DENKO KK
Maiores Cessionário de Depositantes de Patentes de SSL
65
CAPÍTULO 4
4 Metodologia e resultados
4.1 Introdução
Neste capítulo, serão apresentados os métodos utilizados para o
experimento juntamente com os resultados obtidos em laboratório.
Comparando os dados técnicos, também foram levantadas as taxas de retorno
e viabilidade econômica quanto ao investimento e economia de energia elétrica
envolvendo as três tecnologias de lâmpadas incandescente, fluorescente e de
LED.
4.2 Definição das amostras
Foram adquiridas 10 amostras de cada tecnologia de lâmpada sendo estas
equivalentes para este experimento como mostra a Figura 34:
Lâmpada incandescente (LI) - 40W;
Lâmpada fluorescente compacta (LFC) - 11W;
Lâmpada de LED (LED) - 8W.
Figura 34. Lâmpadas utilizadas para iluminação residencial: (A) lâmpada incandesceste, (B) lâmpada fluorescente e (C) lâmpada de LED.
4.3 Metodologia aplicada
O ponto principal deste trabalho é avaliar o impacto na economia de
geração de energia elétrica, com a utilização da lâmpada de LED em larga
escala.
Para avaliar a substituição das lâmpadas incandescentes e
fluorescentes pelas lâmpadas de LED, houve a necessidade do levantamento
A C B
66
de alguns parâmetros de especificações de lâmpada utilizados em
luminotécnica.
Devido à falta de uma norma nacional para os testes das lâmpadas de LED,
foram utilizadas, para o ensaio, as normas IES LM-79-08 e IES LM-80-08, que
regulamentam o mercado americano do programa Energy Star. Com o auxílio
de um equipamento chamado goniofotômetro (Figura 35), foram realizadas as
medições do fluxo luminoso (lm), das três tecnologias de lâmpadas por uma
multinacional fabricante atuante nesta área de iluminação, pois o equipamento
não se encontrava na faculdade por ser um equipamento dedicado a um
seguimento de iluminação.
Figura 35. (A) Goniofotômetro e (B) aplicação em um teste de fluxo luminoso.
Para atender as normas foram realizados os testes medindo as
seguintes especificações técnicas:
Consumo de potência;
Fluxo luminoso (lm);
Eficiência (lm/W);
Fator de potência (FP);
Vida útil média (h).
Para auxiliar na execução dos ensaios foi necessário montar uma
bancada para as tomadas das medições no laboratório industrial na Fatec-
Osasco / ETECGV (Figura 36). Nesta bancada continha os seguintes
equipamentos:
Voltímetro;
Wattímetro;
A B
67
Amperímetro;
Multímetro/megômetro;
Luxímetro e osciloscópio.
Figura 36. Bancada utilizada para os testes (Autor).
Conforme a norma utilizada foi necessária atender alguns requisitos para
o experimento que são:
Temperatura ambiente de 22ºC;
Após 5 minutos de acendimento da lâmpada foram realizadas as
medições;
Para uma nova medição, a lâmpada era desligada esperando chegar a
temperatura ambiente.
No experimento as lâmpadas foram montadas nos soquetes localizadas
no painel podendo ser testadas no maxímo três lâmpadas simultaneamente
(L1, L2 e L3), conforme a disposição do painel, os testes começaram pelas 10
amostras das lâmpadas incandescentes na sequência as lâmpadas
fluorescentes e por final as lâmpadas de LEDs.
Para a tomada dos parâmetros de corrente (mA), tensão de entrada de
potência e fator de potência, foram utilizados os seguintes equipamentos: fonte
de tensão variável para regulagem da tensão da rede em 127V,
multímetro/megômetro ligado em paralelo para a medição da tensão do circuito
e um amperímetro ligado em série para a medição da corrente, conforme
68
circuito da Figura 37. Com os dados da potência da lâmpada e do fluxo
luminoso, foi calculada a eficiência luminosa.
O fator de potência é medido com o multímetro/megômetro e o
cosímetro; quanto menor o valor do fator de potência, maior a quantidade de
potência reativa que o equipamento consome. No Brasil, ainda não existe um
limite do fator do potência aplicado para as residências, mas para indústrias o
menor fator permitido é de 0,92.
Figura 37. Esquema do circuito de medição (Autor).
A medida mais comum utilizada para comparação de lâmpadas é a
mediação do consumo de potência, geralmente ocasionando um erro para
capacidade de iluminação. A relação consumo versus iluminação só pode ser
aplicado quando forem usadas lâmpadas de mesma tecnologia.
Um conceito que deve ser entendido é que a eficiência da lâmpada é
medida em (lm/W) e quanto maior a eficiência luminosa, maior será a eficiência
da lâmpada.
Para avaliar o projeto, foi utilizado um dos métodos mais simples,
chamado payback, em que é definido o tempo de recuperação necessário para
que o projeto compense o seu investimento inicial (GARRISON, 2007;
HARRISON, 1976).
É muito comum escalar o tempo que o investimento leva para se pagar.
O payback é o espaço de tempo entre o início do projeto até o momento
em que o fluxo de caixa acumulado passa a ser positivo. Pode estabelecer uma
escala determinando o período de recuperação que pode ser em horas, meses
ou anos (HARRISON, 1976).
69
4.4 Resultados
Com mais confiabilidade nos dados técnicos mensurados em laboratório,
foi possível levantar o índice mais importante para uma lâmpada, à eficiência
luminosa (lm/W) conforme Tabela 8 que mostra os resultados obtidos das 10
amostras de cada tecnologia de lâmpada sendo destacada a média das
medições no Apêndice A estão as tabelas mais detalhadas dos experimentos.
Tabela 8. Comparativo entre as tecnologias de lâmpadas (Autor)
TIPO DE
LÂMPADA
CORRENTE
(mA)
POTÊNCIA
(W)
FATOR DE
POTÊNCIA
FP
FLUXO
LUMINOSO
(lm)
EFICIÊNCIA
LUMINSO
(lm/W)
INCANDESCENTE 40w
314,90 40,01 1,00 462,93 11,57
FLUORESCENTE
11w
86,56 11,01 0,62 523,88 47,60
LED
8w
62,95 8,00 0,90 470,48 58,81
(Tensão: 127V)
Alguns dados técnicos para as tecnologias de lâmpadas foram fornecidos pelo
fabricante sendo apresentado na Tabela 9, onde mostra as seguintes características
que são:
Temperatura de cor (K);
IRC;
Vida útil.
Tabela 9. Dados técnicos das lâmpadas fornecidas pelo fabricante
Tipo de lâmpada Temperatura de
cor (K) IRC
Vida útil
(horas)
Incandescente
40W 2.700 82 750
Fluorescente
11W 2.700 82 8.000
LED 8W 2.700 83 25.000
70
4.5 Análise econômica
Para a análise econômica, foi realizado o cálculo para a lâmpada
considerando um período de 10 horas, durante 30 dias úteis, com uma tarifa de
energia elétrica de R$ 0,3866 (base da distribuidora Eletropaulo do estado de
São Paulo no ano de 2013).
Para esta análise foi levantado um comparativo entre as tecnologias de
lâmpadas que são apresentadas na Tabela 10:
Potência consumida (kW)
Energia elétrica mensal consumida (kWh)
Custo mensal de energia elétrica (R$ kWh)
Custo do produto no mercado
Tabela 10. Comparativo das tecnologias das lâmpadas (Autor) Lâmpadas
Dados técnicos Incandescente
40W
Fluorescente
11W
LED
8W
Potência consumida
(kW) 0,040 0,011 0,008
Energia elétrica mensal
consumida (kWh) 12,000 3,300 2,400
Custo mensal da energia
elétrica (R$ kWh) 4,6396 1,2758 0,9279
Custo do produto
(R$) 2,90 13,90 50,92
Na próxima simulação, foram adotadas como base as lâmpadas de LED
com uma durabilidade de 25.000 horas, e realizado um comparativo com as
lâmpadas incandescentes e fluorescentes cuja durabilidade é de 750 horas e
8.000 horas, respectivamente.
Adota-se a nomenclatura abaixo para facilitar o entendimento dos
exemplos daqui em diante:
LI – Lâmpada incandescente
LFC – Lâmpada fluorescente compacta
LED – Organic Light-Emitting Diode
O gráfico apresenta o desempenho do tempo de vida útil entre as
tecnologias das lâmpadas, como mostra a Figura 38.
71
Figura 38. Gráfico comparativo do tempo de vida útil entre as tecnologias de lâmpadas (Autor).
4.6 Comparativo de viabilidade econômica entre as três tecnologias (LI,
LFC e LED)
Neste item, foi analisada a viabilidade econômica da substituição das
lâmpadas incandescentes e fluorescentes por lâmpadas de LED.
De acordo com as especificações técnicas das lâmpadas, obteremos a
viabilidade econômica, estipulando o custo total de cada lâmpada para
descobrir em quanto tempo se paga o investimento da compra da lâmpada de
LED. Por isso foram desenvolvidas as Equações 3 e 4 :
CTP = CFL + CVL Equação (3)
CVL = (POT x NH x CE) Equação (4)
Em que:
CTP - Custo total do produto – (R$)
CFL - Custo fixo da lâmpada – (R$)
CVL - Custo variável da lâmpada - (R$)
POT - Potência da lâmpada – (kW)
NH - Número em horas (25.000) que a lâmpada permanece ligada
(PROCEL, 2010)
CE - Tarifa de energia elétrica de R$ 0,3866kWh (Eletropaulo)
750
8.000
25.000
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
LI LFC LED
H
O
R
A
S
TIPOS DE LÂMPADAS
VIDA ÚTIL
72
O valor do número de dias foi simulado como 2.500 dias, considerando
que o parâmetro para o cálculo foi da lâmpada de LED cuja durabilidade é de
25.000 horas e sabendo-se que, diariamente, a lâmpada fica ligada por volta de
10 horas (PROCEL, 2010).
Sendo assim, pode-se utilizar 1 lâmpada de LED com 25.000 horas de
vida útil, 3 LFC com 8.000 horas de vida útil cada uma e 33 LI com 750 horas
cada uma.
Nota-se que a quantidade de lâmpadas LFC e LI é maior para poder
atingir a quantidade de horas equivalente à lâmpada de LED de 25.000 horas.
4.6.1 Cálculo para o custo variável da lâmpada - CVL
Conhecendo os valores da potência de cada uma das lâmpadas e de
seu tempo de vida útil, eles serão multiplicados pela tarifa de energia elétrica
para a composição da conta, e então obteremos o gasto com energia elétrica
(CVL) por cada tecnologia de lâmpada.
A Figura 39 mostra o comparativo do gasto com energia elétrica. Essa
composição foi chamada de CVL.
Figura 39. Gráfico do comparativo do custo variável das lâmpadas – CVL (Autor).
R$ 386,63
R$ 106,32
R$ 77,33
R$ -
R$ 50,00
R$ 100,00
R$ 150,00
R$ 200,00
R$ 250,00
R$ 300,00
R$ 350,00
R$ 400,00
R$ 450,00
LI LFC LED
GA
ST
O T
OT
AL
CO
M E
NE
RG
IA
TIPO DE LÂMPADAS
CUSTO VARIÁVEL DA LÂMPADA-CVL
25.000 HORAS 0,040W R$ 0,3866/kWh
25.000 HORAS 0,040W R$ 0,3866/kWh
25.000 HORAS 0,040W R$ 0,3866/kWh
73
4.6.2 Cálculo para o custo fixo da lâmpada - CFL
Realizando esse comparativo da vida útil das lâmpadas, podemos
observar a quantidade de lâmpadas que devemos utilizar para atingir as 25.000
horas de cada tecnologia e o custo fixo da lâmpada (CFL). A Figura 40 mostra
a variação de custo das três tecnologias de lâmpada.
Figura 40. Gráfico comparativo do custo fixo das lâmpadas – CFL (Autor).
4.6.3 Cálculo do custo total do produto - CTP
Para chegar ao custo total do produto (CTP), será somado o custo
variável da lâmpada (CVL) com o custo fixo da lâmpada (CFL), o que nos
mostrará o desempenho entre as três tecnologias. Na Figura 41 veremos o
comparativo entre essas tecnologias.
R$ 96,67
R$ 43,44
R$ 50,90
R$ -
R$ 20,00
R$ 40,00
R$ 60,00
R$ 80,00
R$ 100,00
R$ 120,00
LI LFC LED
CU
ST
O
TIPOS DE LÂMPADAS
CUSTO FIXO DA LÂMPADA - CFL
33 unidades R$ 2,90
1 unidades R$ 50,90 3 unidades
R$ 13,90
74
Figura 41. Gráfico comparativo do custo total do produto – CTP (Autor).
4.7 Economia no consumo de energia elétrica
Será feito um comparativo de economia referente ao consumo de
energia elétrica de cada tecnologia, como mostrado na Figura 42. Com a
potência das tecnologias das lâmpadas, foi calculado o consumo de energia
elétrica em kWh.
R$ 483,30
R$ 149,76 R$ 128,25
R$ -
R$ 100,00
R$ 200,00
R$ 300,00
R$ 400,00
R$ 500,00
R$ 600,00
LI LFC LED
GA
ST
O T
OT
AL
- C
TP
TIPOS DE LÂMPADAS
GASTO TOTAL DO PRODUTO - CTP
LED 73% MENOR QUE LI
LED 14% MENOR LFC
75
Figura 42. Gráfico mostra o consumo de energia das tecnologias das lâmpadas (Autor).
4.8 Comparativo do tempo de retorno do investimento
Os gráficos utilizados nas simulações foram configurados para a
formatação logarítmica para uma melhor visualização dos cálculos, utilizamos
três análises comparativas com as seguintes lâmpadas:
LI de 40W a um custo de R$ 2,90
LFC de 11W a um custo de R$ 13,90
LED de 8W a um custo de R$ 50,92
A tarifa de energia elétrica é de R$ 0,3866, e cada lâmpada será
utilizada, em média, 10 horas por dia (PROCEL, 2010). O ajuste da tarifa de
energia elétrica foi feito pela média dos últimos anos, chegando a 5% ao ano.
Houve também uma diminuição nos custos das lâmpadas de LED e LFC
de 7% ao ano no decorrer dos 7 anos seguintes, com base na vida útil da
lâmpada de LED. A base de cálculo será a lâmpada de LED, chegando a
25.000 horas.
1.000
275
200
0
200
400
600
800
1.000
1.200
LI LFC LED
CO
NS
UM
O k
Wh
TIPOS DE LÂMPADA
CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
LED 80% MENOR QUE LI
LED 28% MENOR LFC
76
4.8.1 Primeira análise comparativo entre as lâmpadas LI x LFC
Para a primeira análise, foi comparada uma lâmpada de LI de 40W com
uma lâmpada de LFC de 11W, conforme a Tabela 11. A Figura 43 mostra o
tempo de retorno do investimento.
Tabela 11. Comparativo entre as lâmpadas LI X LFC (Autor)
LAMPADAS LI LFC
INVESTIMENTO INICIAL
R$ 2,90
R$ 13,90
TENSÃO DA LÂMPADA 40W
11W
VIDA UTIL
750
8000
QUANTIDADE DE LÂMPADA 10,67
1
GASTO DE ENERGIA POR MÊS R$ 4,64
R$ 1,27
DIFERENÇA MÊS
R$ 3,36
GASTO DE ENERGIA POR ANO R$ 55,67
R$ 15,31
DIFERENÇA ANUAL R$ 40,36
TAXA DE RETORNO (HORAS) 760
Figura 43. Gráfico de análise de retorno entre as lâmpadas LI x LFC (Autor).
R$ 1,00
R$ 10,00
R$ 100,00
R$ 1.000,00
1.2
00
2.7
00
4.2
00
5.7
00
7.2
00
8.7
00
10.2
00
11.7
00
13.2
00
14.7
00
CU
ST
OS
(R$) -
CT
P
VIDA ÚTIL DAS LÂMPADAS (HORAS)
Comparativo LI x LFC
CUSTO LI CUSTO LFC
Ajuste da tarifa de 5% e
diminuição de 7% da lâmpada
LFC 760 horas
77
4.8.2 Segunda análise comparativa entre as lâmpadas LI x LED:
Para a segunda análise, foi comparada uma lâmpada de LI de 40W com
uma lâmpada de LED de 8W, conforme a Tabela 12. A Figura 44 mostra o
tempo de retorno do investimento.
Tabela 12. Comparativo entre as lâmpadas LI x LED (Autor)
LAMPADAS LI LED
INVESTIMENTO INICIAL
R$ 2,90
R$ 50,92
TENSÃO DA LÂMPADA 40W 8W
VIDA UTIL
750
25000
QUANTIDADE DE LÂMPADA 33,3
1
GASTO DE ENERGIA POR MÊS R$ 4,64
R$ 0,93
DIFERENÇA MÊS R$ 3,71
GASTO DE ENERGIA POR ANO R$ 55,67
R$ 11,13
DIFERENÇA ANUAL R$ 44,54
TAXA DE RETORNO (HORAS) 2700
Figura 44. Gráfico de análise de retorno entre as lâmpadas LED x LI (Autor).
1,00
10,00
100,00
1.000,00
1.2
00
2.7
00
4.2
00
5.7
00
7.2
00
8.7
00
10.2
00
11.7
00
13.2
00
14.7
00
16.2
00
17.7
00
19.2
00
20.7
00
22.2
00
23.7
00
25.2
00
CU
ST
OS
(R
$)
- C
TP
VIDA UTIL DAS LÂMPADAS (HORAS)
Pay back LED x LI
CUSTO LED CUSTO LI
Ajuste da tarifa de 5% e
diminuição de 7% da lâmpada
LED
2.700 horas
78
4.8.3 Terceira análise comparativa entre as lâmpadas LFC x LED
Para a terceira análise, foi comparada uma lâmpada de LED de 8W com
uma lâmpada de LFC de 11W, conforme a Tabela 13. A Figura 45 mostra o
tempo de retorno do investimento.
Tabela 13. Comparativo entre as lâmpadas LFC x LED (Autor)
LAMPADAS LFC LED
INVESTIMENTO INICIAL
R$ 13,90
R$ 50,92
TENSÃO DA LÂMPADA 11W 8W
VIDA UTIL
8000
25000
QUANTIDADE DE LÂMPADA 3
1
GASTO DE ENERGIA POR MÊS R$ 1,28
R$ 0,93
DIFERENÇA MÊS R$ 0,35
GASTO DE ENERGIA POR ANO R$ 15,31
R$ 11,13
DIFERENÇA ANUAL R$ 4,18
TAXA DE RETORNO (HORAS) 15.000
Figura 45. Gráfico de análise de retorno entre as lâmpadas LED x LFC (Autor).
As lâmpadas incandescentes de potência menor ou igual a 40W
permanecerão no mercado consumidor até 2016. Após essa data, somente
R$ 1,00
R$ 10,00
R$ 100,00
1.2
00
2.7
00
4.2
00
5.7
00
7.2
00
8.7
00
10.2
00
11.7
00
13.2
00
14.7
00
16.2
00
17.7
00
19.2
00
20.7
00
22.2
00
23.7
00
25.2
00
CU
ST
O (
R$)
VIDA UTIL DAS LÂMPADAS (HORAS)
Comparativo LED x LFC
CUSTO LED CUSTO LFC
Ajuste da tarifa de 5% e
diminuição de 7% da lâmpada
LFC e LED
15.000 horas
79
serão permitidas lâmpadas de 25W. Atualmente, é proibido fabricar e
comercializar lâmpadas acima de 60W no país, segundo o Programa Brasileiro
de Eficiência (PBE) (MME, 2010) (PROCEL, 2010).
4.9 Conclusão do capítulo
Pode ser observado, na Figura 46, no comparativo entre as lâmpadas,
onde a maior taxa de retorno é do investimento na tecnologia de LED em
relação à tecnologia de LFC, ou seja, 15.000 horas. A menor taxa de retorno foi
o comparativo entre a tecnologia de LFC em relação à tecnologia de LI, ou
seja, 760 horas, considerando que a lâmpada permanece, em média, 10 horas
ligada por dia (PROCEL, 2010).
Figura 46. Comparativo entre as tecnologias de lâmpadas (Autor).
Comparando o consumo de energia elétrica, pode ser destacado que a
economia da tecnologia de LED teve o melhor desempenho dentre as outras
tecnologias, chegando a uma economia de 80%, quando comparado com a
tecnologia de LI, e de 27,3%, se compararmos com a tecnologia de LFC.
R$ 1,00
R$ 10,00
R$ 100,00
R$ 1.000,00
1.2
00
2.7
00
4.2
00
5.7
00
7.2
00
8.7
00
10.2
00
11.7
00
13.2
00
14.7
00
16.2
00
17.7
00
19.2
00
20.7
00
22.2
00
23.7
00
25.2
00
CU
ST
O (
R$)
VIDA ÚTIL DAS LÂMPADAS (HORAS)
Comparativo LED x LFC x LI
CUSTO LED CUSTO LI CUSTO LFC
TAXA DE RETORNO LI X LFC 760 HORAS
TAXA DE RETORNO
LFC X LED 15.000 HORAS
R$ 569,46
R$151,80
R$ 104,14
TAXA DE RETORNO
LI X LED 2.700 HORAS LED 46% menor do
que LFC no final de
25.000
80
Outra vantagem mostrada na análise foi o comparativo de custo total do
produto o CTP da tecnologia de LED, que foi 81,7% menor, quando comparado
com a tecnologia de LI, e 46% menor, se compararmos com a tecnologia de
LFC, conforme mostrado na Tabela 14.
Tabela 14. Taxa de retorno, economia do consumo de energia e economia no custo (Autor)
Comparativo entre
as tecnologias
Taxa de retorno
(horas)
Economia do consumo
de energia (ECE) (%)
Figura 42
Custo (%)
Figura 46
LFC x LI 760 72,5% 73,3%
LED x LI 2.700 80% 81,7%
LED x LFC 15.000 27,3% 46%
(A base é a lâmpada de LED de 25.000 horas.)
81
CAPÍTULO 5
5 Economia de energia elétrica
5.1 Introdução
Neste capítulo, será apresentada uma simulação hipotética projetada
para o ano de 2021, que gerará uma economia de energia elétrica por meio da
utilização de lâmpada de LED, comparando-a com as outras tecnologias, a
lâmpada de LFC e lâmpada de LI. Como consequência, teremos a redução na
emissão de CO2 devido à economia aplicada pelo setor elétrico. Terá uma
discussão dos resultados no final deste capítulo mostrando a importância da
tecnologia de LED para o sistema de geração de energia elétrica.
5.2 Simulação de consumo de energia elétrica
Depois de apresentar as Tabelas comparativas, foi realizada uma
análise econômica, aproveitando os dados do PROCEL no Brasil,
considerando a utilização de 4 lâmpadas, em média, por residência, durante 10
horas diárias. Na Tabela 15 será apresentada a energia final consumida pelas
três tecnologias durante um mês, e a projeção até o final de um ano de
trabalho (PROCEL, 2010).
Tabela 15. Energia elétrica consumida (Autor)
TECNOLOGIA
POTÊNCIA DE
LÂMPADAS
(W)
kW
QUANTIDADE
DE
LÂMPADAS
ENERGIA
ELÉTRICA
(kWh/mês)
ENERGIA
ELÉTRICA
CONSUMIDA/ANO
(kWh/ano)
LI 40 0,040 4 48 576
LFC 11 0,011 4 13,2 158,4
LED 8 0,008 4 9,6 115,2
(10 horas por dia, 30 dias por mês.)
Obtida a energia consumida anual, foi calculado o custo total gasto no
período de um ano, conforme é mostrado na Tabela 16.
82
Tabela 16. Custo total anual gasto em energia (Autor)
TECNOLOGIA
ENERGIA
CONSUMIDA/ ANO
(kW/ano)
TAXA DE ENERGIA CUSTO TOTAL /
ANO
LI 576
R$ 0,3866
R$ 222,70
LFC 158,4 R$ 61,23
LED 115,2 R$ 44,54
5.3 Panorama sobre a energia elétrica no Brasil em 2021
A projeção para o Brasil no ano de 2021 com o consumo de energia
elétrica será em torno de 736TWh, sendo 24% aplicado no consumo
residencial, o equivalente a 177TWh, e 20% consumido somente na iluminação
artificial, por volta de 35TWh (EPE, 2012).
Considerando que 80% das lâmpadas utilizadas são de LI, teremos
28TWh de energia elétrica consumida utilizada na iluminação residencial
(ELETROBRAS/PROCEL, 2007). Analisando que as LI, equivalentes a 5%,
convertem energia elétrica em luz, que resulta em 1TWh. Os outros 95%,
27TWh de potência, são transformados em calor, ou seja, em resíduos
térmicos (PANSI, 2006).
Realizando uma estimativa de projeção, foram executadas duas
propostas de simulação do consumo de energia elétrica para o país, como
mostra a Tabela 17. Na primeira proposta, foi utilizada a tecnologia de LFC, e
na segunda, a tecnologia de LED, ambas sendo comparadas com a tecnologia
de LI.
Tabela 17. Situação do consumo de energia elétrica em 2021 (Autor)
SITUAÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL EM 2021 (ESTIMATIVA)
Utilizando a lâmpada LI
Itens Quantidade Unidade
Consumo de energia elétrica no país 736 TWh
Distribuição de energia elétrica
por setor (24% - residencial) 177 TWh
Estimativa de consumo de energia elétrica em
iluminação residencial (20%) 35 TWh
Consumo de energia elétrica do País
utilizado em lâmpada LI é de 80% 28 TWh
Estimativa de potencia transformada em calor (95%) 27 TWh
83
Estimativa de potencia transformada em luz (5%) 1 TWh
Proposta - I de melhoria utilizando lâmpada de LFC
Economia do consumo de energia elétrica (LFCxLI) – Tabela 14 73 %
Consumo de energia elétrica do País
utilizado em lâmpada LFC é de 80% 7,85 TWh
Economia de energia elétrica
com a utilização de novas tecnologias (28LI – 7,85LFC) 20,16 TWh
Proposta - II de melhoria utilizando lâmpada de LED
Economia do consumo de energia elétrica (LEDxLI) – Tabela 14 80 %
Consumo de energia elétrica do País
utilizado em lâmpada LED é de 80% (CE - 80%) 5,6 TWh
Economia de energia elétrica
com a utilização de novas tecnologias (28LI – 5,6LED) 22,4 TWh
Observação Itaipu tem um total de 14GW com 20 unidades geradoras de 700 MW
A Figura 47 mostra a projeção do consumo de energia elétrica no
período de 10 anos conforme o plano decenal do período de 2011 a 2021, com
a projeção de energia elétrica utilizada na iluminação residencial (EPE, 2012)
Figura 47. Projeção de energia em 10 anos (Autor).
A Figura 48 mostra a simulação 1 do consumo de energia elétrica
confrontando as tecnologias de lâmpadas LI e LFC.
84
Figura 48. Simulação utilizando LI x LFC (Autor).
A Figura 49 mostra a simulação 2 do consumo de energia elétrica
confrontando as tecnologias de lâmpadas LI e LED.
Figura 49. Simulação utilizando LI x LED (Autor).
85
A Figura 50 mostra a simulação 3 do consumo de energia elétrica
confrontando as tecnologias de lâmpadas LFC e LED.
Figura 50. Simulação utilizando LED x LFC (Autor).
Com a projeção crescente da economia mais do que a demanda elétrica
nos próximos anos, estima-se uma elasticidade da renda do consumo de
eletricidade inferior à unidade de 0,96.
A consequência será uma queda da intensidade elétrica da economia,
isto é, o montante de energia elétrica consumida para produzir um real de PIB
(kWh/R$), com uma projeção em 2021, sinalizando um aumento da eficiência
no uso da eletricidade (ver Tabela 18) (EPE, 2012).
Devido a essa expectativa de crescimento econômico do PIB brasileiro,
será necessário mais investimento na geração, transmissão e distribuição de
energia elétrica.
Tabela 18. Projeção da energia elétrica e do PIB (EPE, 2012) Projeções da demanda total de energia elétrica e do PIB
Ano Consumo (mil GWh) PIB (109 R$ 2010) Intensidade (kWh/R$ 2010)
2011 472 3.804 0,124
2016 593 4.717 0,126
86
2021 736 6.021 0,122
Período Consumo (% ao ano) PIB (% ao ano) Elasticidade
2011-2016 4,7 4,4 1,06
2016-2021 4,4 5,0 0,88
2011-2021 4,5 4,7 0,96
Nota: inclui autoprodução para 2011, considerada estimativa preliminar do consumo de energia
elétrica e do PIB.
O planejamento de novas usinas, além do grande investimento
financeiro que envolve o dinheiro público, do contribuinte, também tem de levar
em consideração a questão das alterações causadas ao meio ambiente, como:
inundações de grandes áreas para a construção de usinas hidrelétricas,
desapropriação dessas áreas, aumento na emissão de CO2 para as usinas
térmicas a um nível de maior segurança na construção de usinas nucleares.
Como se viu, é um investimento caro, tendo um diagnóstico das
necessidades e um plano de investimento bem detalhado para que, no futuro,
não haja prejuízos, o que acarretaria um alto custo para a sociedade.
5.4 Redução do efeito estufa – CO2
Devido à utilização da tecnologia de LED, poderá haver uma diminuição
na potência da energia elétrica consumida no País.
Diminuindo a geração de energia elétrica, menor a quantidade de CO2
emitido para a atmosfera, o que diminui a influência do efeito estufa. A geração
de 1MWh corresponde a 25kg de CO2 emitido na atmosfera (REIS, 2010).
Atualmente, no mundo, a iluminação representa 20% do consumo de
energia elétrica, sendo que 2/3 de toda essa iluminação está baseada em
tecnologia antiga e de alto consumo de energia elétrica. Com a adoção de
iluminação eficiente, seria possível economizar até 40% de energia elétrica, o
que, em outros números, representa uma economia de 120 bilhões de euros,
além da redução de consumo de 600 usinas de energia elétrica operando a
2TWh/ano (IEA, 2010) (BAJAY, 2010).
87
5.5 Discussão dos resultados
Podemos observar que a taxa de retorno com o emprego da tecnologia
de LED em substituição à tecnologia de LFC foi a maior entre as simulações,
levando 15.000 horas. A menor taxa de retorno foi o comparativo entre a
tecnologia de LFC em substituição à tecnologia de LI, levando 760 horas.
Considere-se que a lâmpada permanece em média 10 horas ligada por dia
(PROCEL, 2010).
Comparando o consumo de energia elétrica das três tecnologias de
lâmpadas, a economia alcançada pela tecnologia de LED teve o melhor
desempenho, chegando a uma economia de 80%, quando comparado com a
tecnologia de LI, e de 27,5%, quando comparado com a tecnologia de LFC,
conforme mostra a Tabela 14.
Outra vantagem mostrada na análise foi o comparativo de custo da
tecnologia de LED, sendo 81,7% menor quando comparado à tecnologia de LI,
e 48% menor do que a tecnologia de LFC, conforme mostra a Figura 46.
Na simulação da Tabela 17, a tecnologia de LED, se utilizada em 80%
da iluminação residencial do país, faz com que a potência consumida chegue a
5,6TWh de energia elétrica, sendo aproximadamente 5 vezes menor que a
potência consumida pela tecnologia de LI. A potência, transformada em calor,
da tecnologia de LI, isto é, o desperdício, chega a 27TWh, e somente 1TWh é
utilizado na iluminação. Ao comparar a tecnologia de LFC, a potência
consumida chega a 7,8TWh de energia elétrica, sendo aproximadamente 3
vezes menor do que a tecnologia de LI.
Atualmente, a iluminação representa 20% do consumo de energia
elétrica, sendo que 2/3 de toda a iluminação possui uma tecnologia antiga e de
alto consumo de energia elétrica (AZEVEDO, 2009) (IEA, 2010).
Outro item muito importante é a eficiência luminosa: quanto maior
melhor. Para essa característica técnica, a tecnologia de LED obteve o melhor
desempenho, atingindo o valor de 59lm/W contra 11,6lm/W da tecnologia LI
47,6lm/W.
Fazendo uma analogia atual com a estimativa de geração de energia
elétrica anual de 11,2TWh (ELETROBRAS/PROCEL, 2007) que será produzida
pela usina nuclear de Angra III, a qual ainda está em construção, pode-se
88
perceber que a economia de energia elétrica utilizando a tecnologia de LED é
de duas usinas nucleares do mesmo porte, chegando a uma economia de
22,4TWh, como mostra a Tabela 17.
Para cada 1kWh economizado deixamos de produzir 4kWh, então, pode-
se dizer que a economia de energia elétrica chegará a 89,6TWh. Outro aspecto
muito importante foi com a diminuição da potência consumida e a redução da
emissão de CO2 no meio ambiente, o que causa impacto no efeito estufa. A
utilização da tecnologia de LED pode deixar de despejar a quantidade de
550.000 kg de CO2 emitido na atmosfera.
Fazendo uma projeção simulada para o ano de 2021, a economia obtida
pela geração de energia elétrica pode chegar a R$ 34 bilhões com a utilização
da tecnologia de LED no setor residencial, podendo ser ampliada ainda mais se
aplicada nos setores da indústria, comércio e de iluminação pública, que
corresponde às maiores fatias do mercado de iluminação.
89
CAPÍTULO 6
Conclusão
Observa-se que a iluminação do estado sólido aliada a uma política
nacional de economia de energia elétrica trará muitos benefícios à população e
aos cofres públicos, gerando uma economia para todo o País em um curto
espaço de tempo.
Utilizando as lâmpadas de LED, podemos atingir uma economia no
consumo de energia elétrica de 80%, quando comparada às lâmpadas
incandescentes, e de 27,3%, se comparada às lâmpadas fluorescentes.
Analisando o custo total do produto, a lâmpada de LED obteve uma redução de
81,7% menor do que a lâmpada LI e, quando comparado com a lâmpada de
LFC, esse número chegou a 46%.
A eficiência luminosa das lâmpadas de LED mensurada na bancada
foram superiores às outras tecnologias, chegando a 59lm/W, contra 11,57lm/W
das lâmpadas incandescentes e 47,6lm/W das lâmpadas fluorescentes. Esse é
um dos itens mais importantes para a iluminação; quanto maior a sua medida,
maior é a sua eficiência luminosa.
Com as várias simulações realizadas, a economia de geração de
energia elétrica alcançou 88,4TWh, equivalente a quatro Angra III, podendo
chegar a uma projeção de redução na ordem de R$ 34 bilhões para o ano de
2021.
Outro assunto abordado não menos importante foi a questão do meio
ambiente. Diminuindo a geração de energia elétrica, há redução da emissão de
CO2 proveniente das termoelétricas através da queima de combustíveis fósseis
não renováveis que poluem o ar, deixando de despejar em média 550.000 kg
de CO2 emitida na atmosfera e também a não contaminação dos aterros
sanitários e lençóis freáticos com mercúrio, pois esse material é encontrado
nas lâmpadas fluorescentes, e somente 4% delas são recicladas corretamente.
Esse material não é utilizado nas lâmpadas de LED.
O mercado de iluminação abrange ainda as áreas da indústria, do
comércio e de iluminação pública. Esta pesquisa teve o objetivo de estudar
somente a iluminação residencial, mas a economia de energia elétrica pode
ser ainda maior tendo uma abrangência que envolva todas essas áreas.
90
O Brasil deve ter um planejamento do crescimento econômico e do
desenvolvimento social, investindo em infraestrutura, como saúde, transporte,
educação, habitação, energia elétrica entre outros.
A construção de novas usinas de geração de energia elétrica é um
investimento que gera altíssimos gastos aos cofres públicos, à sociedade e às
empresas privadas, sendo o retorno de longo prazo.
Esta pesquisa apresentou um cenário brasileiro para 2021 com a
possibilidade de uma iluminação obtida por meio de uma tecnologia moderna e
eficiente a um custo acessível. Os estudos realizados podem ser apresentados
a concessionárias e geradoras de energia elétrica, centros de pesquisas,
fabricantes de lâmpadas e programas de eficiência energética, entre outros,
como uma oportunidade de negócio.
Um planejamento ousado de políticas públicas para impactar o sistema
elétrico seria uma parceria dos setores públicos e iniciativa privada, sendo que
o governo entraria com subsídios, os fabricantes entrariam com os produtos de
qualidade com garantia da vida útil do produto, supervisionado por órgãos
competentes, e as concessionárias entrariam com o incentivo para novas
tecnologias com 1% do faturamento mensal destinado ao programa. Com o
planejamento da entrada no mercado das lâmpadas de LED em grande
quantidade, o impacto pode ser imediato até o ano de 2021.
Para trabalhos futuros, há os seguintes direcionamentos que podem ser
abordados:
Estudos utilizando iluminação de LED, abrangendo não só no setor
residencial, mas o setor comercial, industrial e de iluminação pública.
Medição da qualidade das lâmpadas de LED disponíveis no mercado.
Estudo da influência da qualidade de energia na rede elétrica com o uso
das lâmpadas de LED.
Gestão pública dos municípios utilizando lâmpada de LED para a
iluminação pública.
91
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94
APÊNDICES
Apêndice A - Tabela de ensaios
Testes em bancada estão representados nas Tabelas abaixo, medindo
grandezas como tensão, corrente, potência e fator de potência e fluxo
luminoso.
Tabela 19. Dados obtidos nos ensaios em laboratório para a lâmpada incandescente
AMOSTRA
TENSÃO
APLICADA
(V)
CORRENTE
(mA)
POTÊNCIA
(W)
FATOR DE
POTÊNCIA
1 126,51 316,10 39,99 1,00
2 127,14 314,69 40,01 1,01
3 127,10 314,79 40,01 1,01
4 127,34 314,36 40,03 1,00
5 127,00 314,96 40,00 1,00
6 126,94 315,03 39,99 1,00
7 127,11 314,77 40,01 1,02
8 127,00 314,96 40,00 1,00
9 127,00 314,96 40,00 0,99
10 127,28 314,42 40,02 1,00
MÉDIA 127,04 314,90 40,01 1,00
Tabela 20. Dados obtidos nos ensaios em laboratório para a lâmpada fluorescente.
AMOSTRA
TENSÃO
APLICADA
(V)
CORRENTE
(mA)
POTÊNCIA
(W)
FATOR DE
POTÊNCIA
1 126,52 86,71 10,97 0,62
2 127,00 86,61 11,00 0,61
3 127,91 86,00 11,00 0,63
4 127,00 86,61 11,00 0,62
5 127,23 86,61 11,02 0,62
6 126,98 86,55 10,99 0,63
7 127,23 86,61 11,02 0,61
8 127,11 86,62 11,01 0,63
9 127,11 86,62 11,01 0,62
10 127,43 86,64 11,04 0,62
MÉDIA 127,15 86,56 11,01 0,62
95
Tabela 21. Dados obtidos nos ensaios em laboratório para a lâmpada fluorescente
AMOSTRA
TENSÃO
APLICADA
(V)
CORRENTE
(mA)
POTÊNCIA
(W)
FATOR DE
POTÊNCIA
1 126,98 62,77 7,97 0,89
2 127,90 62,55 8,00 0,89
3 127,21 63,05 8,02 0,91
4 127,13 63,01 8,01 0,89
5 127,00 62,99 8,00 0,90
6 127,02 62,98 8,00 0,90
7 127,20 63,05 8,02 0,88
8 127,00 62,99 8,00 0,90
9 126,50 63,08 7,98 0,89
10 126,98 63,00 7,99 0,90
MÉDIA 127,09 62,95 8,00 0,90
Tabela 22. Dados obtidos do fluxo de luminosidade (lm) entre as tecnologias
AMOSTRA Lâmpada
Incandescente
Lâmpada
Fluorescente
Lâmpada
LED
1 462,8 524,2 471,2
2 462,8 524,0 471,1
3 463,0 523,9 470,0
4 462,6 523,8 470,1
5 463,0 522,1 470,4
6 462,9 524,2 470,5
7 463,1 524,1 471,3
8 463,2 524,2 470,1
9 463,1 523,9 470,0
10 462,8 524,4 470,1
MÉDIA 462,9 523,9 470,5
96
Apêndice B - Trabalhos apresentados
B. 1. FERREIRA A. R.; TOMIOKA, J. Iluminação de estado sólido, economia
potencial de energia elétrica para o país. VIII Workshop de Pós-graduação e
Pesquisa do Centro Paula Souza. Sistemas produtivos: da inovação à
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![[Tutorial] Reaproveitando Lâmpadas Econômicas](https://static.fdocumentos.tips/doc/165x107/55cf9792550346d0339259e9/tutorial-reaproveitando-lampadas-economicas.jpg)
