Demanda térmica para proceder à climatização é variável em horário, época e perfil de uso, a exemplo do que ocorre também em relação à intensidade das fontes renováveis
Entendo a tarifação horosazonal como uma medida de natureza conjuntural para estimular e favorecer a adoção de medidas estruturais de equalização entre os perfis de geração de energia e as correspondentes atividades de sua utilização no tempo.
A adoção pela Eletrobras da metade da década de 1980 a 1990, resultou em providências de contraposição que, em linhas gerais, constituíram-se de sistemas de geração a partir de combustíveis fósseis de altas taxas de emissões, cujo impacto se fez sentir com o acréscimo registrado na crescente taxa de CO2 contida no ar, que atingiu um valor de 320 ppm em 1960, considerando que no início da Revolução Industrial Europeia, em 1850, esse valor situava-se em 280 ppm. Em 2014 atingiu 400 ppm e, na atualidade, 430 ppm.
Inicialmente, adotou-se fundamentalmente o diesel, cuja taxa de emissões atinge 725 g/kWh, e, em sequência, o G.N., com taxa de emissões 400 g/kWh.
A termoacumulação contribuiu significativamente para a redução de emissões, por operar com energia elétrica oriunda de matriz com emissões da ordem de 100 g/kWh, aproveitando a baixa demanda no horário noturno, considerando que cerca de 40% do uso de energia em edificações são devidos ao AVAC-R.
Trata-se, pois, de um processo estruturador que racionaliza a produção e a compatibiliza com a utilização, procedendo à equalização entre os respectivos perfis.
Mudanças climáticas e a gestão energética
A evolução do valor da deposição de CO2 na atmosfera – acréscimo de 0,37 ppm/ano no período de 1850 a 1960, de 1,33 ppm/ano no período de 1960 a 2014, e de 2,55 ppm/ano a partir de 2014, combinado com o Relatório AR6 SYR do IPCC (Painel Intergovernamental Sobre Mudanças Climáticas), que conclui por uma capacidade de retenção de CO2 pelos ecossistemas de apenas 41% do valor das emissões, dirige as providências para a extensão da geração por fontes renováveis e de mitigação de uso de combustíveis fósseis.
Considerando suas reconhecidas características de sazonalidade e variabilidade, o emprego das fontes renováveis exige o armazenamento de energia como fator estruturante, além da viabilidade econômica que se acentua a cada ano, reunindo a necessidade de preservação ambiental à vantagem da sobreposição estratégica e econômica, comparada a processos triviais descompromissados e desacoplados.
A demanda térmica para proceder à climatização é variável em horário, época e perfil de uso, a exemplo do que ocorre também em relação à intensidade das fontes renováveis, especialmente solar e eólica. Um sistema de produção de energia térmica para climatização e/ou refrigeração precisa modular sua intensidade, de modo a adequá-la ao respectivo perfil demandado pela carga, por razões de eficácia e eficiência.
Assim, a sobra entre a potência e a demanda deve ser desativada, a menos que se disponibilize um sistema suplementar de armazenamento de energia capaz de receber a sobra de potência e armazená-la para um uso posterior, viabilizando a operação da produção à plena carga e evitando operação sob potência reduzida – por exemplo, atendimento de carga em período noturno e de baixa demanda – que geralmente ocorre sob eficiência energética inferior à do regime pleno.
Reduz-se o uso de energia primária e alonga-se a vida útil do sistema de geração de frio, sem incorrer-se em aumento da potência.
Fontes renováveis x armazenagem de energia
A variabilidade e a sazonalidade das fontes de energia renováveis impõem a adoção do armazenamento de energia. O sol só brilha durante o dia e o vento não sopra 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para solucionar esse desafio, é necessário transferir energia do momento em que é disponibilizada para o momento em que é necessária. O armazenamento de energia é a resposta, e está se tornando um negócio crescente e estratégico.
Para edificações onde a carga de resfriamento representa parcela importante da carga total, as vantagens do armazenamento térmico em relação a armazenamento elétrico equivalente são expressivas, especialmente pelos aspectos de robustez, durabilidade e custo de implantação. Há estudos que mostram a termoacumulação resultando em custo inicial da ordem de 30%, comparado ao custo de armazenamento de energia elétrica.
Considerando que o armazenamento de energia é dispositivo indispensável em sistemas supridos por fontes renováveis, conforme já abordado, consideramos estratégica sua adoção quando atendendo instalações com características de uso 7×24, dada a exigência de continuidade do procedimento e a disponibilização já da energia térmica, diferentemente da hipótese de disponibilização de energia elétrica, sujeita ainda a uma transformação antecipada ao usufruto, de elétrica para térmica, e a possibilidade de ocorrência de lapso operacional circunstancial até a disponibilização da energia térmica.
Aspecto ambiental e aplicações
As características já abordadas quanto à variabilidade e à sazonalidade das fontes renováveis, a majoração de seu uso proporcionado pelo armazenamento de energia, e as vantagens correlacionadas da termoacumulação em sistemas AVAC-R, demonstram sua característica contributiva significativa quanto ao aspecto ambiental.
A termoacumulação pode e deve ser aplicada a data centers, por exemplo, reconhecidamente um dos maiores usuários de energia e, especificamente, energia térmica. Enquanto tradicionalmente os racks de IT envolviam potência de 4 kW, já existem racks com potências variando entre 12 kW e 30 kW.
Isso ensejou a transição para equipamentos com resfriamento por líquido atuando sobre as placas frias do processador, podendo se constituir em sistema monofásico ou bifásico de troca térmica, ou seja, calor sensível, ou calor sensível + calor latente.
Em sistemas resfriados por ar, a insuflação ocorre a 25 °C ou 26 °C, permitindo temperatura de suprimento do líquido de resfriamento a 24 °C, ensejando em várias situações climáticas externas, resfriar por processo evaporativo em circuito fechado. O uso de mistura de complexos orgânicos pode ensejar temperatura de congelamento e de fusão da mistura em torno de 23 °C, permitindo usufruir de armazenamento de calor latente, sem majorar o lift da compressão mecânica que provocaria significativa redução da performance termodinâmica.
A opção por armazenamento na forma de calor latente associada à troca térmica de calor sensível pelo diferencial de temperatura entre o suprimento e o retorno, favorece a aplicação com ocupação de espaço correspondente a 1/7 de sistema com capacidade equivalente em armazenamento somente sensível.
A aplicação de processos de baixa exergia – altas temperaturas de resfriamento e baixas temperaturas de aquecimento – aplica-se em sua plenitude aos data halls – espaços dos data centers ocupados pelos ITEs – onde ocorre a parcela preponderante da demanda por resfriamento. Se combinada a condições psicrométricas regionais de baixa umidade específica do ar – estação quente-seca de longa duração – pode-se adotar majoritariamente o processo natural por resfriamento evaporativo em circuito fechado (compressor-less cooling), aliando a eficiência energética do sistema à eficiência termodinâmica propiciada pelo clima.
Há publicação da Ashrae que notifica a procura por localidades com essa característica climática para implantação de data centers, considerando que o processo de compressão, para muitos data centers, se constitui na maior demanda individual, após os equipamentos de ITE.
O processo de termoacumulação e suas variantes
A acumulação térmica com água gelada consiste em utilizar o calor contido no fluido, considerando a massa armazenada, multiplicada pelo calor específico e pela diferença de temperatura na utilização para a climatização, nas serpentinas das UTAs. No caso da água, o calor específico é 1 kcal/(kg×K), sendo a energia armazenada em kcal, o resultado do produto da massa em kg, pelo diferencial de temperatura em °C; a capacidade de armazenamento é 100% constituída por calor sensível.
Já a acumulação térmica com uso de gelo considera o calor latente da água relativo ao processo de mudança de fase – de líquido para sólido – que equivale a 80 kcal/kg. Considerando que o ponto de congelamento da água corresponde a 0 °C, excessivamente baixo para processos tradicionais de climatização – o que também poderia provocar condensação na distribuição do ar tratado em UTAs – a Ashrae desenvolveu e divulgou uma tecnologia de alteração do fluido térmico que permite assumir valor conveniente em cada caso para a temperatura de mudança de fase da solução, a qual substitui a água com as vantagens decorrentes da possibilidade de adequações ao processo, as quais são denominadas PCM, Material de Mudança de Fase, na sigla em Inglês. A capacidade passa a ser a soma do calor latente à capacidade sensível resultante do diferencial de temperatura adotado, considerando o calor específico da mistura.
Os principais fatores para que um sistema de termoacumulação cumpra convenientemente sua função são: a disponibilidade de potência frigorígena compatível com o requerimento de energia a ser acumulada no tempo de carregamento e o controle correto do descarregamento, evitando a síndrome do baixo DT, o que provocaria circulação precoce da massa detentora da energia térmica, resultando em repasse com temperatura de suprimento alterada e com eficiência comprometida, seja em resfriamento, seja em desumidificação. O processo de variação de vazão no sistema de bombeamento e o controle de vazão em cada UTA atendida são fatores essenciais para desempenho eficiente na etapa descarregamento.
Em resumo – equilíbrio entre os perfis da produção e de utilização de energia, produção suficiente e distribuição equitativa e equilibrada com as respectivas cargas térmicas e suas variações no tempo.
O conceito de Edificações com Balanço Energético Zero – NZEB, na sigla em inglês, compromisso universalizado de combate às mudanças climáticas, exige que toda a energia componente da utilização na operação dos edifícios seja oriunda de fontes renováveis. As características sazonalidade e variabilidade, e a necessidade de convergir a utilização para horários concentrados e definidos, somam-se em eficiência na captação e eficácia na utilização, em busca do equilíbrio ambiental e da otimização do uso dos recursos energéticos naturais disponíveis.
Acrescente-se a preocupação quanto ao emprego de fluidos refrigerantes de baixo GWP, a exemplo da 4ª geração, os HFOs, e, como transição, a mistura com os atuais HFCs, de modo a atingir até 2030 os propósitos, conforme preceituam a União Europeia (redução em GWP para 1/3 do valor médio corrente em 2014) e a Agência de Proteção Ambiental – EPA, GWP < 700.
Francisco Dantas é engenheiro mecânico e consultor em sistemas de eficiência energética; é diretor da Interplan Planejamento Térmico Integrado
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