A termoacumulação de água gelada não pode ser descartada como consequência do fracasso da acumulação de gelo, tampouco pelo fim da tarifa horosazonal tradicional

A termoacumulação já foi uma estratégia preferencial para a estocagem de água gelada ou gelo nos horários em que o custo da energia elétrica era mais competitivo, incentivando a criação de um estoque térmico para abastecer o horário de ponta. Essa lógica, amarrada à extinta tarifa horosazonal, fez com que a maioria dos projetos de grande porte, notadamente shoppings centers, edifícios de uso corporativo e hospitais, incorporassem tanques de acumulação.

Com o fim da tarifa horária tradicional e a popularização do mercado livre de energia, a percepção geral no mercado foi de que a termoacumulação havia perdido sua razão de ser. Somando-se a isso, o histórico de insucessos de muitos sistemas de termoacumulação de gelo — mal dimensionados, caros de manter e pouco eficientes —, fez com que a solução se ausentasse do radar de projetistas de sistemas de água gelada no Brasil.

Mas há quem defende, com verdade técnica, que essa conclusão foi precipitada. Para explorar essa tese, ouvimos dois especialistas: o professor doutor João Pimenta, da Escola de Engenharia da Universidade de Brasília (UnB), e Leonilton Tomaz Cleto, consultor especializado em desempenho de sistemas de AVAC-R e diretor da Yawatz Engenharia. Em entrevista por e-mail, eles detalharam por que a termoacumulação de água gelada continua sendo, na visão de ambos, uma das soluções de engenharia mais eficientes disponíveis para o setor, especialmente diante do avanço da geração distribuída fotovoltaica.

A primeira questão a ser respondida é o que mudou com o fim, relativo, da chamada tarifa horosazonal e se essa era a única justificativa para explorar a solução. Ou se, independente disso, a termoacumulação ainda se sustenta enquanto instrumento de gestão energética.

O professor João Pimenta acredita que sim, mas amplia o argumento. Segundo ele, além de deslocar o consumo para horários de tarifa mais baixos, a termoacumulação pode reduzir a demanda elétrica máxima, evitando ultrapassagens da demanda contratada e aumentando a flexibilidade operacional dos sistemas de climatização e refrigeração, benefícios esses que permanecem válidos independentemente da estrutura tarifária vigente.

Leonilton Tomaz Cleto vai direto ao ponto sobre porque a solução caiu em desuso. Para ele, os sistemas de água gelada com tanques de termoacumulação ainda estão entre os mais eficientes e confiáveis ​​do mercado. O problema, explica, começou com a migração para o mercado livre de energia, quando se fundou a ideia de que “não havia mais horário de ponta” — uma generalização que não é totalmente verdadeira. Falta, na avaliação do responsável pelo projeto, um estudo de engenharia mais rigoroso antes de descartar a solução.

Há ainda um segundo fator, mais importante na visão de Cleto: a própria termoacumulação foi mal aplicada em diversos projetos brasileiros, principalmente em sistemas de termoacumulação de gelo, segundo ele, “a pior opção de sistema de água gelada”. Segundo o consultor, esse tipo de sistema nunca foi viável no Brasil, e o mercado livre acabou por ser um pretexto conveniente para abandoná-lo, em meio à frustração generalizada dos usuários com os problemas operacionais recorrentes. O resultado colateral, argumenta Cleto, foi que os sistemas de termoacumulação de água gelada, infinitamente superiores, acabaram sendo descartados juntos, por associação indevida. “No entanto, o sistema de termoacumulação de água gelada ainda é a melhor solução de engenharia e deveria ser considerado em muitas aplicações”, afirma.

Da gestão de energia à gestão de eficiência

Os dois especialistas convergem em um ponto central: a discussão precisa sair do campo elétrico e entrar no campo termodinâmico. Pimenta lista os benefícios ainda vigentes: redução de custos operacionais e de demanda máxima, aproveitamento de excedentes de geração renovável, aumento da segurança operacional e, em sistemas bem concebidos, possibilidade de reduzir a capacidade instalada de chillers e da infraestrutura elétrica associada. Ele faz, porém, uma ressalva: a redução de Capex não é automática e depende diretamente da configuração e do dimensionamento do sistema.

Leonilton Tomaz Cleto propõe uma mudança de abordagem mais radical. Para ele, ainda hoje os critérios de aplicação da termoacumulação costumam ficar limitados à sua utilização no horário de ponta, quando, na verdade, sua melhor aplicação estava ligada à eficiência, não apenas ao consumo de energia. O consultor observa que a gestão de energia normalmente fica sob responsabilidade de equipes de engenharia elétrica, que muitas vezes não têm o conhecimento aprofundado sobre o comportamento da eficiência de um sistema de água gelada ao longo do dia, considerando o ciclo de operação, seja de 12, 18 ou 24 horas, e ao longo do ano, com as variações climáticas. Na sua visão, disciplinas como termodinâmica, transferência de calor e mecânica dos fluidos têm impacto muito maior na eficiência energética de um sistema de água gelada do que os fatores do sistema elétrico que atende o sistema de água gelada, ainda que estes também sejam relevantes.

Para ilustrar o argumento, Cleto apresenta um dado técnico. Um chiller de alto desempenho, com condensação a água, pode atingir um COP acima de 6,0 kW/kW operando a 100% de carga no pico do verão. Em climas mais amenos, esse mesmo equipamento pode alcançar um COP superior a 9,0 kW/kW — um ganho de eficiência de cerca de 50%. Ele pondera, no entanto, que esse ganho nem sempre se traduz totalmente em desempenho positivo para sistemas convencionais que operam apenas em horário diurno ou por períodos de 16 a 18 horas. Considerando a maior parte do território brasileiro — de São Paulo ao Norte e Nordeste, excetuando a região Sul —, mesmo sistemas eficientes e bem controlados costumam atingir, nos períodos de temperaturas mais amenas, um COP de chiller (isoladamente, sem contar a Central de Água Gelada como um todo) na faixa de 7,5 a 8,0 kW. É justamente aí, segundo o consultor, que entra a vantagem da termoacumulação: operando no período noturno, é possível obter resultados de eficiência ainda melhores.

Qual o melhor horário para acumular?

Se antes a lógica era simples — produzir fora do horário de ponta —, hoje a decisão sobre quando acumular energia térmica ficou mais complexa. João Pimenta confirma que, sem tarifas horosazonais diferenciadas, a termoacumulação perde parte do seu apelo original. Ainda assim, permanece o benefício de acumular água gelada em períodos de temperatura externa mais amena — normalmente à noite —, que favorecem COPs mais altos e, consequentemente, menor consumo de energia e menor custo por TRh (tonelada de refrigeração-hora) acumulada. Em instalações com geração fotovoltaica, pondera o professor, pode ainda ser vantajoso concentrar a produção térmica durante as horas de maior geração solar. A decisão ideal, segundo ele, deve considerar simultaneamente tarifas, demanda contratada, condições climáticas, eficiência dos chillers, previsão de carga e disponibilidade de geração renovável.

Tomaz Cleto é ainda mais enfático ao separar as duas tecnologias. Sobre a termoacumulação de gelo, a sua avaliação é dura: “nunca trouxe vantagens, só prejuízos — pior que sítio no interior, casa na praia ou jipe ​​antigo”, compara. O problema, segundo ele, começava já no projeto, no dimensionamento — frequentemente superdimensionado — da carga térmica no horário de ponta (das 17h30 às 20h30). As contas feitas no projeto são planejadas, mas, na prática, o resultado foi ruim. O caso mais crítico, segundo Cleto, era os edifícios de escritórios: a partir das 18h30 o prédio se esvaziava e a carga térmica prevista em projeto para o horário de ponta simplesmente não se concretizava, comprometendo o retorno do investimento.

O consultor aponta ainda um problema de eficiência mais grave: para produzir gelo no horário noturno, o consumo de energia do sistema como um todo — chillers, bombas e torres de resfriamento — costuma ser de 50% a 55% maior. A isso se soma o uso de solução de etileno glicol, para viabilizar o congelamento, mas que ele descreve como um fluido de propriedades termofísicas ruins: baixa eficácia nos trocadores de calor (reduzindo o COP dos chillers) e maior consumo de energia de bombeamento, devido às propriedades mais elevadas. A manutenção desse fluido, acrescenta, também é cara e mais difícil. ” Assim, quando se provou que a termoacumulação de gelo era uma solução muito ruim para os sistemas de água gelada no Brasil (e eu me sinto orgulhoso por fazer parte de um grupo de engenheiros que difundiu essa inviabilidade), infelizmente acreditou-se que os sistemas de termoacumulação de água gelada também eram inviáveis”, reforçando que os dois sistemas não deveriam ter sido julgados pela mesma régua.

Uma diferença técnica relevante, segundo o consultor, é que o volume do tanque em sistemas de gelo é bem menor que o de sistemas de água gelada — o que tornou difícil viabilizar tanques de água gelada em edifícios com mais de 50 metros de altura. Por outro lado, em aplicações industriais, hospitais, data centers e shopping centers com tipologia mais horizontal — ou nos casos em que é possível instalar o tanque no topo do prédio —, Cleto vê grandes vantagens e possibilidades reais de ganho de eficiência. A chave, segundo ele, é a aplicação de um sistema de automação otimizado, supervisionado por especialistas em eficiência de sistemas de termoacumulação de água gelada. A introdução da inteligência artificial no controle desses sistemas pode tornar essa ferramenta ainda mais poderosa nas mãos dos especialistas.

Cleto destaca ainda uma vantagem operacional pouco discutida: diferente do gelo, o tanque de água gelada pode ser “carregado” ou “descarregado” a qualquer momento da operação, sendo utilizado ao longo de todo o dia — seja para otimizar a operação dos chillers ou para garantir maior estabilidade operacional do sistema. Quanto ao horário ideal, a sua recomendação é clara: acumular à noite (mesmo em sistemas que funcionam 24 horas por dia) e utilizar o tanque no período de pico de carga térmica, que costuma coincidir com o horário de ponta tarifário. Ele lamenta que não exista, hoje, uma tarifa reduzida para o período noturno, e sugere que, num contrato de mercado livre bem estruturado, uma tarifa especial entre 22h00 e 6h00, por exemplo, tornaria a termoacumulação de água gelada uma proposta ainda mais atrativa para consumidores e fornecedores.

Geração distribuída como nova oportunidade para estocar energia

Com a expansão da geração distribuída, sobretudo fotovoltaica, a pergunta natural é se essa tendência devolve à termoacumulação parte do apelo que ela tinha na era da tarifa horosazonal. Para João Pimenta, a resposta é afirmativa: os excedentes de geração fotovoltaica podem ser utilizados para produzir e armazenar água gelada ou água quente para uso posterior, aumentando o autoconsumo da geração local, reduzindo a demanda em horários críticos e desacoplando o momento da geração elétrica do momento do consumo térmico. Ele observa que, no contexto dos edifícios, essa integração tende a ser mais relevante com a geração fotovoltaica do que com a eólica.

Tomaz Cleto registra menos familiaridade com o tema da geração distribuída em si, mas aponta o que considera óbvio: como a energia elétrica ainda não pode ser armazenada de forma ampla e barata, a energia térmica — que pode — se torna um complemento natural. Para ele, a grande oportunidade é a aplicação de termoacumulação de água gelada em sistemas de District Cooling (resfriamento distrital) associados a sistemas locais de geração de energia, um movimento que já vem crescendo nos Estados Unidos e na Europa. Novamente, os consultores reforçam que a vantagem real depende da otimização do deslocamento da carga térmica diurna — principalmente no pico — para a termoacumulação realizada no período noturno.

Sobre os segmentos com maior potencial de aplicação, Pimenta afirma que a termoacumulação é especialmente atraente em instalações com cargas térmicas elevadas e previsíveis, picos declarados, restrições de demanda elétrica ou tarifas diferenciadas. Ele cita como setores de maior potencial os edifícios corporativos, universidades, hospitais, shopping centers, aeroportos, indústrias, sistemas distritais de água gelada e data centers.

Tomaz Cleto amplia a resposta: praticamente qualquer setor pode se beneficiar da termoacumulação de água gelada. As limitações, na visão dele, estão muito mais ligadas à prática de cada aplicação – o que exige um estudo de critérios de engenharia, incluindo uma análise não superdimensionada do perfil de carga térmica, além de aspectos estruturais como área disponível, volume e peso do tanque, pressão de projeto, horários de operação e, claro, o retorno financeiro do investimento.

Nesse ponto, o consultor traz uma reflexão sobre como o setor costuma avaliar o retorno do investimento em climatização de modo geral. Ele lembra que, no caso de um sistema de ar-condicionado convencional, ninguém questiona o ROI (retorno sobre o investimento) antes de decidir pela sua implantação, mesmo quando esse retorno supera dois anos, considerando apenas os custos energéticos. Mas se o projeto inclui a produtividade dos usuários, comparando um sistema padrão (avaliado apenas pela eficiência dos chillers) com um sistema otimizado com termoacumulação de água gelada, o resultado passa a ser, segundo ele, muito favorável à termoacumulação.

Benefícios ambientais

João Pimenta defende que o impacto ambiental da termoacumulação é significativo e vai além da simples redução de custos. Segundo ele, um projeto eficiente de termoacumulação diminui a demanda máxima e otimiza a infraestrutura, reduzindo a capacidade necessária de chillers e o inventário de fluidos refrigerantes – o que minimiza riscos ambientais e de segurança associados a vazamentos. Além disso, o sistema amplia o aproveitamento de fontes renováveis ​​e permite que o carregamento térmico ocorra em períodos de menor intensidade de carbono na rede elétrica. Ele faz, contudo, uma ressalva: o benefício real ecológico depende da tecnologia adotada, das perdas térmicas do sistema e do perfil da geração elétrica local, ou seja, não é um ganho automático ou universal.

Leonilton Tomaz Cleto prefere um enquadramento diferente. Ele insiste em usar o termo “gestão de eficiência energética” em vez de “gestão de energia”, argumentando que, em sistemas termodinâmicos, indicadores como COP, SEER ou PLV (Part Load Value) são muito mais representativos do desempenho real do sistema do que o simples consumo registrado na conta de energia. Quanto à dimensão ambiental especificamente, sua visão é mais cética: para ele, qualquer discurso que vá além dos ganhos operacionais e de eficiência energética já fornecidos pela termoacumulação de água gelada tende a ser, em boa parte, marketing. Isso não significa negar o benefício ambiental — a economia de energia e a redução de impacto ambiental já são, segundo ele, consequências naturais de maior eficiência —, mas ele evita trazer à solução um propósito ambiental que vai além disso.

O potencial pouco explorado nos data centers

Um dos segmentos que mais poderia beneficiar-se da termoacumulação seria o de data centers, hoje entre os maiores consumidores de energia elétrica do país e do mundo. Pimenta explica que, nesse tipo de instalação, a termoacumulação atua na redução da demanda de pico, na otimização do PUE (Power Usage Effectiveness) e no aumento da resiliência operacional. O processo se viabiliza pela produção e armazenamento de energia térmica, via água gelada, gelo ou materiais de mudança de fase (PCMs), durante períodos de menor custo energético ou de temperaturas externas mais baixas. Esse “inventário térmico” é então utilizado nos horários de pico para aliviar os chillers e liberar capacidade elétrica para os servidores de TI. Pimenta destaca ainda um benefício de segurança operacional: o sistema viabiliza resfriamento contínuo emergencial durante falhas na rede elétrica, cobrindo o intervalo necessário para a partida dos geradores de backup. A implementação, porém, exige controle automatizado de alta precisão, sistemas redundantes e dimensionamento específico da autonomia térmica necessária.

Tomaz Cleto é categórico ao afirmar que a termoacumulação deveria ser muito mais utilizada no Brasil em projetos de data centers, como já ocorre nos Estados Unidos e na Europa. Mas, segundo sua avaliação, isso ainda não acontece por aqui, mesmo em projetos novos, em razão de abordagens conservadoras e soluções mais simplistas, em que a garantia de operação é resumida a redundância e continuidade operacional. Essa simplificação, na visão do consultor, gera confusão na própria definição do conceito do sistema de água gelada, que poderia ser bem mais eficiente e, ao mesmo tempo, oferecer maior garantia operacional. Ele faz uma ressalva importante: o conceito de termoacumulação de água gelada aplicado a um data center — assim como em outros sistemas industriais — não deve ser entendido apenas como uma ferramenta para economizar energia no horário de ponta.

Água gelada x gelo: entendendo as diferenças de processo

Pimenta explica que, embora ambos utilizem chillers para resfriar um fluido de trabalho e tanques para armazenar a energia térmica, os processos sofrem significativamente na termodinâmica e na operação.

Na termoacumulação por água gelada, os chillers operam com setpoints positivos — acima de 0°C —, armazenando o que se chama de calor sensível. Já na produção de gelo, o sistema trabalha com calor latente, o que exige setpoints negativos e o uso de uma solução anticongelante como fluido secundário para viabilizar o congelamento.

Essa diferença física tem impacto direto no dimensionamento e na eficiência de cada sistema. O armazenamento em gelo exige um volume de reservatório significativamente menor, o que é vantajoso em locais com restrição de espaço. Em contrapartida, operar o chiller em temperaturas negativas reduz o COP do equipamento e aumenta o consumo de energia. Por isso, segundo o professor, o sistema de gelo exige um projeto e um controle operacional muito mais precisos para equilibrar a eficiência energética e as previsões econômicas.

Componentes de um sistema de termoacumulação

Além dos chillers, que produzem água gelada ou o gelo, um sistema de termoacumulação depende de uma série de outros componentes para cumprir sua função. João Pimenta lista os principais: tanque de armazenamento, isolamento térmico, bombas, tubulações, válvulas de controle e balanceamento, vasos de expansão, trocadores de calor, sistemas de tratamento de água, sensores de temperatura, pressão e vazão, além de medição de energia térmica. Ele reforça que o sistema de automação e controle é fundamental, pois precisa coordenar o carregamento e a descarga do tanque conforme a carga térmica, as tarifas vigentes, a demanda elétrica contratada, a geração renovável disponível e o estado de carga do próprio reservatório.

Leonilton Tomaz Cleto confirma que esses são, de fato, os componentes básicos de qualquer sistema de água gelada — com exceção do próprio tanque de termoacumulação, que é o elemento que diferencia essa configuração dos demais. Ele descreve o tanque, de forma didática: “Tratando-se do sistema de termoacumulação de água gelada, de fato, o tanque de termoacumulação nada mais é do que um bypass enorme (de grande volume) entre o circuito primário e o circuito secundário de água gelada. E o fluxo da água gelada da saída dos chillers para o inferior do tanque de termoacumulação ou do inferior do tanque para a sucção das BAGS depende primeiramente das demandas de vazão do circuito primário e do circuito secundário. Ou seja, sempre que a vazão no circuito primário for superior à vazão do circuito secundário, o tanque estará recebendo água gelada (no jargão de campo, o tanque estará sendo “carregado” de água gelada) e quando a vazão do circuito secundário for maior que a do circuito primário, o tanque estará sendo “descarregado”.

Mas a maior diferença, segundo Cleto, é mesmo no sistema de automação e controle da Central de Água Gelada (CAG). Um sistema convencional, sem termoacumulação, pode até operar com um controle inadequado — fruto de projeto malfeito, lógicas incompletas ou outras limitações — e ainda assim funcionar, ainda que de forma ineficiente e instável. Já em um sistema com termoacumulação de água gelada, um controle inadequado tem consequências muito ruins: pode levar à descarga do tanque — enchendo-o de água quente de retorno — fora do planejamento, comprometendo toda a estratégia energética planejada. Enquanto isso ocorre, os chillers passam a operar em carga parcial e com baixo diferencial de temperatura, prejudicando ainda mais a eficiência do conjunto. Para o consultor, o componente mais importante de qualquer sistema de água gelada continua sendo uma boa engenharia — e isso é ainda mais determinante quando o projeto inclui termoacumulação.

Uma solução técnica, não apenas tarifária

Ao sintetizar sua posição sobre o tema, João Pimenta afirma que a termoacumulação permanece uma proteção relevante e deve ser considerada sempre que uma ou mais condições estejam presentes: tarifas horárias desenvolvidas, ou demanda intermitente com intervalos prolongados sem carga, o que permite adotar um sistema com capacidade reduzida de resfriamento ou aquecimento.

Para o professor, a previsão da termoacumulação não deve mais ser avaliada apenas pela diferença entre tarifas de ponta e fora de ponta — planejamentos que dominaram o raciocínio do setor por décadas. Ele defende que a solução seja entendida como um recurso mais amplo: deslocar cargas, reduzir a demanda elétrica, integrar fontes renováveis, limitar a capacidade instalada de equipamentos e aumentar a resiliência operacional das instalações. A sua aplicação, segundo Pimenta, é mais atraente quando há cargas térmicas previsíveis, picos pronunciados, restrições de energia elétrica, tarifas desenvolvidas, excedente de geração renovável ou necessidade de reserva térmica para continuidade operacional. A decisão final, conclui, deve resultar de uma análise técnica e critério econômico do perfil de horário de carga, da eficiência do sistema, das perdas térmicas envolvidas, do espaço disponível, do investimento necessário e da estratégia de controle a ser empregado.

O conjunto das respostas dos dois especialistas converge para uma mensagem que interessa diretamente a todo o setor de AVAC-R: a termoacumulação de água gelada não deveria ter sido descartada como consequência do fracasso da termoacumulação de gelo, tampouco apenas pelo fim da tarifa horosazonal tradicional. Estamos falando de duas tecnologias específicas, com desempenhos termodinâmicos muito diferentes, e cujas previsões dependem, acima de tudo, de bom dimensionamento, controle de automação bem projetado e uma leitura realista do perfil de carga da instalação; não de uma régua tarifária que, segundo os próprios entrevistados, nunca contou toda a história.

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