Revista O Setor Elétrico

Edição 71 / Dezembro de 2011
Por Hilton Moreno  

Dimensionamento ambiental de condutores elétricos

Desde sempre dimensionamos os circuitos elétricos, sejam de baixa, média ou alta tensão, pelos chamados critérios técnicos, definidos nas normas ABNT NBR 5410 e ABNT NBR 14039. Tais critérios incluem: seção nominal mínima do condutor, capacidade de condução de corrente do condutor em regime permanente, queda de tensão no condutor, proteção do condutor contra sobrecarga e proteção do condutor contra curto-circuito.

Ao utilizar tais critérios, vamos obter sempre a menor seção nominal de um condutor que seja adequada para aquele determinado circuito, de forma a garantir a segurança e a operação da instalação. Mesmo que a seção de um condutor tenha sido aumentada para atender, por exemplo, a queda de tensão, ainda assim vamos obter a menor seção nominal para atender àquele critério.

Sabemos da Física de 2º grau que R = ρ . l / S, ou seja, quanto menor a seção S de um condutor, maior sua resistência R. Ainda do 2º grau: E = R . I² .  Δt. Dessa forma, quanto maior R, maior a energia dissipada em um condutor. Por outro lado, tal energia dissipada em um condutor é gerada em uma fonte que emite uma maior ou menor quantidade de dióxido de carbono (CO₂) na atmosfera em função da sua matriz energética. Usinas eólicas e fotovoltaicas emitem muito menos quantidades de CO₂ do que usinas a carvão ou óleo e assim por diante. A emissão de CO₂ é diretamente proporcional à energia dissipada no condutor e, consequentemente, diretamente proporcional à sua resistência R e inversamente proporcional à seção nominal do condutor. Em resumo, mantidos o comprimento de um condutor, a corrente elétrica que nele circula e o tempo desta circulação, se for aumentada a seção de um cabo, automaticamente é reduzida a emissão de CO₂ na atmosfera. Esse é o princípio do chamado dimensionamento ambiental de condutores elétricos.

Ao longo do ciclo de vida dos fios e cabos elétricos, as mais significativas emissões de CO₂ (gás do efeito estufa) são produzidas quando os condutores transportam a energia elétrica, sendo relativamente pequenas na fase de fabricação e descarte desses produtos. Assim, haverá um ganho ambiental sempre que, num período considerado, as emissões de CO₂ evitadas durante a operação do cabo forem menores do que as emissões de CO₂ realizadas para sua fabricação.

Redução das emissões de CO₂ na geração de energia pelo aumento da seção

Quando os condutores dimensionados pelo critério técnico (de menor seção) são substituídos por condutores dimensionados pelo critério ambiental (de maior seção), a quantidade anual de redução de emissões de CO₂ é dada pela seguinte fórmula:

Z₁ = S [N_p ´ N_c x I² ´ (R₁ – R₂) ´ 10^-3 ´ T ´ l ´ K₁]                             

Em que:

Z₁ = quantidade anual de redução de emissões de CO₂, [kg CO₂];

N_p = número de condutores de fase por circuito;

N_c = número de circuitos que levam o mesmo tipo e valor de carga;

I = corrente de projeto, [A];

l = comprimento do cabo, [km];

R₁ = resistência do condutor por unidade de comprimento dimensionado pelo critério técnico (menor seção), [W/km];

R₂ = resistência do condutor por unidade de comprimento dimensionado pelo critério econômico (maior seção), [W/km];

T = tempo de operação por ano [h/ano];

K₁ = emissões de CO₂ no momento da geração por unidade de energia elétrica, [kgCO₂/kWh]. Este valor varia conforme a característica da matriz energética de cada país, sendo maior nos casos em que fontes primárias de energia forem mais poluentes (combustíveis fósseis) e menor onde as fontes primárias forem mais limpas e renováveis (hidráulica, solar, eólica, etc.). No caso do Brasil, dados de 2010 indicam um valor de K₁ = 0,089 kgCO₂/kWh.

Aumento das emissões de CO₂ na fabricação de condutores pel aumento da seção

O aumento da seção dos condutores quando dimensionados pelo critério ambiental tem como consequência direta o aumento nas emissões de CO₂ no processo completo de fabricação dos cabos elétricos, desde a fase de extração do metal condutor na mina até o descarte do produto após sua utilização (ciclo de vida do produto). Isso se deve ao fato de que seções maiores utilizam mais materiais e, consequentemente, mais energia é consumida na fabricação e demais etapas da vida do produto.

O principal aumento nas emissões de CO₂ devido ao aumento da seção ocorre na produção do cobre, desde a mina até a fabricação do elemento condutor do cabo. O aumento anual das emissões de CO₂ neste caso é dado pela seguinte expressão:

Z₂ = S [(W₂ – W₁) ´ l ´ K₂]                                               

Em que:

Z₂ = quantidade anual de aumento de emissões de CO₂, [kgCO₂];

W₁ = peso do condutor por unidade de comprimento dimensionado pelo critério técnico (menor seção), [kg/km];

W₂ = peso do condutor por unidade de comprimento dimensionado pelo critério econômico (maior seção), [kg/km];

l = comprimento do cabo, [km];

K₂ = emissões de CO₂ no momento da produção do cobre por unidade de cobre, [kg-CO₂/kg-Cu]. Este valor varia conforme a característica da matriz energética de cada país e do processo de extração e fabricação do metal, sendo maior nos casos onde fontes primárias de energia são mais poluentes (combustíveis fósseis) e menor onde as fontes primárias são mais limpas e renováveis (hidráulica, solar, eólica, etc.). No caso do Brasil, onde a maioria do cobre utilizado nos condutores elétricos é importada do Chile, recomenda-se utilizar K₂ = 4,09 kg-CO₂/kg-Cu que é aquele correspondente à produção do catodo de cobre eletrolítico realizada naquele país.

Ganho ambiental

O resultado do dimensionamento ambiental de condutores elétricos pode ser determinado por Z₁ – Z₂. Na condição de Z₁ – Z₂ > 0, as reduções nas emissões de CO₂ obtidas pelo uso de cabos de maiores seções durante a vida econômica considerada compensaram os aumentos nas emissões de CO₂ devidas ao processo de fabricação dos cabos com maiores seções. Em outras palavras, Z₁ – Z₂ representa o ganho ambiental obtido pela redução das emissões de CO₂ devido ao dimensionamento econômico dos condutores.

Futuro

Dada a importância cada vez maior das questões de sustentabilidade em todos os setores, pode-se supor que as redes elétricas não ficarão de fora deste assunto, principalmente se for considerado que estão disponíveis os conceitos e equações para abordar tal tema. É apenas uma questão de tempo e vontade para que as normas técnicas e os procedimentos de cálculo em geral incluam o requisito ambiental. Seria muito interessante que, inicialmente, mesmo que de forma voluntária, normas como a ABNT NBR 5410 e ABNR NBR 14039 incluíssem em seus textos os critérios de dimensionamento ambiental e econômico (conforme a ABNT NBR 15920). Com certeza, o meio ambiente agradeceria esta iniciativa! O Japão, por exemplo, está revisando sua norma de instalações elétricas de baixa tensão para incluir, de modo compulsório, o dimensionamento ambiental de condutores elétricos naquele país. Esse pode ser um ótimo exemplo para o resto do mundo.