O fantasma do apagão criado pela crise energética que o país vem atravessando trouxe o tema controle da energia para a pauta do dia. Contudo, gerenciamento da energia é mais do que um tema, é uma necessidade. Faz parte dos quesitos básicos de controle de custos de toda empresa competitiva. Mas como trabalham os controladores de demanda? Como fazer a escolha adequada na hora de implantar um sistema de controle de energia? Para responder a estas questões é preciso ter em mente alguns conceitos bem definidos, como demanda, fator de potência e formas de tarifação.

O que é demanda
Demanda é o consumo de energia da instalação dividido pelo tempo no qual se verificou tal consumo. Para faturamento de energia pela concessionária, utilizam-se intervalos de integração de 15 minutos. Assim, a demanda de energia (medida em kW) é igual ao consumo a cada 15 minutos (medido em kWh) dividido por 1/4 (15 minutos correspondem a 1/4 de hora). Em um mês, ocorrem quase 3000 intervalos de quinze minutos; a demanda será medida quase 3000 vezes ao longo do mês, e a concessionária de energia elétrica escolherá o valor mais alto, ainda que tenha sido verificado uma única vez.

O que é fator de potência
Considerando que potência é a energia gerada ou consumida num sistema num intervalo de tempo, e como a maioria das cargas de uma instalação elétrica é indutiva, exigindo um campo eletromagnético para funcionar, uma instalação necessita sempre de dois tipos de energia:
Potência Ativa - que realiza o trabalho propriamente dito, gerando calor, iluminação, movimento etc., e é medida em kW
Potência Reativa - que mantém o campo eletromagnético, e é expressa em KVAr.
O Fator de Potência é o valor obtido através da relação entre a potência ativa e a potência total numa instalação, num dado intervalo de tempo.
A Potência Total ou Aparente é dada em KVA, e é a soma vetorial das potências ativa e reativa, como mostra a figura acima.
O fator de potência é sempre um número entre 0 e 1 (alguns o expressam entre 0 e 100%) e pode ser capacitivo ou indutivo, de acordo com o consumo de energia reativa, se capacitivo ou indutivo. Para faturamento de energia, o fator de potência é registrado de hora em hora.

Como é cobrada a energia elétrica
Da mesma forma que é mensurada a demanda, os mecanismos de tarifação levam em conta o pior valor de fator de potência registrado ao longo do mês, dentre os mais de 700 valores registrados. A energia elétrica pode ser cobrada de diversas maneiras, dependendo do enquadramento tarifário de cada consumidor. Resumidamente, a classificação dos consumidores é feita da seguinte maneira:

Consumidor do Grupo A: são aqueles atendidos em tensão de fornecimento igual ou superior a 2,3 kV ou ligados em baixa tensão em sistema de distribuição subterrâneo mas considerados, para efeito de faturamento, como de alta tensão. Nesta categoria, os consumidores pagam pelo consumo, pela demanda e por baixo fator de potência, mediante três tipos de tarifação: convencional, horo-sazonal azul e horo-sazonal verde.

Consumidor do Grupo B: são os demais consumidores, divididos em três tipos de tarifação: residencial, comercial e rural. Neste grupo, os consumidores pagam apenas pelo consumo medido. Tolerância de ultrapassagem de demanda: é uma tolerância dada aos consumidores das tarifas horo-sazonais para fins de faturamento de ultrapassagem de demanda. Esta tolerância é de:
5% para os consumidores atendidos em tensão igual ou superior a 69 KV.
10% para os consumidores atendidos em tensão inferior a 69 KV (a grande maioria), e demanda contratada superior a 100 kW.
20% para os consumidores atendidos em tensão inferior a 69 KV, e demanda contratada de 50 a 100 kW.
A maioria das pequenas e médias empresas (industriais ou comerciais) brasileiras se encaixa no Grupo A, que é cobrado pelo consumo, pela demanda e por baixo fator de potência. Esses consumidores podem ser enquadrados na tarifação convencional ou na tarifação horo-sazonal (azul ou verde). Os custos por kWh são mais baixos nas tarifas horo-sazonais, mas as multas por ultrapassagem são mais pesadas. Assim, para a escolha do melhor enquadramento tarifário (quando facultado ao cliente) é necessária uma avaliação específica.

Tarifação Convencional
Na tarifação convencional, o consumidor paga à concessionária até três parcelas: consumo, demanda e ajuste de fator de potência. O faturamento do consumo é igual ao de nossas casas, sem a divisão do dia em horário de ponta e fora de ponta. A parcela de faturamento de consumo é obtida acumulando-se o total de kWh consumidos e aplica-se uma tarifa de consumo. Já a parcela de faturamento de demanda é obtida pela aplicação de uma tarifa de demanda à demanda faturada, que é o maior valor dentre: a demanda registrada, a demanda contratada, e 85% da máxima demanda dos últimos 11 meses. Neste ponto é sensível a importância do controle de demanda: um pico de demanda na tarifação convencional pode significar acréscimos na conta de energia por até 12 meses.
Para o cálculo da parcela de ajuste de fator de potência, o dia é dividido em duas partes: horário capacitivo e o restante. Se o fator de potência do consumidor estiver fora dos limites estipulados pela legislação, haverá penalização por baixo fator de potência. Se o fator de potência do consumidor estiver dentro dos limites pré-estabelecidos, esta parcela não é cobrada.

Tarifação Horo-Sazonal (Azul e Verde)
Como vimos, as tarifas de eletricidade em vigor possuem estruturas com dois componentes básicos na definição do seu preço: componente relativo à demanda de potência (kW) e componente relativo ao consumo de energia (kWh). Até 1981, o único sistema utilizado, denominado Convencional, não permitia que o consumidor percebesse os reflexos decorrentes da forma de utilizar a eletricidade, já que não havia diferenciação de preços segundo a sua utilização durante as horas do dia e períodos do ano.
Era indiferente para o consumidor utilizar a energia elétrica durante a madrugada ou no final da tarde, assim como consumir durante o mês de junho ou dezembro. Com isso, o perfil do comportamento do consumo ao longo desses períodos reflete uma tendência natural, vinculada exclusivamente aos hábitos de consumo e às características próprias do mercado de uma determinada região.
A figura mostra o comportamento médio do mercado de eletricidade, ao longo de um dia. Observa-se, no horário das 17 às 22 horas, uma intensificação do uso da eletricidade. Esse comportamento resulta das influências individuais das várias classes de consumo que normalmente compõem o mercado: industrial, comercial, residencial, iluminação pública, rural e outras.
O horário de maior uso, acima identificado, é denominado horário de ponta do sistema elétrico, e é justamente o período em que as redes de distribuição assumem maior carga, atingindo o seu valor máximo aproximadamente às 19 horas, variando um pouco este horário de região para região do país. Devido ao maior carregamento das redes de distribuição neste horário, verifica-se que um novo consumidor a ser atendido pelo sistema custará mais à concessionária nesse período de maior solicitação do que em qualquer outro horário do dia, tendo em conta a necessidade de ampliação do sistema para atender ao horário de ponta.
Da mesma forma, o comportamento do mercado de eletricidade ao longo do ano tem características próprias, que podem ser visualizadas na próxima figura.
A curva A representa a disponibilidade média de água nos reservatórios das usinas hidrelétricas, constituindo o potencial predominante de geração de eletricidade. A curva B representa o comportamento médio do mercado de energia elétrica em nível nacional, assumindo um valor máximo justamente no período em que a disponibilidade de água fluente nos mananciais é mínima.
Este fato permite identificar, em função da disponibilidade hídrica, uma época do ano denominada período seco, compreendido entre maio e novembro de cada ano, e outra denominada período úmido, de dezembro de um ano até abril do ano seguinte. O atendimento ao mercado no período seco só é possível em virtude da capacidade de acumulação nos reservatórios das usinas que estocam a água afluente durante o ano. Assim, o fornecimento de energia no período seco tende a ser também mais oneroso, pois demanda a construção de grandes reservatórios e de, eventualmente, operar usinas térmicas alimentadas por energéticos importados.
Devido a estas características da carga ao longo do dia e ao longo do ano, em função da disponibilidade de água, foi concebida a Estrutura Tarifária Horo-Sazonal, com as tarifas Azul e Verde, que compreendem a sistemática de aplicação de tarifas e preços diferenciados, de acordo com o horário do dia (ponta e fora de ponta) e períodos do ano (seco e úmido). Assim, para o faturamento do consumo, acumula-se o total de kWh consumidos em cada período: fora de ponta seca ou fora de ponta úmida, e ponta seca ou ponta úmida. Para cada um destes períodos aplica-se uma tarifa de consumo diferenciada, e o total é a parcela de faturamento de consumo.
Evidentemente, as tarifas de consumo nos períodos secos são mais caras que nos períodos úmidos, e no horário de ponta é mais cara que no horário fora de ponta.
Na tarifação horo-sazonal azul, o faturamento da parcela de demanda será igualmente composto por parcelas relativas a cada período: fora de ponta seca ou fora de ponta úmida, e ponta seca ou ponta úmida. Para cada período, o cálculo será o seguinte:
Caso 1 - Demanda registrada inferior à demanda contratada - aplica-se a tarifa de demanda correspondente à demanda contratada.
Caso 2 - Demanda registrada superior à demanda contratada, mas dentro da tolerância de ultrapassagem - aplica-se a tarifa de demanda correspondente à demanda registrada.
Caso 3 - Demanda registrada superior à demanda contratada e acima da tolerância - aplica-se a tarifa de demanda correspondente à demanda contratada, e soma-se a isso a aplicação da tarifa de ultrapassagem correspondente à diferença entre a demanda registrada e a contratada. Ou seja, paga-se tarifa normal pelo contratado, e tarifa de ultrapassagem sobre o excedente.
Na tarifa verde, o consumidor contrata apenas dois valores de demanda, um para o período úmido e outro para o período seco. Não existe contrato diferenciado de demanda no horário de ponta, como na tarifa azul. Assim, o faturamento da parcela de demanda será composto por uma parcela apenas, relativa ao período seco ou ao período úmido, usando o mesmo critério anterior.
Para o cálculo da parcela de ajuste de fator de potência, o dia é dividido em três partes: horário capacitivo, horário de ponta e o restante. Se o fator de potência do consumidor, registrado de hora em hora ao longo do mês, estiver fora dos limites estipulados pela legislação, haverá penalização por baixo fator de potência. Se o fator de potência do consumidor estiver dentro dos limites pré-estabelecidos, esta parcela não é cobrada. Considera-se ainda uma tolerância de ultrapassagem de demanda, que é dada aos consumidores das tarifas horo-sazonais para fins de faturamento de ultrapassagem de demanda, da seguinte forma: 5% para os consumidores atendidos em tensão igual ou superior a 69 KV, 10% para os consumidores atendidos em tensão inferior a 69 KV (a grande maioria) e com demanda contratada superior a 100 kW, e 20% para os consumidores atendidos em tensão inferior a 69 KV e com demanda contratada de 50 a 100 kW.

Por que e como controlar a demanda?
Qualquer que seja o enquadramento tarifário, dentro do Grupo A, será registrada mensalmente, para fins de faturamento, a cada mês, a maior demanda de cada um dos intervalos de integração de 15 minutos ao longo do mês. Se a empresa estiver enquadrada na tarifa horo-sazonal azul, terá uma demanda registrada para o horário fora de ponta, e outra demanda registrada para o horário de ponta. Estes valores, quando elevados, podem ocasionar pesados acréscimos à fatura de energia.
A Portaria DNAEE 1569/93 estabeleceu novas regras para o fator de potência dos consumidores do Grupo A. Em linhas gerais, o fator de potência das instalações deverá ser mantido acima de 0,92 indutivo durante os horários fora de ponta indutivo e de ponta, e acima de 0,92 capacitivo no horário capacitivo. Como o fator de potência é medido pela concessionária de hora em hora, há que se controlá-lo contínua e automaticamente, de modo a evitar multas por baixo fator de potência.
Assumindo que a concessionária possui instalados junto à entrada de energia todos os medidores e registradores necessários à cobrança das grandezas elétricas que o enquadramento tarifário permite a ela cobrar, a cada 15 minutos, durante todos os dias entre as leituras de energia, são medidas e registradas as demandas ativa e reativa. Durante a leitura, esses dados são transferidos para um coletor de dados e, posteriormente, descarregados no computador da concessionária que faz o faturamento de cada um dos clientes.
Como um bom controlador deve atuar? Basicamente, deve monitorar o comportamento da demanda e do fator de potência continuamente, fornecer relatórios diários com tabelas e gráficos que permitam analisar o comportamento da demanda e do fator de potência - usualmente por meio de um software opcional de gerenciamento -, e que forneçam subsídios para as medidas corretivas cabíveis, além de controlar automaticamente as cargas e os capacitores, impedindo a ocorrência de multas. Em linhas gerais, um controlador atua dessa forma: ele recebe os pulsos emitidos pelo medidor REP, utilizado pela concessionária para fazer os registros que servirão ao faturamento de sua energia, e os utiliza para fazer cálculos e controles. Estes pulsos são recebidos pela placa de interface do sistema, especialmente desenhada para este fim. A concessionária registra a cada 15 minutos - o chamado intervalo de integração - a demanda ativa consumida e a demanda reativa, e com base nestes valores calcula o fator de potência médio da instalação em intervalos de uma hora, ao longo do mês.
O controlador faz constantemente vários cálculos que permitem alcançar valores de demanda e fator de potência (figura ao lado), a cada intervalo de integração, dentro dos limites estabelecidos pela legislação em vigor, sem desligar inutilmente as cargas, sem sobrecarregar os capacitores e sem prejudicar a produção. Ele atua sobre as cargas e sobre os capacitores, obedecendo aos critérios definidos pelo usuário, e garante que a demanda e o fator de potência alcançados no final de cada intervalo estarão dentro dos limites prefixados.
A instalação de um controlador pode ser realizada de várias maneiras, dependendo do ambiente industrial e do modo de operar do usuário. Normalmente, as distâncias entre o controlador e a cabine de medição da concessionária, e entre o controlador e as cargas é que determinam com maior precisão o tipo de instalação que deverá ser implementada.