Climatização residencial no Brasil: perspectivas futuras e o papel no planejamento do sistema

1.     Introdução

Com um aumento observado de mais de três vezes entre 1990 e 2018, o uso de energia para climatização tem apresentado o maior crescimento observado no setor de edificações ^1,2. Nas economias emergentes, como é o caso do Brasil, este está associado principalmente ao aumento da renda, mas também devido à altas temperaturas e à ondas de calor prolongadas³. Sendo assim, a climatização tem sido discutida como uma questão crítica de energia.

No Brasil, estima-se que entre 2005 e 2017 o aumento de demanda por energia elétrica associado ao uso de ar-condicionado tenha sido de 237%, apenas no setor residencial. Esse crescimento pode impactar significativamente o sistema elétrico do país, seja por sua sazonalidade ou por seu impacto nos horários de pico⁴. Dessa forma, medidas de gerenciamento pelo lado da demanda, como medidas de eficiência e tarifação horária, poderiam ser de tamanha importância para a operação de planejamento do setor elétrico.

Planejar o sistema tomando o consumidor final como parte do processo ajuda na gestão futura da geração. Conhecer as particularidades da curva de carga, assim como as medidas para amenizar possíveis picos, tem a vantagem de permitir um sistema mais otimizado, dando mais espaço para renováveis e tendo um custo menor do sistema^5–7. Para isto, é essencial que se conheça a carga e se analise possíveis impactos de demanda no comportamento desta carga. É preciso antever o comportamento da carga para melhor operação e otimização do sistema⁸.

2.     Consumo residencial no Brasil: Acesso à energia elétrica e bens de consumo das famílias

O acesso a rede de energia elétrica e o acesso ao crédito nas últimas décadas permitiu que as famílias tivessem acesso a bens e produtos antes inacessíveis. O programa de universalização de energia elétrica, Luz para Todos (LpT), foi capaz de alcançar uma grande parcela da população que antes se encontrava em situação de vulnerabilidade energética e, consequentemente, social⁹. 

Ainda assim, este acesso não foi o suficiente para que algumas residências consigam usufruir de todos os serviços providos pela eletricidade. Muitas famílias ainda se encontram com limitações no uso de energia, especialmente pela falta de acesso a certos equipamentos e aos altos custos relacionados as suas despesas energéticas¹⁰.

É possível observar na Figura 1 que o uso de equipamentos básicos, como tvs, e geladeiras, teve seu acesso quase universalizado nos últimos anos, acompanhando o progresso da eletrificação do país. Porém, equipamentos considerados menos essenciais, como ares-condicionados e máquinas de lavar, ainda tem um grande espaço para crescimento nos domicílios, especialmente o ar-condicionado.

Apesar do baixo alcance, aparelhos de climatização do tipo ar-condicionado, apresentaram o maior crescimento em sua presença nos lares entre 2002, antes do programa LpT, e 2017. Entre os anos de 2002 e 2017 a taxa de eletrificação cresceu 3,7% e posse de alguns bens básicos como televisores e geladeiras 8,7% e 14,3%, respectivamente. Enquanto isso, aparelhos de ar-condicionado apresentaram um aumento expressivo de mais de 200 vezes.

Figura 1:  Evolução da taxa de eletrificação e posse de equipamentos nas residências brasileiras

Fonte: Elaboração própria a partir de dados do IBGE¹⁰

Num país onde as altas temperaturas são recorrentes, aparelhos de ares-condicionados se tornam cada vez mais relevantes e importantes para a saúde e bem-estar da população. Assim, o uso destes aparelhos observa uma tendência de contínuo crescimento, ainda mais considerando cenários de aquecimento global. Além disso, estes aparelhos representam um consumo individual elétrico muito expressivo, impactando fortemente o consumo de uma família^11,12. Desta forma, avaliar os impactos e as perspectivas do uso de medidas de climatização nas residências pode ser de suma importância para o planejamento energético do sistema.

3.     Climatização no Brasil

O aumento da demanda por aparelhos de ar-condicionado no Brasil pode ser explicado, principalmente, pelo aumento médio da renda das famílias e seu acesso a posse de diferentes aparelhos eletrodomésticos^4,13. Porém, além do aspecto financeiro, outras variáveis se mostram importante para entender a evolução da crescente presença de aparelhos de climatização no país, como a temperatura¹¹.

A presença de aparelhos de ar-condicionado é mais comum em áreas de maiores temperaturas médias anuais (Figura 2). Com exceção da região Sul, onde os aparelhos são usados também na função reversa para aquecimento, no resto do Brasil pode ser observado a relação entre posse e temperatura. Regiões com temperaturas mais altas tendem a apresentar maior presença de aparelhos de ar-condicionado que em regiões com temperaturas mais amenas. Porém, é importante notar, que o clima apenas não define esse comportamento, e o uso de aparelhos de ar-condicionado está limitado, principalmente, pela renda familiar¹¹.

Figura 2: Temperatura média histórica (1970-2010) e posse média de aparelhos de ar-condicionado nos Estados brasileiros

Fonte: Elaboração própria a partir de dados do IBGE¹⁰  

Quando se observa a presença dos equipamentos típicos de climatização entre as diferentes camadas sociais, é possível observar que enquanto os ventiladores estão presentes na maioria das casas, aparelhos de ar-condicionado se concentram nas residências de maior renda. Na Figura 3 é possível observar que domicílios que se encontram no maior quintil[1] (20% com maior renda domiciliar na população) tem uma presença de ar-condicionado maior em 850% que o menor quintil. Essa diferença não é observada para a posse de ventiladores, que são equipamentos financeiramente mais acessíveis. 

Além destas variáveis mencionadas, também, não se pode ignorar a questão cultural e de hábitos de consumo associada a qualquer uso elétrico e comportamento doméstico. Porém, este aspecto se torna mais difícil de avaliar em larga escala e se mostra em menor efeito para uma conjuntura de planejamento nacional.

Figura 3: Posse média de aparelhos de ar-condicionado e ventiladores em 2017 no Brasil

Fonte: Elaboração própria a partir de dados do IBGE¹⁰

Tendo em vista essas variáveis e as perspectivas de aumento das temperaturas e de desenvolvimento econômico do país, o consumo energético para fins de climatização tende a aumentar ainda mais nos próximos anos, se tornando ainda mais relevante na demanda residencial de eletricidade. 

 

Impacto sazonal e diário

A forte presença de aparelhos de climatização nas residências acarreta um novo impacto ao sistema elétrico e a seu planejamento. Em termos de consumo anual, é possível observar que aparelhos de ar-condicionado apresentam uma fração importante do consumo elétrico anual de uma família⁴. Porém, este impacto está concentrado em alguns meses do ano em que as temperaturas se mostram mais altas e a sensação de desconforto térmico é maior¹⁴.

Pode se dizer que o consumo de energia elétrica obedece a um padrão sazonal ao longo de um ano. Embora fatores comportamentais sejam importantes na definição dos padrões de consumo energético, as variações climáticas, como temperatura e umidade, são as maiores responsáveis pela sazonalidade de consumo, especialmente no setor residencial ^15,16.

Em relação ao uso de aparelhos de ar-condicionado, esta constatação pode ser facilmente verificada quando observamos resultados da Pesquisa de Posse de Hábitos de Consumo (PPH) 2018¹⁷. É possível observar que a maioria dos usuários em regiões com variações de temperatura média mensal declaram que o uso de ar-condicionado está concentrado em meses mais quentes, e em regiões com baixa variação de temperatura anual o uso permanece quase constante ao longo do ano.

Figura 4 – Frequência de uso de ar-condicionado de acordo com a pesquisa

Fonte: Elaboração própria a partir de dados de PROCEL¹⁷

Observa-se que a distribuição sazonal obedece a lógica observada nas declarações dos entrevistados da região Sudeste e Sul (Figura 4 e Figura 6). Apesar de ter um menor número de aparelhos de ar-condicionado por domicílios, estas regiões apresentam uma densidade demográfica muito alta¹⁸, fazendo com que na média sejam elas as responsáveis pelo formato da sazonalidade nacional.

Outra característica que se deve considerar ao observarmos o consumo de aparelhos de ar-condicionado é o horário típico de uso pelas famílias. Considerando o padrão de uso diário de ares-condicionados no Brasil, é possível observar um uso concentrado a partir das 19 horas, que se estende pela madrugada. Este padrão conforme observado em 2005 e em 2017^17,19, tende a obedecer o início da hora de pico residencial[2], onde as pessoas começam a voltar para seus lares depois de um dia ativo de trabalho ou compromissos.

Figura 5: Curva de carga típica do Brasil em 2005

Fonte: Procel (2007)¹⁹

Assim, diante destas observações de consumo, um modelo de distribuição de uso mensal e diário foi desenvolvido a fim de analisar o impacto para o sistema elétrico do uso de ar-condicionado nos diferentes meses do ano¹⁴. Este tipo de avaliação é importante para observar como a evolução do uso de determinados aparelhos pode impactar na carga total do sistema e quais medidas de gerenciamento podem ser consideradas para amenizar tais impactos.

Ao cruzarmos o padrão sazonal de consumo com o padrão de uso diário de uma família típica no Brasil percebemos os efeitos médios horários nos diferentes meses do ano. Tomando como base o último estudo de demanda energética de ar-condicionado realizada pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) o Brasil apresentou uma demanda anual de ar-condicionado de 18,7 MWh no ano de 2017⁴. Assim, o consumo elétrico pode alcançar 2,5 TWh nos meses mais quentes. Considerando o total consumido entre dezembro e fevereiro, estes três meses representariam 38% do total anual. Nestes meses, o pico de eletricidade para fins de climatização pode ultrapassar 1.500 MWh/h no horário das 19:00, sendo ainda maiores nos horários mais tarde da noite. Vale observar que essa realidade, contudo, pode ter se modificado com os novos hábitos de consumo associados a um maior trabalho remoto^20,21 com a crise da COVID-19. 

Figura 6: Curva sazonal de consumo elétrico de ar-condicionado no Brasil em 2017

Fonte: Elaboração própria baseado em EPE⁴ e metodologia de sazonalidade Bezerra (2017)¹⁴

4.     Perspectivas futuras: desafios e a importância de políticas de GLD no Brasil no contexto da climatização

Medidas de GLD

Políticas de gerenciamento pelo lado da demanda (GLD) podem ser de suma importância para suavizar a curva de carga e possibilitar um funcionamento seguro da rede, especialmente em momentos de grande uso.

O gerenciamento pelo lado da demanda pode ser definido como: “uso de tecnologias, ações e programas tomados no lado da demanda de energia que procuram gerir ou diminuir o consumo, de modo a reduzir as despesas totais do sistema energético ou contribuir para a realização de objetivos políticos como a redução das emissões ou o equilíbrio entre a oferta e a demanda” ²². Este modelo de gerenciamento rompe com a forma clássica de planejamento e operação dos sistemas elétricos, que é unidirecional e orientada da geração para o consumo²³.

Medidas de GLD, apresentam como resultado a mudança do padrão da curva de carga o que pode ser uma estratégia de grande valia para o sistema elétrico²³. Estudos realizados nesta área mostram que estas medidas podem ajudar a evitar ou adiar a necessidade de construção de nova capacidade de infraestrutura de geração, transmissão ou distribuição, resultando em menores custos de investimento para o setor elétrico. Isto por que podem ajudar por exemplo no uso de energia residual do sistema, sem necessidade de geração extra²⁴. Também o GLD garante maior confiabilidade de entrada de fontes intermitentes de geração, já que possibilita maior previsibilidade da carga⁵. Muitas vezes estas ações pelo lado da demanda apresentam melhor resposta em termos de custo-efetividade do que a construção de plantas novas^25,26.

Existem vários níveis de estratégias de GLD, desde as mais simples, como uso de aparelhos mais eficientes, até medidas que envolvem sistemas de controle e comunicação mais complexos, como as medidas de gerenciamento remoto da curva²⁷. Pela sua simplicidade, de forma geral, as medidas de eficiência energética são as mais estimuladas em termos de aplicação de políticas públicas. Esta medida permite que toda a curva se desloque para um menor consumo total, compensando, por exemplo, o aumento da demanda energética. Assim, além de ajudar na operação e planejamento do sistema também é uma forma de reduzir o consumo total de energia, e também, suas emissões associadas²³.

Em relação ao uso de condicionadores de ar, o Brasil adota um programa de promoção de aparelhos mais eficientes desde 1996, quando foi adotado o Selo Procel para aparelhos do tipo janela. Em 2020, este programa passou por sua última atualização consolidando regras ainda mais ambiciosas para os níveis de etiquetagem considerados mais eficientes²⁸. As novas métricas conseguem aproximar o país de programas internacionais de referência³.

Perspectivas futuras da carga e o papel da eficiência energética

Para a aplicação das medidas de GLD, é essencial que se conheça a carga e se analise possíveis impactos de demanda no comportamento desta carga. É preciso antever o comportamento da carga para melhor operação e otimização do sistema⁸. Assim, de acordo com o modelo de sazonalidade e carga apresentado, é possível entender o papel dos cenários futuros de uso de ar-condicionado numa perspectiva mensal.

De acordo com o relatório divulgado pela EPE a posse de aparelhos de ar-condicionado mais que dobrará entre o período de 2017 e 2035. Isto corresponde a um amento de 5,4% ao ano no consumo residencial de eletricidade devido ao uso de condicionadores de ar⁴. Este efeito poderia ser extrapolado ainda mais ao considerarmos possíveis cenários de aquecimento global. Ao isolarmos o consumo decorrente apenas do aumento da temperatura na carga térmica dos aparelhos existentes, poderia ser observada uma demanda 190% maior. Este aumento seria referente a um cenário de 4 graus de aquecimento, o que seria observado apenas pós 2070²⁹. O aumento da carga pode ser observado na Figura 7, onde percebemos o impacto nos meses de verão do aumento do uso nos diferentes cenários.

Ao avaliar o impacto desta nova demanda na curva de carga futura, é possível entender o papel de medidas de GLD, como as de eficiência energética, como forma de modificar a carga (Figura 7). Tomando como base cenários observados no último estudo da EPE, o potencial de redução de consumo pela presença de aparelhos mais eficientes chegaria a 11,7 TWh por ano. Este representaria uma redução em mais de 1,5 TWh nos meses de janeiro e fevereiro, acentuando os efeitos do aumento da demanda por climatização, especialmente no período mais quente do ano. A contribuição do uso de aparelhos mais eficientes sobre a redução da carga horária típica do mês de janeiro, também pode ser observada na Figura 8.

Figura 7: Curva sazonal de consumo de ar-condicionado em diferentes cenários

Fonte: resultados da pesquisa

Figura 8: Impacto do uso de aparelhos mais eficientes na curva de carga horária brasileira no mês de referência Janeiro.

Fonte: resultados da pesquisa

Benefícios de eficiência para o consumidor final

Além de benefícios para o planejamento e operação do sistema elétrico. O estímulo de políticas de eficiência também permitiria que as residências possam ter acesso a melhores equipamentos por um menor custo e com um impacto menor na sua conta de luz. Tanto do lado do seu menor uso total elétrico, quanto do lado do melhor planejamento energético, que levaria a um menor custo do sistema.

É importante notar já foram demonstrados os males que situações de extremo calor podem causar, especialmente na população mais velha. Porém, uma grande parte dos brasileiros, especialmente os mais vulneráveis financeiramente não têm acesso a serviços adequados de climatização. Diante de cenários de maiores temperaturas médias anuais, é preciso observar como atender parte da população vulnerável a estas condições climáticas adversas. Considerando, ainda, a expansão das camadas mais pobres ao acesso a esse tipo de serviço, medidas de eficiência podem ser ainda mais relevantes.

Atualmente os gastos com energia elétrica em famílias de mais baixa renda chegam a 6% dos gastos totais da casa (Figura 9). Ao considerarmos cenários de maior temperatura e maior necessidade de uso deste tipo de aparelho, o potencial de aumento na conta poderia significar muito para famílias mais vulneráveis. A presença destes aparelhos pode aumentar o consumo das famílias em mais de duas vezes^10,11.

Figura 9: Gasto médio com energia elétrica em diferentes classes de renda

Fonte: Elaboração própria baseado em IBGE (2017)¹⁰

Assim, estas medidas podem ser de suma importância, tanto do ponto de vista do sistema, quanto pelo seu aspecto social. Para tal, é essencial que se conheça a carga e se analise possíveis impactos de demanda no comportamento desta carga. É preciso antever o comportamento da carga para melhor operação e otimização do sistema⁸.

 

Notas

[1] Quintis de renda representam a divisão da sociedade em 5 grupos de renda, onde o maior quintil representa os 20% mais ricos da população e o quintil 1 os 20% mais pobres.

[2] Definido como o horário entre 19:00 e 22:00.

Referências

1.         International Energy Agency (IEA). Perspectives for the clean energy transition. https://webstore.iea.org/download/direct/2496 (2019) doi:10.1017/CBO9781107415324.004.

2.         IEA. Tacking Buildings. https://www.iea.org/reports/tracking-buildings (2019).

3.         IEA. The Future of Cooling. The Future of Cooling: Opportunities for energy-efficient air conditioning (2018) doi:10.1787/9789264301993-en.

4.         EPE [Empresa de Pesquisa Energética]. Uso de Ar Condicionado no Setor Residencial Brasileiro: Perspectivas e contribuições para o avanço em eficiência energética. Nota Técnica EPE 030/2018 – 43 (2018).

5.         Moura, P. S. & de Almeida, A. T. The role of demand-side management in the grid integration of wind power. Appl. Energy 87, 2581–2588 (2010).

6.         Aba, D. N. a D. N. a et al. Implementing Agreement on Demand-Side Management Technologies and Programmes. Iea 1–5 (2015).

7.         Gellings, C. W. The concept of demand-side management for electric utilities. Proc. IEEE 73, 1468–1470 (1985).

8.         Reddy, A. K. N. & Sumithra, G. Integrated resource planning [ 1 ]. 5–7 (1997) doi:10.1016/S0973-0826(08)60216-1.

9.         Bezerra, P. B. da S. et al. The power of light : socio-economic and environmental implications of a rural electrification program in Brazil The power of light : socio-economic and environmental implications of a rural electrification program in Brazil. 12, (2017).

10.       IBGE. Pesquisa de Orçamentos Familiares: Perfil das Despesas no Brasil – Indicadores selecionados. ftp://ftp.ibge.gov.br/ Orcamentos_Familiares/Pesquisa_de_Orcamentos_Familiares_2008_2009/Perfil_ das_Despesas_no_Brasil/tabelas_pdf/tab_1_02.pdf (2017).

11.       Depaula, G. & Mendelsohn, R. Development and the Impact of Climate Change on Energy Demand: Evidence from Brazil. Clim. Chang. Econ. 1, 187–208 (2010).

12.       Randazzo, T., De Cian, E. & Mistry, M. N. Air conditioning and electricity expenditure: The role of climate in temperate countries. Econ. Model. 90, 273–287 (2020).

13.       Abreu, M. W. de. Análise do consumo de energia direta e indireta das famílias brasileiras por faixa de renda. Análise do consumo de energia direta e indireta das famílias brasileiras por faixa de renda (Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ, 2015).

14.       Bezerra, P. B. da S. PROPOSTA METODOLÓGICA PARA AVALIAÇÃO DA DEMANDA RESIDENCIAL DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DO DESENVOLVIMENTO DE UMA CURVA DE CARGA HORÁRIA. (Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2017).

15.       Yao, R. & Steemers, K. A method of formulating energy load profile for domestic buildings in the UK. Energy Build. 37, 663–671 (2005).

16.       Paatero, J. V. & Lund, P. D. A model for generating household electricity load profiles. Int. J. Energy Res. 30, 273–290 (2006).

17.       Programa Nacional de Conservação de Energia e Eficiência Energética – PRFP. Pesquisa de Posse e Hábitos de Uso de Equipamentos Elétricos na Classe Residencial. https://eletrobras.com/pt/Paginas/PPH-2019.aspx (2019).

18.       IBGE. SIDRA – Banco de Tabelas Estatísticas. https://sidra.ibge.gov.br/home/pnadcm (2020).

19.       PROCEL. AVALIAÇÃO DO MERCADO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO BRASIL – Pesquisa de Posse de Equipamentos e Hábitos de Uso – Ano Base 2005. (2007).

20.       Santos, L. et al. Novo coronavírus (COVID-19) sob a ótica da demanda de energia e dos impactos sociais: o que podemos esperar e como nos preparar? epbr, colunas e opnião https://epbr.com.br/artigo-novo-coronavirus-covid-19-sob-a-otica-da-demanda-de-energia-e-dos-impactos-sociais-o-que-podemos-esperar-e-como-nos-preparar/ (2020).

21.       Losekann, L. & Rodrigues, N. Impactos da Covid-19 na demanda de eletricidade e implicações no Brasil. Energia hoje: Opnião https://energiahoje.editorabrasilenergia.com.br/impactos-da-covid-19-na-demanda-de-eletricidade-e-implicacoes-no-brasil/ (2020).

22.       Warren, P. A review of demand-side management policy in the UK. Renew. Sustain. Energy Rev. 29, 941–951 (2014).

23.       Palensky, P. & Dietrich, D. Demand Side Management : Demand Response , Intelligent Energy Systems , and Smart Loads. 7, 381–388 (2011).

24.       Tso, G. K. F. & Yau, K. K. W. A study of domestic energy usage patterns in Hong Kong. Energy 28, 1671–1682 (2003).

25.       Widén, J., Wäckelgård, E., Paatero, J. & Lund, P. Impacts of different data averaging times on statistical analysis of distributed domestic photovoltaic systems. Sol. Energy 84, 492–500 (2010).

26.       Pina, A., Silva, C. & Ferrão, P. The impact of demand side management strategies in the penetration of renewable electricity. Energy 41, 128–137 (2012).

27.       Arteconi, A., Hewitt, N. J. & Polonara, F. Domestic demand-side management (DSM): Role of heat pumps and thermal energy storage (TES) systems. Appl. Therm. Eng. 51, 155–165 (2013).

28.       INMETRO. Programa Brasileiro de Etiquetagem: Tabelas de consumo/eficiência energética. (2017).

29.       Bezerra, P. et al. Impacts of a warmer world on space cooling demand in Brazilian households. Energy Build. 234, (2021).

Sugestão de citação: Bezerra, P. (2021). Climatização residencial no Brasil: perspectivas futuras e o papel no planejamento do sistema. Ensaio Energético, 18 de março, 2021.