EM TEMPOS DE ALTA DE COBRE, O ALUMÍNIO COMO OPÇÃO PARA A REDUÇÃO DE CUSTOS NAS INTALAÇÕES ELÉTRICAS.
Evolução de preços do cobre e alumínio.
Nas instalações elétricas atuais, os dois metais mais utilizados na construção de condutores são o cobre e o alumínio, devido às propriedades elétricas, mecânicas e custo. O cobre é o metal mais utilizado em condutores isolados, e o alumínio utilizado em linhas de transmissão e distribuição, onde normalmente utilizam-se condutores nus. Em escala bem menor em relação ao cobre, o alumínio também é utilizado na fabricação de condutores isolados.
A partir de 2003, o preço do cobre passou a sofrer reajustes sucessivos na London Metal Exchange (LME), saindo de valor médio de US$ 1.780,00 a tonelada, alcançando um valor médio de US$ 9.513,00 a tonelada, na terceira semana de abril de 2024. Em vinte e um anos esse metal sofreu alta de 534%. No mesmo período, o alumínio que tinha um preço médio de US$ 1.490,00 a tonelada, chega vinte e um depois, com o valor de US$ 2.457,00 a tonelada, uma alta de 165% apenas.
Diante de dados estáticos, conclui-se que cabe ao setor de engenharia elétrica encontrar novos caminhos para seus clientes, na execução dos projetos de instalação. Faz-se necessário encontrar um melhor equilíbrio nos custos de instalação.
A utilização do alumínio em instalações elétricas prediais.
É muito
comum encontrar em sites e catálogos de fabricantes:
“É proibido o uso de cabos de alumínio
ou alumínio cobreado em instalações residenciais e prediais”.
Observando
os ramais de entrada de energia vamos encontrar o alumínio fazendo parte das
instalações elétricas da maioria das edificações. A rede aérea de distribuição
da concessionária de energia utiliza cabos de alumínio. O ramal de entrada de
grande parte das edificações utiliza um condutor isolado e torcido de alumínio,
os cabos multiplexados. Porque a restrição, será realmente verdade?
A ABNT NBR 5410 (Instalações Elétricas de Baixa Tensão), é uma norma brasileira que tem como seu objetivo manter a segurança de pessoas e animais, a preservação dos bens materiais e o funcionamento correto das instalações elétricas, aplicando-se em todos os tipos de edificações que possuem instalações em baixa tensão. Apresenta tópicos importantes e fundamentais para uma instalação elétrica adequada e segura. Ela se aplica aos circuitos elétricos alimentados sob tensão nominal igual ou inferior a 1000 V em corrente alternada.
A NBR
5410 trata do tema e prevê a utilização de cabos de alumínio isolados, está claro
em 03 tópicos:
6.2.3.8.1. Em instalações de estabelecimentos
industriais podem ser utilizados condutores de alumínio, desde que,
simultaneamente:
a) a seção nominal dos condutores seja
igual ou superior a 16 mm²,
b) a instalação seja alimentada
diretamente por subestação de transformação ou transformador, a partir de uma
rede de alta tensão, ou possua fonte própria, e
c) a instalação e a manutenção sejam
realizadas por pessoas qualificadas.
6.2.3.8.2. Em instalações de estabelecimentos
comerciais podem ser utilizados condutores de alumínio, desde que,
simultaneamente:
a) a seção nominal dos condutores seja
igual ou superior a 50 mm²,
b) os locais sejam exclusivamente BD1 (Edificações
residenciais com altura inferior a 50 m e edificações não-residenciais com
baixa densidade de ocupação e altura inferior a 28 m) e
c) a instalação e a manutenção sejam
realizadas por pessoas.
6.2.3.8.3. Em locais BD4 (Locais de afluência de público
de maior porte - shopping centers, grandes hotéis e hospitais, estabelecimento
de ensino ocupando diversos pavimentos de uma edificação, etc.; edificações
não-residenciais com alta densidade de ocupação e altura superior a 28 m) não é permitido, em nenhuma circunstância,
o emprego de condutores de alumínio.
Vale lembrar que a própria NBR 5410 não
coloca a situação restritiva aos condutores de alumínio como definitiva, como
pode ser visto na citação que segue:
“As restrições impostas ao uso
de condutores de alumínio refletem o estado atual da técnica de conexões no
Brasil. Soluções técnicas de conexões que atendam às ABNT NBR 9313, ABNT NBR
9326 e ABNT NBR 9513, e que alterem aquelas restrições, devem ser consideradas
em norma complementar e futuramente incorporadas a esta Norma”. (ASSOCIAÇÃO
BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 5410 p.89).
Lembrando
que esta norma data de 2004, desde lá houve evolução das conexões elétricas
desde aquela época. Cabe aos projetistas pesquisar estas opções e aplica-las em
seus projetos. A própria ABNT disponibilizou recentemente para consulta
nacional a revisão desta norma. Este processo permite que as propostas de
alterações nas normas sejam submetidas à análise e contribuição da comunidade
técnica interessada. Isso assegura que as normas estejam alinhadas com as
necessidades atuais, refletindo as melhores práticas e inovações no respectivo
campo de aplicação.
Então há
situações onde a utilização de cabos de alumínio são permitidas em instalações
prediais, normalmente em circuitos de maior potência, não para tomada e
iluminação. Os circuitos de potência é onde, normalmente, se concentram as
maiores despesas com cabeamento em plantas maiores, são as maiores bitolas de
cabos e maiores concentrações de cobre. Por exemplo, um cabo de cobre na seção
de 95 mm² pesa em torno de 0,90 kg por metro, ele equivale a mais de 30 metros
de cabo 2,5 mm². Economizar cobre em circuitos de grande potência é um grande
negócio.
Então é só substituir um pelo outro e pronto?
Na indústria elétrica utilizam-se na fabricação das partes condutoras dos circuitos, os metais não ferrosos, que possuem as características ideais para isso; entre eles podemos citar: o cobre, a prata, o ouro, a platina, o alumínio, o estanho. Pelo fato do cobre ser o material mais utilizado como condutor de eletricidade, a condutividade deste foi escolhida como padrão para realização de cálculos.
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Tabela 5–Condutividade relativa de vários materiais |
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METAL |
CONDUTIVIDADE RELATIVA % |
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Prata |
105 |
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Cobre |
100 |
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Ouro |
70,5 |
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Alumínio |
61 |
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Tungstênio |
31,2 |
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Níquel |
22,1 |
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Ferro |
14 |
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Constantam |
3,52 |
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Ni-Cromo |
1,73 |
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Calorita |
1,44 |
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Fonte: BOYLESTAD (2004, p 30). |
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Como podemos ver a condutividade do
cobre é maior em relação ao alumínio. O que caracteriza isso é a resistência ôhmica
a passagem de corrente elétrica. Quanto menor a resistência de um condutor,
menores serão suas perdas na transmissão de energia. O que caracteriza um bom condutor é a
sua baixa resistividade possibilitando que a corrente circule, produzindo
baixas perdas.
Então o cobre tem uma menor
resistividade a passagem da corrente elétrica, em relação ao alumínio,
possibilitando a aplicação com uma seção menor na instalação. No caso de
aplicação dos condutores de alumínio é importante a correção da seção nominal,
ela será aumentada, para conduzir a mesma quantidade de carga do cobre. Por
isso é importante um estudo elaborado por profissional habilitado, com registro
no conselho de classe. Além dos cálculos de corrente, outros fatores da
instalação devem ser levados em conta nesse novo projeto.
Em um projeto elétrico a primeira
premissa é definir o método de instalação, previsto na tabela 33 da NBR 5410, o
tipo de linha elétrica. Lá encontraremos condutores acondicionados em eletrodutos
embutidos ou aparentes, fixados ao teto, em bandejas, em espaços da construção,
etc.
Definido o tipo da linha e outras influências,
passa-se a definição dos condutores, primeiramente com o tipo da isolação, na
tabela 35, da NBR5410. A capacidade de carga dos condutores pode ser encontrada
nas tabelas 36, 37, 38, 39 da NBR 5410, encontrando-se o valor tanto para
cobre, como para alumínio.
Citando um exemplo, a necessidade do
projeto é conduzir uma corrente de 100 A em um circuito trifásico, com método
de instalação B1 (Condutores isolados ou cabos unipolares em eletroduto de
seção circular embutido em alvenaria). Definido a isolação na tabela 35, em EPR
ou XLPE, temperatura máxima de trabalho 90°C, limite de sobrecarga 130°C e
limite de curto circuito 250°C. Vamos então a tabela 37:
- Condutor de cobre em número de condutores carregados = 3 - Cabo 25 mm² - capacidade 117 A.
- Condutor de alumínio em números de condutores carregados = 3 – Cabo 35 mm² - capacidade 116 A.
1. Cabo Flexível Cobre 1 kv 25,0mm² EPR R$ 17,03.
2. Cabo Encordoamento classe 2 1 kV XLPE 35 mm² R$ 5,30.
a. Redução no custo de 69%
Realmente a economia é muito grande na
substituição do cobre pelo alumínio, mas
alguns outros fatores precisam ser levados em contas para substituição.
Mas o condutor tendo a sua seção aumentada requer condutos maiores?
Conduto é o elemento onde são instalados
os condutores, que fornecem proteção mecânica adequada a estes; podem ser
eletrodutos, canaletas, bandejas, prateleiras, entre outras opções. O cálculo
de eletrodutos, eletrocalhas e leitos em um projeto é realizado levando em conta,
normalmente, uma taxa de ocupação de 40%.
A massa específica do alumínio é de cerca de 1/3 do aço; devido ao seu baixo peso, é muito atrativo para a indústria. No setor elétrico é muito utilizado no setor de transmissão e distribuição de energia, por permitirem a fabricação de condutores mais leves e de menor custo em relação ao cobre. Deve-se considerar que mesmo quando a seção aumenta, o circuito elétrico com alumínio pesará cerca da metade de um circuito constituído com cobre, para a mesma capacidade de corrente.
No caso de utilização de eletrocalhas e leitos, para redes suspensas, mesmo com o aumento da capacidade é possível economizar. Mesmo com o aumento da seção do condutor de alumínio, o circuito ficará mais leve em relação ao cobre, é possível diminuir a bitola das chapas utilizadas nestes itens e barateá-los.
Lembrando novamente, é importante um estudo elaborado por profissional habilitado, com registro no conselho de classe. Há diversas variáveis para se levar em conta.
E os cabos de alumínio isolados tem as mesmas caraterísticas dos cabos de cobre?
Os condutores de cobre isolado para instalação em baixa tensão estão disponíveis nas seguintes configurações:
O condutor de alumínio isolado para instalação em baixa tensão está disponível na seguinte configuração:
Como já descrito, a aplicação do alumínio em instalações prediais, por questões normativas, deverá ser aplicada em plantas específicas e principalmente em circuitos de potência, como, por exemplo, a alimentação de quadros de distribuição. Estes circuitos, normalmente, são projetados com taxas de ocupação adequada e em trechos retos, com uso reduzido de curvas e quando da sua aplicação, com raios longos. Então a utilização de condutores de alumínio compactados classe 2 não será um problema restritivo. Para uso móveis, como extensões de máquinas, mantem-se o cobre, são vãos menores, em que a alteração de material condutor não se justifica. Vale lembrar que em um passado não tão distante, o cabo flexível de cobre não tinha um custo atrativo, na época grande parte das instalações eram realizadas com cabos classe 2 ou fios sólidos classe 1.
Então optei pelo cabo de alumínio no lugar do cobre e é só realizar a instalação e pronto?
A instalação deverá então ser realizada por profissional qualificado, de preferência com a supervisão de um profissional habilitado. É considerado trabalhador qualificado aquele que comprovar conclusão de curso específico para sua atividade em instituição reconhecida pelo sistema oficial de ensino. É considerado profissional legalmente habilitado o trabalhador previamente qualificado e com registro no competente conselho de classe.
Uma das grandes vantagens do cobre é que na maioria das aplicações apresenta baixa oxidação e oxida lentamente na presença de umidade, quando comparado a outros metais. O alumínio reage rapidamente com o oxigênio formando uma fina camada do óxido, a película superficial que se forma é de alta resistência elétrica, o que dificulta a passagem de corrente elétrica. Apesar da superfície brilhante e limpa do alumínio, em contato com o ar, acontece de forma bem rápida, em microssegundos, a formação de uma camada de óxido, dura, tenaz e frágil. Esta camada então deverá ser rompida, normalmente o fluxo de corrente é restritos às áreas onde isso acontece.
Os condutores de alumínio necessitam de maior cuidado na instalação; o que torna restritiva a sua aplicação é o fato de que a maioria dos equipamentos elétricos é projetada para utilização com cabos de cobre. Nos condutores de alumínio as conexões deverão feitas com terminais a compressão apropriados e realizadas por mão de obra devidamente qualificada.
Uma boa conexão elétrica é conseguida quanto se estabelece um bom contato metal-metal; no caso do alumínio existe sempre o problema da camada de óxido que deverá ser rompida; estas sofrem efeitos da relaxação; são suscetíveis a corrosão galvânica, e possuem um alto coeficiente de dilatação térmica; por isso exigem técnicas especiais. Os efeitos da expansão térmica podem ser reduzidos, através de pressão adequada, mantida de forma constante na conexão.
O terminal, especificamente, é o conector fixado na extremidade do cabo, para fazer a ligação do condutor a outro equipamento ou condutor. Um tipo de conexão muito utilizada e eficaz é o sistema a compressão: este se fixa ao condutor por deformação plástica resultante da utilização de ferramenta específica.
Para
cabos de cobre utilizam-se terminais do tipo a compressão, fabricados em cobre
estanhado, que são
aplicados através de alicates manuais ou hidráulicos, disponíveis em várias
configurações, como conectores de derivação ou luva de emenda. Para linha de alumínio encontram-se modelos
similares, porém fabricados em alumínio. Os alicates de aperto do tipo
hidráulico utilizam matrizes de aperto do tipo intercambiável, podendo aplicar força
de até 12 toneladas sobre o conector, normalmente utilizados em cabos de 10 a 300
mm². Existem ainda alicates manuais, alguns utilizando também o sistema de
matrizes; outros com matriz única regulável.
Devido a atual relação custo benefício
favorável na utilização de cabos de alumínio, foram desenvolvidas novas
técnicas na produção de conexões bi metálicas.
Terminais bi metálicos com soldagem a fricção
A soldagem por fricção é um processo que
utiliza o aquecimento, gerado pelo atrito entre as superfícies, para uni-las.
Uma das peças é fixada, e a outra é girada em velocidade constante; o contato
gera calor, devido ao atrito; o calor e a força aplicada, produzem deformação
plástica, e, finalmente, é obtido a soldagem e o forjamento, juntando assim as
duas partes. O processo é rápido e apresenta boa resistência; a ligação do
cobre e do alumínio gera uma liga metalúrgica com a mesma resistência; as
propriedades da solda são próximas às dos metais base.
Os terminais bi metálicos permitem a conexão dos cabos de alumínio em conexões de equipamentos projetados para ligação com condutores de cobre, como por exemplo, barramentos; permitindo assim a eliminação do processo de corrosão galvânica, muito comum nestes tipos de ligação. Os terminais são produzidos a partir de um tarugo bi metálico, este por sua vez é produzido a partir de barras redondas de cobre e alumínio unidas pelo processo de soldagem à fricção.
Em uma das extremidades do terminal há uma parte de alumínio furada, onde o
cabo deverá ser inserido, a outra
extremidade é constituída em cobre para conexão ao equipamento. Na parte do terminal que recebe o condutor de
alumínio, esta acompanha composto antioxidante e após a inserção do cabo, o
conjunto dever ser prensado com um alicate à compreensão, a fim de que ele
fique fixo e não haja mau contato, a vedação poderá ainda ser melhorada com a
utilização de mastic fino. Na parte do terminal constituída por cobre,
está tem a forma de um olhal ou de pino para conexão e fixação, o pino
ainda poderá receber uma camada de prata à fim de melhorar o contato elétrico.
Como podemos concluir a conexão do cabo de alumínio aos demais equipamentos, projetados para receber condutores de cobre é plenamente possível e pode ser realizada de forma segura e eficiente.
O custo da conexão bi metálica realmente é bem superior a uma conexão simples para cabos de cobre. Considerando a grande economia obtida com a aplicação do condutor de alumínio, o custo da conexão é facilmente recuperável. Em um circuito convencional trifásico padrão, vamos ter de 6 a 8 pontos de conexão, mas em contrapartida dezenas ou centenas de metros de condutor. Por isso sempre a necessidade de um estudo antes da implementação, para apurar o custo-benefício da solução.
A
pegada ecológica e a sustentabilidade
O aumento esperado na demanda por cobre é tão alto que o relatório do Goldman Sachs que abordou o assunto tem como título “Cobre é o novo petróleo”. No documento, os analistas do banco destacam que o setor não está preparado para o papel crítico que terá nos próximos anos.
Ainda que as mineradoras se sintam agora
incentivadas, pela perspectiva de preços, a investir em novos projetos, isso
não será suficiente para evitar a escassez que o mundo observará nos próximos
anos. Isso porque, em média, são necessários três anos para ampliar uma mina
existente e oito anos para um projeto sair do papel e começar a operar.
Desenvolver
meios alternativos para substituir o cobre nas instalações elétricas é
fundamental para manter o desenvolvimento econômico e a expansão da construção
civil. Precisamos
liberar a commodity para as aplicações onde ela realmente não poderá ser
substituída.
Na atualidade o cobre é extraído de minas estas podem ser a céu aberto ou subterrâneas, algumas em grandes profundidades. O minério extraído contém cerca de apenas 1% a 2% de cobre, precisa ser britado e moído, para depois ser processado e assim extraído o metal. A extração do minério de cobre pode gerar poluição das águas, impactos visuais, poluição do ar, poluição sonora, entre outros problemas. O grande volume de rejeitos é um grande problema, ao contrário da mineração do ferro, aonde o aproveitamento chega a 40%. Um dos grandes problemas é o grande volume de água utilizado no processamento, desde a britagem, moagem, flotação, lixiviação; em alguns casos é necessário extraí-la a grande profundidade. Atualmente, no norte do Chile, área de concentração de minérios de cobre, a demanda de água é maior que a oferta, gerando conflitos nas minas. Segundo dados de 2007, para reduzir 5,5 milhões de toneladas de cobre refinado no Chile, foram utilizados 29,7 milhões de m³ de água, que representa o consumo de 1.485.000 de famílias. No Peru, a mineração tem causado grandes problemas ambientais: 75% do lago Junin, uma reserva ecológica, é constituído de matéria morta. Os rios San José e San Juan, também no Peru, estão se transformando em lama de sulfato de cobre e cianeto. Segundo dados de 2011, a indústria do cobre no Peru, emite cerca de 1917 toneladas de gases ácidos por dia, gera cerca de 47.000 m³ por dia de rejeitos; a extração da água subterrânea está secando pântanos e pastagens.
O fator exauribilidade é uma condição
que deve ser levada em conta quando se fala de metais, principalmente commodities
de grande importância nos processos de urbanização e industrialização na
economia mundial, como o alumínio e o cobre. Dados de 2010, não atualizados,
revelam que em um cenário de evolução da produção mundial 2% ao ano, as
reservas atuais de alumínio seriam suficientes para 1065 anos, e as de cobre
para 736 anos, com o carro elétrico esse panorama deve piorar. As reservas de
cobre representam apenas 0,0068% da crosta terrestre; portanto, pode ser
considerado um elemento não tão abundante na natureza.
A matéria prima de onde o alumínio é extraído é a bauxita; esta é denominada “bauxita de grau metalúrgico”. A bauxita é uma rocha constituída de minerais hidratados do alumínio. Suas jazidas ocorrem em grande porte, principalmente em regiões tropicais. A principal característica extrativa da bauxita é a sua simplicidade de extração. Suas jazidas não são profundas e estão logo abaixo do solo orgânico, por isso são facilmente extraíveis. Depois da retirada da bauxita, encontra-se argila de composição parecida com a da camada da superfície, o que permite fácil recuperação das áreas exploradas. Para 5 toneladas de bauxita pode ser obtido cerca de 2 toneladas de alumina, e com esta, cerca de 1 tonelada de alumínio, um aproveitamento de 20%, bem superior a uma jazida de cobre. Após as retiradas das camadas superficiais, esta é armazenada, para posteriormente ser reposta e a fertilidade do solo seja garantida no processo de recuperação da área.
Um dos grandes problemas na produção do alumínio é o consumo de energia: é considerado o processo industrial de maior consumo desta no mundo. As indústrias deste metal estão migrando seus centros industriais tradicionais, como os EUA, Europa e Japão, instalando-se em países como a China e o Brasil, pois são países com custo baixo de energia e mão de obra mais barata. Cerca de 6% da energia elétrica gerada no Brasil é utilizada pela indústria do alumínio. A indústria brasileira do alumínio mantém geradores próprios; estes produzem 27% das suas necessidades, sendo que 100% do consumo é proveniente de hidrelétricas.
Ainda não é possível a mineração com
impacto ambiental “zero”. Um dos grandes problemas enfrentados para a extração
da bauxita é a devastação das florestas, pois a mineração é feita a céu aberto;
mesmo com a restauração das camadas, após o esgotamento do minério, pode haver
problema na capacidade do solo em reter água, resultando em perda da
fertilidade original. Na produção de alumina, as impurezas são separadas do
metal, gerando uma borra chamada de “lama vermelha”; os resíduos da lama vermelha
são altamente cáusticos e podem contaminar o lençol freático e cursos d’água.
No processo de redução há geração de gases, como o fluoreto; este pode
acumular-se no meio ambiente, afetando as florestas e a vida animal, podendo
até causar doenças nos seres humanos. Umas das grandes vantagens do alumínio é
sua infinita capacidade de reciclagem. Para reciclar o alumínio consome-se
apenas 5% do necessário utilizado no processo primário.
Conclusão
Marcelo Pinto da Rocha
Sobre o autor: Formado em Tecnologia em Eletrotécnica - ênfase Gestão Comercial, pela UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Curitiba - PR
Profissional do setor elétrico há 40 anos - com grande experiência na área de materiais.
Direitos reservados ao autor.
É permitido o compartilhamento e publicação, de partes ou na íntegra, desde que citada a fonte e nome do autor
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