Economia & Energia
No 18 - Janeiro-Fevereiro 2000
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Balanço Energético 1999

http://ecen.com

Energia Final e Equivalente -
Procedimento Simplificado de Conversão

Carlos Feu Alvim
feu@ecen.com
Omar Campos Ferreira
omar@ecen.com
Frida Eidelman
frida@ecen.com
José Goldemberg
goldemb@iee.usp.br

 

Introdução

Energia é insumo fundamental na produção. As chamadas fontes energéticas  apresentam-se em diferentes formas na natureza, em diferentes níveis de refinamento que vão da lenha à nuclear. Em uma avaliação global de um sistema energético é conveniente expressar todas as formas de energia de uma maneira unificada.

Neste trabalho, descreve-se sumariamente a conversão para energia útil e equivalente e apresenta-se uma forma expedita para avaliação da energia equivalente a partir de dados do Balanço de Energia, no formato da OCDE(R1) e de coeficientes baseados no Balanço de Energia Útil brasileiro (R2).

Os balanços energéticos nacionas, utilizados em vários países como instrumento de planejamento e avaliação, classificam as fontes energéticas em primárias, que são os produtos energéticos providos pela natureza na sua forma direta, como o petróleo, gás natural, carvão mineral, minério de urânio, lenha e outros.

Uma primeira contabilidade pode ser realizada a partir do poder calorífico superior desses produtos já que, na grande maioria dos casos, esta energia está sob a forma química. Outras formas de energia primária como a hidráulica, eólica, solar e nuclear são tratadas de maneira especial, geralmente, levando em conta sua capacidade de gerar energia motriz.

Boa parte dos produtos primários, como o petróleo, passam por um processo de transformação que os convertem em formas mais adequadas para os diferentes usos. O local onde se realiza este processo é denominado genericamente de centro de transformação.

No caso do petróleo, o centro de transformação são as refinarias, onde são obtidos produtos de uso direto, como a gasolina, o óleo diesel, o querosene, o gás liqüefeito e outros, que são classificados como energia secundária. Em alguns casos, uma fonte secundária, como o óleo combustível obtido do petróleo, passa por um outro centro de transformação onde é convertido em eletricidade.

Em qualquer transformação parte da energia é perdida no processo.

Energia final designa a energia tal como é recebida pelo usuário nos diferentes setores, seja na forma primária, seja na secundária. Os balanços energéticos se estruturam de tal forma que se discrimina a energia como:;

Primária ® Perdas na Transformação + Final;

sendo que a energia final inclui a fração da energia primária de uso direto e a secundária.

A figura seguinte, descreve,  o esquema de um balanço energético que pode ser visto, de maneira mais detalhada, no Anexo 3:

 

sarah3.gif (16942 bytes)

Figura 1: Representação esquemática dos fluxos de energia primária, secundária, final e útil com a indicação das perdas nos centros de transformação e no uso final. Note-se que a energia final inclui a energia primária de uso direto. Em um esquema mais completo deve-se considerar ainda outros tipos de perdas, exportações e importações nas diversas etapas, bem como ajustes metodológicos ou de dados.

A chamada energia final só é final do ponto de vista do setor energético e, grosso modo, representa a forma em que a energia é comercializada. Em cada unidade produtiva, industrial ou agrícola, ou em outro setor de consumo, como o residencial, comercial ou público, a energia tem diferentes usos como motriz, iluminação, aquecimento, etc.

Para converter a energia, chamada final na forma em que ela é usada, passa-se ainda por um processo que implica em perdas, sendo necessário considerar uma eficiência de uso ou rendimento. No caso do uso motriz, parte da energia é transferida ao eixo do motor e parte é dissipada na forma de calor. Denomina-se rendimento a razão entre essa energia na forma que é usada, denominada energia útil, e a energia final ou seja:

[Energia Útil] = rendimento * [Energia Final].

De uma maneira geral, pode-se elaborar um Balanço de Energia Útil em que se tem:

[Energia Final] = [Energia Útil] + [Perdas no uso].

Em um balanço de energia útil os usos são usualmente agrupados e:

  • Força Motriz,
  • Calor de Processo,
  • Aquecimento Direto,
  • Iluminação,
  • Eletroquímica e
  • Outros

Para elaborar um balanço de energia útil é necessário dispor, para cada setor, como no exemplo da Tabela1,  da energia final utilizada por fonte energética. Para cada uma das fontes é necessário a distribuição pelos diferentes usos e o dos rendimento em cada um desses usos. A soma dos valores em energia útil tem, pois, a vantagem de levar em conta os diferentes rendimentos, para um mesmo uso, dos diferentes energéticos.

A utilização da soma em energia útil, das parcelas representando os diferentes usos, apresenta, no entanto, o inconveniente de uma valorização que depende do tipo de uso. Por exemplo, um combustível, como a lenha é usado para gerar calor de processo em uma indústria com eficiência, digamos, de 75%. O óleo diesel é usado, na mesma indústria, para gerar, força motriz com uma eficiência de 30%. Quando somados os dois combustíveis, na forma de energia útil, eles aparecem com um fator de mérito que não corresponde a sua potencialidade. Com efeito, o óleo diesel poderia ser usado, com uma eficiência superior à lenha para calor de processo e, quando usado como força motriz, também apresentaria uma eficiência bastante superior a que seria obtida através da lenha em uma máquina a vapor.

Ou seja, não obstante a  sua maior potencialidade, ou por causa dela, a energia final do diesel aparece multiplicada por 0,35 e a da lenha por 0,75.

Para levar em conta essas diferenças neste trabalho utilizaremos, além do conceito de energia útil, o conceito de energia equivalente. Neste conceito, a eficiência de cada fonte de energia será comparada para o mesmo uso com a eficiência de  uma fonte de referência. Para manter as unidades usuais neste tipo de trabalho a energia será expressa em tonelada equivalente de petróleo _tep.

Na maioria dos casos foi usado como referência o gás natural. No exemplo citado a lenha, o carvão mineral, o óleo combustível – e eventualmente o próprio óleo diesel – seriam comparados, para geração de calor com o gás natural, neste uso. Para uso motriz o diesel também seria comparado com o gás natural, utilizado para a mesma finalidade.

No caso citado, seria considerado para o gás natural uma eficiência de 85% na geração de calor e de 25% como força motriz. As equivalências obtidas seriam mais independentes da forma de uso:

1 tep de lenha -> 0,88 tep de GN (geração de calor)
1 tep de diesel -> 1,2 tep de GN (força motriz)

Ou seja, tomando-se os rendimentos para um energético i qualquer e o rendimento do energético de referência r, tem-se

          [Energia Equivalente]i =

[Rendimento]i * [Energia Final]i
[Rendimento]r

para um mesmo uso.

A escolha do gás natural como energético de referência se deve a sua ampla flexibilidade de uso nos setores industrial, residencial, comercial e quando disponível no agrícola para todas aplicações como fonte térmica. Para o setor transporte (uso motriz) seria mais lógico usar um combustível líquido de amplo uso (diesel ou gasolina). A gasolina apresenta, no Balanço de Energia Útil brasileiro, o mesmo rendimento que o gás natural (GN) no uso rodoviário. Optou-se então pelo uso da gasolina como combustível de referência e expressar o resultado em "equivalente ao GN". Nos usos específicos de eletricidade usou-se, para expressar a energia equivalente, procedimento análogo ao usado no Balanço Energético Nacional brasileiro BEN(R3), para contabilizar a energia hidráulica que é valorizada com base na energia térmica necessária para gerar um kWh de energia elétrica.  

Balanço de Energia Útil e Energia Final

O processo de obtenção do Balanço de Energia Útil está detalhado em (R2). A economia é dividida em setores de consumo ligados às atividades industrias. de transporte e outras. A desagregação adotada neste trabalho, muito próxima da OCDE, é mostrada na Tabela 6.

Esquematicamente dispõe-se,como mostrado naTabela 1, para cada um desses setores, de uma coluna de consumos finais por energético. Para esse mesmo setor é fornecida uma distribuição dos diferentes energéticos pelos usos, também para cada uso e energético existe um rendimento do energético para esse uso.

A energia útil, para cada energético e para cada uso, no setor considerado (residencial no exemplo da Tabela 1) será obtida multiplicando o valor da energia final de cada energético (2a coluna) pelos valores correspondentes da distribuição e rendimento como é indicado na tabela. Também se mostra, na última coluna, a soma da energia útil eem suas diversas formas

Tabela 1: Exemplo simplificado para o setor residencial de obtenção de energia útil a partir da energia final.

En. Final
EF(i)

Distribuição por uso
D(i,j)

Rendimentos
R(i,j)

Energia Útil
EU(i,j)


EU(i)

motriz Calor outros motriz calor outros motriz calor outros Total
Gás Natural 5000 0 1,00 0 0,25 0,50 - 0 2500 0 2500
Eletricidade 4000 0,40 0,25 0,35 0,75 0,95 0,3 1200 950 420 2570
Outros 8000 0 0,98 0,02 - 0,10 0,025 0 784 4 788
TOTAL 17000 1200 4234 424 5858

Nota: Nesta tabela EU(i,j) = EF(i) . D(i,j) . R(i,j). A distribuição e o  rendimento no exemplo simplificado, indicado acima, são próximas às verificadas no Brasil, com o GLP no lugar do gás natural, sendo as energias expressas em tep. Os outros usos correspondem a iluminação, eletroquímica e outros (na classificação do BEU) e o calor representa o calor de processo e aquecimento direto.

Para expressarmos em termos de energia equivalente, cada energético seria representado em termos de GN equivalente.  Os rendimentos de referência utilizadas seriam as relativas ao GN ou seja em um setor dado, para um determinado energético j teríamos:

[Rendimento Relativo]j = [Rendimento]j /[Rendimento] GN.

No caso de usos específicos da energia elétrica, considera-se a energia em GN necessária para gerar energia elétrica  consumida. Foi considerado que a energia elétrica seria gerada, a partir de GN, com uma eficiência de 28%.

A energia equivalente pode ser calculada de maneira análoga à energia útil com o auxílio de uma Tabela 2. Esta tabela é análoga à Tabela 1, para energia útil, onde os rendimentos absolutos foram substituídos pelos rendimentos relativos.

Tabela 2: Exemplo simplificado de obtenção do valor de energia equivalente, a partir da energia final.

En. Final
EF(ii)

Distribuição por uso

D(i,j)

Rendimentos Relativos

Rr(i,j)

Energia Equivalente

EE(i,j)



EE(i)

Eficiência Relatival. Média
EE(i)/
EF(i)

FE(i) motriz calor outros motriz calor outros motriz calor outros Total
Gás Natural 5000 0 1,00 0 1 1 1 0 5000 0 5000 1
Eletricidade 4000 0,40 0,25 0,35 3 1,9 3,57 4800 1900 5000 11700 2,93
Outros 8000 0 0,98 0,02 - 0,2 0,30 0 1568 48 1616 0,20
TOTAL 17000 4800 8468 5048 18316

Nota: Nesta tabela  [EE(i,j) = EF(i) . D(i,j) . Rr(i,j)], por exemplo, para a eletricidade o valor da energia equivalente motriz é 4800 = 4000 x 0,40 x 3.

No processo expedito aqui exposto, por razões mencionadas mais adiante, propõe-se usar  a eficiência relativa média para cada energético em cada setor, indicada na última coluna como no exemplo  da tabela,  para avaliar a energia equivalente em diversos países. Esta eficiência relativa média do energético seria o fator de conversão entre energia final e a equivalente no setor considerado.

Resultados para o Brasil em 1993

No esquema simplificado da Figura 1 considerou-se um ciclo fechado onde não houvesse exportações e importações de energia primária ou secundária. Em um balanço nacional de energia é necessário considerar esses fluxos.

No Brasil o comércio externo de energia, na forma de energia secundária, corresponde apenas (média de exportação e importação) a cerca de 10% do consumo final. Os valores de energia primária, energia final, útil e equivalente representam, de maneira aproximada, a relação real entre produção de energia primária, consumo final e uso em um ciclo fechado. Como será mostrado no Anexo 2, a forma particular de contabilizar a energia hidráulica não invalida este fato.

Na Figura 2, são representadas as energias primária, final e útil. Grosso modo, as diferenças das duas primeiras colunas representam as perdas na transformação e a diferença entre a segunda e terceira coluna as perdas no uso. A energia equivalente seria a quantidade de energia (final) proveniente de gás natural necessária para atender os usos de geração de calor e força motriz somada a energia (primária) para gerar, a partir do GN, a eletricidade para atender seus usos específicos ou quase específicos, tais como: eletroquímica, iluminação e outros (como equipamentos eletrônicos).


Figura 2: Energias primária, final e útil (Brasil-1993) e a energia equivalente que corresponde ao consumo de GN para atender à demanda de energia primária para gerar eletricidade para os seus fins específicos e para atender, como energia final, aos demais usos. Na Ffigura 1A, no Anexo, são mostrados os valores usando os critérios do BEN brasileiro e o valor calórico.

Para os anos de 1993, estão disponíveis praticamente todos os dados necessários para a avaliação da energia equivalente. Esses dados são, fundamentalmente, os necessários para a elaboração do Balanço de Energia Útil.

Aplicando os conceitos descritos no item anterior, para o ano de 1993 no Brasil, temos a seguinte distribuição :

Tabela 3 - Distribuição de Energia por Setores (mil tep)

Setor \ Energia

E. Final

E. Final %

E. Útil

E. Útil %

E. Equiv.

E. Equiv. %

Energético

12,2

10.0%

8,8

13.7%

10,0

6,4%

Residencial

17,3

14.3%

6,3

9.9%

18,2

11,6%

Púb./Com./Agrop.

11,0

9.0%

5,4

8.5%

21,9

13,9%

Industrial

45,9

37.8%

30,5

48.2%

59,7

38,0%

Transportes

35,0

28.9%

12,5

19.7%

47,3

30,1%

Total

121,4

100.0%

63,4

100.0%

157,1

100,0%


Figura 3: Energia Final e Útil (Brasil – 1993) por setor. A diferença entre as colunas representa as perdas no uso. Pode-se observar que no setor industrial e energético, intensivos no uso de calor, as perdas são menores.


Figura 4: A energia equivalente valoriza os usos mais elaborados da energia como o motriz e os usos específicos da eletricidade. Este efeito faz com que o consumo nos setores de transportes, residencial , público e agropecuário sejam comparativamente maiores em energia equivalente.

 

Tabela 4: Distribuição de Energia por Uso Final (milhão de tep)

Uso Final

E. Final

%

E. Útil

%l

E. Equiv.

%.

Força Motriz

49,0

40,4%

22,8

35,%

81,9

52,1%

Calor de Processo

26,6

21,9%

18,8

29,%

22,9

14,6%

Aquecimento Direto

40,4

33,3%

20,2

31,%

33,8

21,5%

Outros

5,4

4,4%

1,7

2,%

18,6

11,8%

Total

121,4

100,0%

63,5

100,%

157,1

100,0%

Na Tabela 4 e Figura 5 pode-se observar que a distribuição relativa, entre as formas de energia, muda substancialmente por uso  nos diversos critérios ao se expressar globalmente a energia, como foi assinalado anteriormente.

No caso, pode-se observar ainda  que as baixas eficiências médias para a eletricidade no uso "outros" (principalmente iluminação) reduz enormemente a participação neste uso quando expresso em energia útil. 

Já a participação na forma de calor, também em energia útil, é aumentada, porque os rendimentos considerados são relativamente altos. A participação de calor (calor de processo + aquecimento direto) é superior a 50% quando representada em energia útil.

Figura 5: A valorização dos usos específicos da eletricidade (outros), quase desaparece no critério de energia útil, tendo em vista a baixíssima eficiência de conversão para energia luminosa.   A energia motriz é valorizada em relação à geração de calor no conceito de energia equivalente.

Processo Simplificado para Avaliar Energia Equivalente em Outros Países

Os valores da eficiência relativa entre os energéticos, para cada uso, apresentam menor dispersão que os referentes à energia útil como pode ser observado na Tabela 5 para o Setor Alimentos e Bebidas (Brasil 1993).

Na Tabela 5 estão representados os principais energéticos envolvidos (98% em energia final) e existe competição entre as diversas fontes para os usos como calor de processo e aquecimento direto. São indicados também  os coeficientes absolutos, usados para a obtenção de energia útil e os coeficientes relativos usados para obter a energia equivalente.

Na terceira coluna de cada conjunto está representado o desvio em energia útil ou em energia equivalente. Estes desvios foram calculados para uma situação hipotética em que 100 unidades de energia final, inicialmente distribuídas igualmente (50 para C. e 50 para AD), fossem redistribuídas na forma 60 C.P. e 40 A.D. Um eventual erro de alocação, ou uma situação tecnológica diferente em outro país, que provocasse uma alocação diferente de energia, causaria maiores alterações na energia útil que na energia equivalente, quando computadas globalmente para o setor. Já uma mudança no perfil do uso da eletricidade entre foça motriz e geração de calor provocaria desvios nas duas formas de apurar a energia.

Tabela 5: Exemplo, para o Setor Alimentos e Bebidas (Brasil 1993) com variações provocadas pela mudança de alocação da energia entre calor de processo (C.P.) e aquecimento direto (A.D.)

Coeficientes absolutos (EU) Coeficientes Relativos (EE)

C.P.

A.D.

Desvio(*) EU

C.P.

A.D.

Desvio(*) EE

GÁS NATURAL

0,80

0,50

1,00

1,00

CARVÃO VAPOR

0,70

0,35

7%

0,88

0,70

2%

LENHA

0,70

0,35

7%

0,88

0,70

2%

ÓLEO COMBUSTÍVEL

0,80

0,50

5%

1,00

1,00

0%

ELETRICIDADE

0,95

0,65

4%

1,19

1,30

-1%

(*) Desvio na energia entre uma distribuição (de 50 C.P. e 50 A.D. para 60 C.P. 40 A.D.)

Isto torna atrativo usar os resultados médios, para cada setor, da energia final e equivalente para deduzir fatores de conversão a serem usados como primeira aproximação quando se desconhecem a distribuição por uso e as eficiências de cada energético e tipo de uso. O processo já foi descrito anteriormente (e&e No 17 http://ecen.com) para uma desagregação em 3 macro-setores (indústria, transporte e outros). Neste trabalho sugerimos coeficientes a serem usados para obter uma avaliação da energia equivalente, usando-se balanços energéticos apresentados na desagregação de setores econômicos usada pela OCDE. Os conceitos utilizados são descritos no Anexo 1.

O Balanço de Energia Útil 1993 (MME/Brasil) apresenta, para cada setor econômico, uma matriz de eficiências para cada energético e para cada uso, que representa a situação no país naquele ano. Apresenta, também,  uma outra matriz de eficiências, correspondente às tecnologias já existentes em outros países. O objetivo, naquela publicação, era avaliar o potencial de conservação de energia no Brasil.

Como se pretende usar as eficiências médias para a comparar   vários países, essa segunda matriz de eficiências foi considerada mais significativa que a atualmente praticadas no Brasil, onde os esforços de conservação de energia ainda são bastante limitados.

Cabe ressaltar que a opção por um outro conjunto de eficiências não introduz alterações importantes na apuração da energia equivalente. Com efeito,   as variações dos coeficientes relativos são menos importantes que dos absolutos, já que, alguns dos incrementos de eficiência energética são possíveis tanto para um combustível qualquer, como para o de referência (gás natural no nosso caso).

A distribuição da energia final, por uso de cada energético e em cada setor, foi extraída do BEU/MME correspondente à distribuição avaliada para o Brasil em 1993.

O calor como subproduto da cogeração, presente em alguns balanços da OCDE, foi convertido em equivalente ao GN, usando-se  o fator 1.

Para a desagregação setorial da OCDE foram encontrados os   coeficientes por energético, conforme indicados na Tabela 6.

Tabela 6: Coeficientes para conversão de energia final em equivalente para cada setor econômico na forma dos balanços OCDE

Carvão

Derivados de Petróleo

Gás

Outros

Combust. Renov
& Rejeitos

Eletricida-
de

Calor
(**)

Total

Consumo Final Total

1,036901

1,185693

1

0,882175

0,791077

2,750938

1

1,686178

Setor Industrial

1,036901

0,978468

1

0,721657

0,839014

2,733705

1

1,817532

  Ferro e Aço

1,062014

1,014319

1

1,055006

1,567933

1

1,222611

  Química e Petroquímica

0,613161

0,901807

1

0,828939

3,029436

1

2,147615

  Metais Não-Ferrosos

0,9

0,864494

1

0,880237

2,975337

1

2,705373

  Minerais Não-Metálicos

0,945113

1,006299

1

0,837931

0,74092

3,012487

1

1,433493

  Mineração e Pelotização

0,95

1,066045

1

0,95

3,165992

1

2,476562

  Alimentos e Fumo

0,8624

1,013103

1

0,73344

2,989202

1

1,410347

  Papel Celulose

0,911111

1,015128

1

0,716667

0,904104

3,137117

1

1,820223

  Têxtil e Couro

0,836167

1,00218

1

0,873682

3,092431

1

2,582492

  Outros(*)

0,844571

1,043177

1

0,780316

2,778976

1

2,298516

Transportes

1,338041

1

1,37931

3,10045

1

1,3623

  Aeroviário

1,134951

1

1,134951

  Rodoviário

1,347139

1

1,37931

1

1,353152

  Ferroviário

1,517241

3,10045

1

2,141909

  Dutoviário

3,10045

  Fluvial

1,404143

1

1,404143

  Não especificado

1,338041

1

Outros Setores

1

1

  Agricultura

0,844571

1,507205

1

0,628071

3,134031

1

1,776854

  Comércio e Serv. Publ.

0,844571

1,035368

1

0,461669

3,213149

1

3,068078

  Residencial

0,844571

0,983877

0,3

2,464561

1

1,613038

Não Especificado

0,844571

1

Usos Não Energéticos

1

1

1

1

1

1

1

1

(*) Outros (industriais): Equipamento de Transporte, mecânica, Madeira e Produtos de Madeira, Construção e não especificados da indústria.
(**) Coeficiente provisório

A conversão dos dados dos balanços energéticos, publicados pela OCDE em energia final, para energia equivalente pode ser facilmente realizada a partir da Tabela 6. Um exemplo para a Alemanha está mostrado no Anexo A4. Note-se que, por questões de correspondência entre o Balanço Energético do Brasil e os editados pela OCDE, foi necessário tratar de forma conjunta quatro setores industriais incluídos como "outros".

ANEXOS

Referências

(R1) - Energy balances of  OECD Countries 1995-1996 - International Energy Agency - OECD - 1998 Edition349 pag. e Energy  Statistics and Balances non-OCDE Countries 1995-1996 - IEA - OCDE

(R2) - Balanço de Energia Útil - Ministério de Minas e Energia MME - Versão Eletrônica 1984

(R3) - Balanço energético Nacional - BEN - MME - Versão Eletrônica 1999

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