Economia & Energia
Ano VIII -No 43:
Março-Abril 2004  
ISSN 1518-2932

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e&e No 43

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Artigo:

Avaliação da Produtividade de Capital no Brasil no Século XX

Texto para Discussão:

Balanço de Carbono

Opinião:

O Brasil e o Protocolo Adicional ao Acordo de Salvaguardas Com a AIEA

Legislação:

Novas Leis Regulamentam o Setor Elétrico

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Texto para Discussão:

Balanço de Carbono:
Bases para o cálculo da emissão de gases de efeito estufa.

Omar Campos Ferreira. 
omar@ecen.com

O cálculo da emissão de gases de efeito estufa relacionada com o uso de energia baseia-se nas massas dos combustíveis consumidos e em coeficientes de emissão específicos, encontrados em publicações técnicas. As unidades práticas de medida das quantidades de combustíveis líquidos e gasosos comercializados são os respectivos volumes e densidades e os combustíveis são caracterizados por propriedades que garantam a sua adequação a cada tipo de uso. Um conjunto dessas propriedades constitui a especificação técnica formulada por órgãos de normalização e de fiscalização do mercado. Assim, a Agência Nacional do Petróleo, que substituiu o Departamento Nacional de Combustíveis, edita periodicamente as especificações para os combustíveis de sua área de atuação. No caso da gasolina, por exemplo, as propriedades relevantes são o poder calorífico, a densidade, o número de octano, o teor de enxofre, a curva de destilação, etc... Essas propriedades são, em geral, dependentes da estrutura molecular dos componentes do combustível, que é, na maioria dos casos, uma ou mais misturas de hidrocarbonetos, eventualmente aditivada para corrigir pequenos desvios de especificação.

A emissão específica de gases de efeito estufa depende do teor de carbono do combustível, de forma que o cálculo da emissão pelo conjunto dos combustíveis deve ter em conta não apenas os teores de carbono dos hidrocarbonetos presentes, mas também as diferentes misturas que satisfazem as especificações. É, pois, aparente que a descrição detalhada das fontes de gases de efeito estufa é uma tarefa árdua, felizmente dispensável quando se deseja apenas calcular o montante de carbono emitido. Este trabalho trata do problema de cálculo do teor de carbono dos combustíveis derivados do petróleo, já que o gás natural e o carvão mineral, que também são importantes fontes de emissão, são substâncias mais simples, para as quais basta considerar as impurezas, em sua maioria não combustíveis.  

Derivados do petróleo.

O petróleo se desdobra, pelas operações de refino, craqueamento e reforma, em uma ampla gama de combustíveis para uso nos diferentes setores da economia. Em certa medida, a composição do óleo bruto determina a estrutura do refino, de vez que a economia de processo prioriza os produtos de menor custo. Assim, a maioria dos derivados é obtida pela destilação fracionada, que separa os produtos por grupos destinados aos diferentes usos.

A destilação separa os diferentes componentes conforme a tensão de vapor ou, em outros termos, conforme a temperatura de vaporização. Assim, ao longo da coluna de destilação, o perfil de temperatura determina o perfil de composição da mistura. Não há, portanto, alteração das estruturas moleculares, mas apenas o enriquecimento da mistura em determinados hidrocarbonetos conforme a temperatura reinante em cada ponto. Já no craqueamento, a estrutura molecular é modificada: um hidrocarboneto pesado é quebrado em hidrocarbonetos mais leves, ocorrendo freqüentemente a alteração das ligações químicas, de ligação simples para ligações duplas ou triplas. Finalmente, na reforma, moléculas de outros elementos são introduzidas na estrutura original, como no caso da hidrogenação.  

Em todas as operações acima descritas, o número de átomos de cada elemento é conservado, o que isenta o balanço elementar de perturbações induzidas por elas. Desta forma, a massa de carbono se mantém constante nas transformações, quaisquer que sejam as propriedades físicas dos combustíveis, fornecendo uma informação importante para o cálculo da perda de combustível na transformação ou da adição de substâncias estranhas, como a água, com o propósito de se aumentar o volume do produto.

O cálculo do carbono total contido no petróleo pode ser elaborado com base na diferença entre os poderes caloríficos superior e inferior, que pode ser determinado com o uso de um calorímetro de fluxo, no qual a água de combustão é recolhida e pesada. De acordo com a definição usual, a diferença é devida à vaporização da água de combustão, que não é recuperada nos processos abertos (por exemplo, em motores de combustão interna). Usando os poderes caloríficos do petróleo consumido no Brasil, fornecidos pelo Balanço Energético Nacional de 2002 (ano base 2001), e desprezando a contribuição de impurezas para a formação de água (como o H2S), calculamos em 0,130 o teor de hidrogênio contido; a menos das impurezas (enxofre entre 0,0005 e 0,05), o método fornece o teor de carbono = 0,870, resultado concordante, dentro da incerteza mencionada, com os dados do Handbook of Chemical´s Engineer, McGraw Chemical Engineering Series, 1973, para óleo de baixo teor de enxofre (0,867).

Para os derivados do petróleo, é possível usar as especificações para obter o teor  provável de carbono. A título de comparação, elaboramos o cálculo para a gasolina automotiva (sem álcool) pelos dois caminhos, conforme descrito a seguir.

 1 – Partindo dos poderes caloríficos:

                        PCS = 11.220 kcal/kg                                   PCI = 10.550 kcal/kg.

PCS – PCI = 670 kcal/kg

Massa de água formada: m = 670 kcal/kg / 540 kcal/kg = 1,24 kg água / kg gasolina.

Massa de hidrogênio/kg gasolina = 1,24/9 = 0,140 kg hidrogênio / kg gasolina

Teor de hidrogênio = 0,149 = 14,9%.

2 – Partindo das especificações da gasolina e determinando a composição provável por grupos de hidrocarbonetos:

As propriedades relevantes são:

-          Poder calorífico superior 11.220 kcal/kg.

-          Densidade = 0,742.

-          Limites para aromáticos: 0 – 40%.

-          Limites para olefínicos:   0 – 20%

-          Ponto inicial de ebulição: 30 a 40 °C.

-          Ponto final de ebulição:   190 a 215 °C.

Para este cálculo, listamos os hidrocarbonetos parafínicos (alcanos) com pontos de ebulição dentro da curva especificada e os hidrocarbonetos cíclicos (aromáticos) mais abundantes, apresentados na tabela a seguir. Dos olefínicos, apenas o penteno tem listadas, nos manuais consultados[1], as propriedades necessárias ao cálculo e, como os olefínicos são minoritários na especificação, deixamos de incluir o penteno que, de resto, tem PCS e densidade próximos aos dos hidrocarbonetos parafínicos. Os dois grupos de hidrocarbonetos estão representados, nas equações, pelos valores médios do poder calorífico e da densidade, procedimento que se justifica pelo desconhecimento de sua distribuição na gasolina.[2]

Cíclicos

Fórmula

Fração H

PCS

P Ebul. °C

kg/litro

Benzeno

C6H6

0,077

9999

80

0,879

Tolueno

C7H8

0,087

10142

111

0,866

Paraxileno

C8H10

0,094

10250

140

0,867

Etilbenzen

C8H10

0,094

10277

136

0,867

 

 

 

40668

média=10167 kcal/kg

 

 

 

 

dens.

0,87

 

Alcanos

Fórmula

fração H

PCS kcal/kg

P Ebul. °C

kg/litro

n pentano

C5H12

0,167

11626

 

36,3

0,546

i pentano

"

 

 

11606

28

 

n hexano

C6 H14

0,163

11547

 

69

0,659

i hexano

"

 

 

11532

60,2

 

n heptano

C7 H16

0,16

11490

 

98,4

0,679

i heptano

"

 

 

11477

90

 

n octano

C8 H18

0,158

11447

 

126

0,703

i octano

"

 

 

11436

99,3

 

n nonano

C9 H20

0,156

11414

 

150,5

0,718

n decano

C10 H22

0,155

11387

 

174

0,73

n undecan

C11 H24

0,154

11365

 

194,5

0,741

dodecano

C12 H26

0,153

11346

 

214,5

0.751

 

 

média

11453

 

 

0,691+/-0,066

 

 

dispersão

96,5

0,0084

 

 

 

 

fr. H

0,158

0,032

 

 

 

 

fr. C

0,842

 

 

 

Observa-se que os hidrocarbonetos parafínicos são representados pelo octano e os aromáticos pelo tolueno.

De posse dos valores médios das propriedades PCS e densidade, montamos o sistema de duas equações suficientes para a determinação da participação dos dois grupos de hidrocarbonetos:

                        11.450 x + 10.170 (1-x) = 11.220

                           0,691 x + 0,870 (1-x) = 0,742

cuja solução é: x = 0,75 (proporção de hidrocarbonetos parafínicos).

Finalmente, calculamos a fração de hidrogênio na gasolina como:

                        F = 0,75 x 0,158 + 0,25 x 0,09 = 0,141.

A diferença entre os dois resultados é de cerca de 6%, o que nos parece adequado ao cálculo da emissão de gases de efeito estufa, em face da incerteza maior do efeito dos sumidouros de carbono atmosférico.

Graphic Edition/Edição Gráfica:
MAK
Editoração Eletrônic
a

Revised/Revisado:
Tuesday, 10 May 2011
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