Economia & Energia
Ano IX -No 48: Fevereiro - Março 2005 
ISSN 1518-2932

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 Editorial:

Entrada em Vigor do Protocolo de Quioto

Texto para Discussão:

Estimativa do Teor de Carbono no Gás Natural Seco Usando-se a Diferença entre os Poderes Caloríficos Superior e Inferior

Artigo:

O Balanço de Carbono na Produção, Transformação e Uso de Energia no Brasil – Metodologia e Resultados no Processo “Top-Bottom” para 1970 a 2002.

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 Texto para Discussão:

Estimativa do Teor de Carbono no Gás Natural Seco Usando-se a Diferença entre os Poderes Caloríficos Superior e Inferior

  Omar Campos Ferreira.

 A equipe de Economia e Energia – ONG vem desenvolvendo métodos de determinação do teor de carbono em combustíveis como parte dos trabalhos de suporte à Coordenação Geral de Mudanças Climáticas do Ministério da Ciência e Tecnologia no levantamento do inventário de carbono atmosférico. O tema é de relevância para o posicionamento do Brasil em relação ao Protocolo de Quioto, visto que a proposta de estabelecimento de mecanismos de desenvolvimento limpo foi uma iniciativa da Delegação Brasileira à Conferência de Quioto.

A matriz energética brasileira é uma das mais limpas do mundo, tanto no que se refere à emissão de poluentes químicos (CO, hidrocarbonetos não queimados, SOx, NOx, etc...) quanto à emissão de gases de efeito estufa (CO2, HC, NMOCV´s[i]), havendo dúvida apenas quanto à emissão de metano. Essa qualidade da matriz é conseqüência do uso da hidroeletricidade e dos combustíveis da biomassa e pode gerar efeitos econômicos de importância para o Setor Energético com a entrada em vigor do Protocolo. Com sua entrada em vigor, o Brasil pode vender créditos de carbono para países que, por algum motivo, não possam reduzir seu nível de emissão aos de 1991. A posição dos EUA  é contrária à implementação dos Mecanismos de Desenvolvimento Limpo por temerem a estagnação de sua economia, visto que os combustíveis fósseis representam a maior contribuição para a conversão de energia.

O objetivo específico dos trabalhos em curso é a monitoração das informações oficiais sobre o teor de carbono nos produtos dos Centros de Transformação (refinarias de petróleo, usinas de gaseificação, centrais elétricas, coquerias e destilarias) usando os balanços de massa/energia, as especificações legais desses combustíveis e os respectivos poderes caloríficos superior e inferior, verificando a coerência desses dados através das propriedades físico-químicas dos componentes das misturas combustíveis. Na edição nº 43 da revista “Economia&Energia” em suas formas impressa e eletrônica (http://ecen.com),  propusemos um método expedito de determinação do teor de carbono e exemplificamos sua aplicação para o petróleo bruto e para a gasolina automotiva, avaliando em 6% a incerteza típica do método. Essa aproximação foi atribuída à incerteza na especificação dos combustíveis e nas medições de campo, em geral maiores do que as incertezas nos dados retirados de publicações técnicas. Entretanto, há outras fontes de incertezas, estas sistemáticas, relacionadas com diferentes interpretações da definição do poder calorífico inferior ou, até mesmo, da mudança, explicitada ou não, do estado físico de referência.

Uma compilação das definições usuais mostra que os textos de Termodinâmica mais antigos definem o poder calorífico inferior como a diferença entre o poder calorífico superior e o calor latente de condensação do vapor d´água (L=539 kcal/kg) que se forma na combustão, o que equivale a considerar como estado de referência o da mistura dos produtos da combustão a 100°C e 1 atm, estando o vapor d´água condensado. Outros autores, considerando que o combustível esteja inicialmente a 25°C e à pressão de 1 atm, deduzem do poder calorífico superior o calor latente de condensação e o calor sensível de resfriamento dos produtos da combustão à temperatura original do combustível; neste caso, atribuindo aos gases da combustão o calor específico médio, entre 100°C e 25°C,  e supondo a composição estequiométrica da mistura (combustível + ar), é necessário levar em consideração o teor de hidrogênio do combustível original para se obter as massas de vapor d´água e de outros gases presentes como produtos de combustão, o que tornaria o método dos poderes caloríficos menos expedito.

Assim, a verificação ora proposta representa uma avaliação da influência de todos esses fatores sobre o resultado do cálculo expedito do teor de carbono que, da mesma forma que outros cálculos expeditos, pode ser usado como primeira aproximação, visto que a concentração de gases de efeito estufa na atmosfera não decorre simplesmente da emissão calculada desses gases, pois a Biosfera tem mecanismos de redução da concentração ainda não bem conhecidos. 

Entretanto, a aplicação do método para o gás natural usando dados do Balanço Energético Nacional de 2002 não deu resultados consistentes com os de outras publicações técnicas, dentro da margem de incerteza avaliada para os casos exemplificados, lançando dúvidas quanto à validade do método. Procuramos, neste trabalho, esclarecer essas dúvidas aplicando o método ao gás natural seco (ou processado, conforme diversa nomenclatura), verificando a cada passo a consistência dos dados.

Os dados sobre o gás processado na UPGN de Candeias foram obtidos no portal www.gasenergia.com.br, constando na página principal a informação de que o portal tem o patrocínio e a supervisão da PETROBRÁS. 

Roteiro da verificação.

1 - Conversão dos dados de composição volumétrica para composição em massa;

2 - Cálculo dos poderes caloríficos superior/inferior, da massa específica e da densidade da mistura em relação ao ar, usando os dados do “Chemical Engineers´ Handbook”, ed. Mc Graw-Hill, 1973 para as propriedades físico-químicas das substâncias contidas no GN.

3 - Cálculo do teor de carbono do GN e confronto com o dado do IPCC[ii].

Tabela 1 – Composição do GN processado de Candeias.

Substância

Fração em volume

Massa específica kg/m3 *

Massa por m3 do GN - kg

Fração em massa

Metano

0,8856

0,714

0,632

0,800

Etano

0,0917

1,339

0,123

0,155

Propano

0,0042

1,964

0,008

0,010

N2

0,0120

1,254

0,015

0,019

CO2

0,0065

1,964

0,013

0,016

Soma

1,000

-

0,791

-

*Cálculo pela massa molecular.

 Densidade relativa ao ar: 0,791/1,293 = 0,612.

Densidade UPGN                                = 0,61.

Diferença relativa 0,002/0,612             = 0,03  (0,3 %).

 Tabela 2 – Poderes caloríficos.

Substância

Fração da massa*

PCS kcal/kg

PCI kcal/kg

Metano

0,800

13265

11954

Etano

0,155

12399

11350

Propano

0,010

12034

11079

N2

0,019

0

0

CO2

0,016

0

0

GN seco

1,000

12650

11430

        * Tabela anterior

 PCS calculado = 12650 kcal/kg = 10010 kcal/m3

PCS  UPGN     = 12070 Kca/kg =   9549 kcal/m3

Diferença relativa                       =    0,048 (4,8%)

 PCI calculado = 11430 kcal/kg =    9041 kcal/m3

PCI UPGN      = 10090 kcal/kg =    8621 kcal/m3

Diferença relativa                      =    0,049 (4,9%)

 Tabela 3 – Teor de carbono calculado pela composição da mistura.

Substância

Fração da massa

Teor de carbono

Metano

0,800

0,750

Etano

0,155

0,800

Propano

0,010

0,818

N2

0,019

0

CO 2

0,016

0,273

GN seco

1,000

0,737

 Tabela 4 – Teor de carbono calculado pelos poderes caloríficos da UPGN.

PCS – PCI

 

Massa de água/kgGN

Teor de hidrogênio

Teor C = 1 – teor H2

L1=540

L2 =615

L1

L2

L1

L2

Calculado

1220

2,26

1,98

0,251

0,220

0,749

0,780

Observado

1170

2,17

1,90

0,241

0,211

0,759

0,789

Notas: L1 é o calor de condensação do vapor d`água a 100°C e 1 atm. L2 é a soma de L1 com o calor sensível de resfriamento dos produtos da combustão a 25°C e 1 atm. Todos os calores referidos à unidade de massa (kcal/kg) da respectiva substância.

 Conclusões.

A maior diferença relativa entre os resultados dos cálculos do teor de carbono pela composição do combustível e pela diferença entre os poderes caloríficos superior e inferior é de 0,07 (7%), que não difere substancialmente da diferença relativa avaliada para os casos do petróleo e da gasolina automotiva (6%) e é menor do que a incerteza relativa no poder calorífico superior do gás natural processado (8,6%).

Para situar nossos cálculos em relação aos valores divulgados pelo IPCC, tomamos o resultado que apresenta a maior diferença em relação ao teor de carbono calculado pela composição do GN (0,789, na tabela 4) e calculamos a massa de carbono, em tonelada, correspondente a 1 TJ de calor liberado.

1 TJ = 1012 J = 0,239 x 1012 cal.

Massa de GN que libera 1 TJ na combustão completa = 0,239 x 1012 cal / 12 x 109  cal/tGN  = 19,9 tGN = 19,9 x 0,789 = 15,7 tc /TJ.

O valor divulgado pelo IPCC é de 15,5 tC / TJ.

Cremos, pois, que o método expedito parece confiável dentro da precisão usada na apuração de balanços de carbono. Além disto, ele possibilita levar em conta diferenças entre os combustíveis de procedências diferentes e, no caso do Brasil, levar em conta as diferenças de especificação dos combustíveis ao longo dos anos.

 

Graphic Edition/Edição Gráfica:
MAK
Editoração Eletrônic
a

Revised/Revisado:
Monday, 09 May 2011
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