eee2p.gif (2459 bytes)

Economia & Energia
No 25 - Março - Abril 2001 ISSN 1518-2932

setae.gif (977 bytes) English Version 

Support:         
fapemiggif.gif (1508 bytes)

BUSCA

CORREIO

DADOS ECONÔMICOS

DOWNLOAD

e&e ANTERIORES

e&e No 25

Página Principal

Aplicação de Coeficientes da Matriz de Emissões 

Dívida  Pública do Brasil

Setor Energético 2000 

Aplicação de Coeficientes da Matriz de Emissões 

Coeficientes de Emissão em Veículos Pesados 

Emissões em Veículos Pesados

Emissões em Veículos Leves

http://ecen.com

Vínculos e&e
Livro de Visitas

Matriz Energética e de Emissões
http://ecen.com/matriz



 

Parâmetros de Emissão de Gases de efeito Estufa por Veículos pesados no Brasil

 1 – Considerações Preliminares

Nossos objetivos nessa seção é apresentar coeficientes de emissão que possibilitem o cálculo da emissão total a partir da composição da frota e da idade dos veículos. Na próxima seção calcularemos as emissões de gases de efeito estufa na década de 90.

No período 1990-1997, objeto deste trabalho, a participação dos veículos pesados do ciclo Otto nas emissões é limitada à pequena frota remanescente.A emissão devida a esses veículos (a gasolina e a álcool) será avaliada a partir de parâmetros globais.

Nas seções anteriores  foram estudados os parâmetros necessários à caracterização da frota, partindo dos dados sobre a venda de veículos, por categoria (comerciais leves, automóveis, caminhões e ônibus), e de uma função que descreve a sobrevivência dos veículos a partir do ano de fabricação.

No cálculo dos índices de emissão para a frota diesel  caracterizada da maneira acima, o consumo de óleo diesel no transporte rodoviário usado foi o constante no Balanço Energético Nacional, edição de 1998, e os índices de emissão para veículos novos usados foram os estabelecidos pelo Conselho Nacional do Meio Ambiente - CONAMA. Tendo em vista que a legislação brasileira sobre o tema é  recente, foi necessário recorrer às informações relativas a países onde o controle das emissões veiculares tem tradição mais longa, para estabelecer uma hipótese sobre a situação existente no Brasil anteriormente.

Devemos ter presente que o controle das emissões veiculares no Brasil é exercido através do Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores - PROCONVE - instituído pelo Conselho Nacional do Meio Ambiente - CONAMA- em Portaria No  18 /1985.

Os objetivos do PROCONVE são:

·        reduzir os níveis de emissão de poluentes por veículos automotores, visando o atendimento dos Padrões de Qualidade do Ar, especialmente nos centros urbanos;

·        promover o desenvolvimento tecnológico nacional tanto na engenharia automobilística, como também em métodos e equipamentos para ensaios de emissão de poluentes;

·        criar programas de inspeção e manutenção para veículos automotores em uso;

·        promover a conscientização da população com relação à questão da poluição do ar por veículos automotores;

·        estabelecer condições de avaliação dos resultados alcançados;

·        promover a melhoria das características técnicas postas  à disposição da frota nacional de veículos automotores, visando a redução de emissões poluidoras à atmosfera.

O PROCONVE estabeleceu ainda a obrigatoriedade da Certificação de Conformidade dos motores aos níveis de emissão prescritos.

A implantação do Programa vem sendo feita desde a Portaria 18/85 de modo gradual. Até há dois anos, o PROCONVE não contava com laboratório de emissões para veículos Diesel instalado e operado por entidade pública nacional. Atualmente, o Instituto de Pesquisas Tecnológicas, em S. Paulo, opera um laboratório equipado com os recursos necessários a  essa finalidade. Não aconteceu para veículos a diesel o mesmo que com os veículos do ciclo Otto (gasolina e álcool), onde vários laboratórios nacionais já operavam com emissões de veículos desse ciclo desde a década passada, entre eles o do Centro Tecnológico da Aeronáutica, em S. José dos Campos, e o CETESB, em S. Paulo.

Estudos sobre as emissões veiculares são relativamente recentes. Em 1982, a Organização Mundial de Saúde (WHO) publicou os resultados do estudo "Rapid Assessment of Sources of Air, Water and Land Pollution". Não temos informações sobre a situação reinante na Europa antes do acordo das nações da União Européia, de 1991, a partir de quando foram emitidas as prescrições para motores novos. A Legislação brasileira é calcada na européia, o que se explica pela preponderância das montadoras de veículos Diesel, oriundas da Europa (SCANIA, VOLVO e MERCEDES BENZ) no mercado nacional.

Os limites de emissão para Veículos Pesados Novos estão apresentados no Anexo 3. Observamos que os gases de efeito estufa mais relevantes (CO2 e CH4 ) ainda não constam  das prescrições.

 2 – Características Relevantes do Motor Diesel.

 A seguir, relembraremos as características relevantes do motor Diesel no que interessa a emissão de poluentes.

O motor Diesel é dito de " ignição por compressão", o que quer dizer que a mistura combustível é inflamada quando uma nuvem de óleo é injetada pela bomba de alta pressão no ar quente contido no cilindro. O aquecimento do ar é devido à compressão praticamente adiabática (sem troca de calor com o exterior) efetuada pelo pistão do motor. Ao contrário, no motor do ciclo Otto a ignição é desencadeada pela centelha que salta entre os eletrodos da vela de ignição. Esta diferença, entre os modos de inflamar a carga,  impõe características físico-químicas distintas aos combustíveis usados em um e outro desses motores.

O combustível do ciclo Otto utiliza derivados leves do petróleo (naftas leves, propano, butano, etc), gás natural, gás de água (gerados em gasogênio), álcool e outras substâncias gasosas ou que possam ser facilmente vaporizadas antes de entrar no cilindro do motor. Por outro lado, estes combustíveis devem resistir à compressão moderada típicas do ciclo Otto (de 1 para até 12 atmosferas) sem entrar em ignição que seria, nestes casos, explosiva devido à elevada velocidade de propagação de chama nesses combustíveis e à decomposição e recomposição molecular. O parâmetro que caracteriza a resistência à ignição por compressão é o Número de Octano (NO), sendo desejável para o combustível do ciclo Otto elevado número de octano.

Por outro lado, a facilidade de um combustível entrar em ignição por compressão é expressa pelo Número de Cetano (NC). Entre estes dois parâmetros há uma relação de complementaridade expressa por uma equação do tipo:

                                               NO = a - b NC

em que a e b são constantes características de "famílias" de combustíveis, como a dos hidrocarbonetos leves que compõem a gasolina.

O número de cetano do combustível diesel caracteriza, em certa medida, a cinética de combustão e tem, portanto, influência no espectro de substâncias emitidas pelo motor. O combustível diesel é uma mistura de hidrocarbonetos de moléculas mais pesadas do que as dos hidrocarbonetos da gasolina e, em conseqüência, de menor razão de massas hidrogênio/carbono, o que determina elevada emissão de compostos de carbono por unidade de Energia Final entregue ao motor. Entretanto, as características do ciclo Diesel que asseguram rendimento térmico superior ao do ciclo Otto (como o fato de operar com grande excesso de ar) compensam amplamente a desvantagem decorrente da composição do combustível, quando o parâmetro de interesse é emissão / energia útil. A comparação entre as emissões típicas nos dois ciclos sob outros aspectos é vaga em virtude da diferença de destinação  dos respectivos veículos. Na composição atual da frota brasileira os veículos do ciclo Otto são usados principalmente no transporte individual de passageiros e de cargas leves, cabendo aos do ciclo diesel o serviço pesado. 

No Brasil, que tem consumo de combustíveis automotivos praticamente centrado no óleo diesel (cerca de 1/3 dos usos de derivados), devido à estrutura do sistema de transportes coletivos de passageiros e de carga, o número de cetano variou entre amplos limites, a partir da alta de preço do petróleo na década de 70, refletindo o esforço de acomodação da balança comercial. A partir do início da década de 90 houve um movimento de melhoria da qualidade do diesel motivado pela legislação sobre a qualidade do ar. Na atualidade, há quatro faixas de especificação do número de cetano para uso rodoviário, urbano, metropolitano, ensaios e outros usos. A faixa de variação vai de NC=40 a 45. Nos países onde a legislação ambiental é mais rigorosa, o diesel urbano tem NC=50.

 Outras características relevantes do combustível diesel (para emissões) são: a densidade, a viscosidade, a composição (espectro de razões átomos H / átomos C), refletida na curva de destilação), o teor de enxofre, a presença de contaminantes, o teor de hidrocarbonetos cíclicos (aromáticos, derivados da cadeia fundamental do benzeno) e obviamente, o poder calorífico.

As características mencionadas não são independentes, como mostra a experiência adquirida, no Brasil,  nas tentativas de estender a oferta de combustível diesel pela adição de gasolina (ou, em outros termos, a incorporação de hidrocarbonetos mais leves ao diesel no processo de refino)  e de álcoois (etílico e superiores). O número de cetano diminui, ao passo que  o perfil de emissão é modificado, com vantagens  na emissão de CO e de fumaça preta (fuligem) mas com desvantagens para a de HC. Dentro de certos limites (até 10% em volume) o diesel pode receber nafta pesada sem fugir da especificação para o diesel rodoviário (NC mínimo = 40), conservando o consumo volumétrico específico e diminuindo a emissão de CO e de fumaça, com pequeno aumento na emissão de HC.

De particular interesse para o Brasil é a adição de álcool que poderia atuar como "pulmão" para o sistema de suprimento de combustível automotivo. O Ministério de Ciência e Tecnologia coordenou o Programa Álcool-Diesel. que considerou duas modalidades de adição, álcool hidratado em emulsão (emulsificante importado) e álcool anidro em solução, com melhores resultados para a solução com co-solvente derivado do óleo de soja, produzido no Brasil. A versão emulsificada foi abandonada principalmente pela ocorrência de carbonização na bomba injetora. Ensaios realizados no Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT- mostraram, para a mistura com 10% de álcool anidro,  redução significativa de cerca de 20% de fumaça (índice Bosch), de 12% em CO e 6-7 % em HC.   

Aparentemente, o fator custo direto é que dita o modo de uso dos combustíveis automotivos no Brasil. Tentativas de modificar o status quo, priorizando o aspecto ambiental, têm esbarrado em interesses corporativos por diminuírem o faturamento de grupos predominantes. Podemos mostrar que a preferência por motores a álcool nos automóveis liberaria gasolina suficiente para preparar mistura gasolina-diesel a 10% do primeiro, sem o uso de aditivos, aceitável para uso rodoviário, reservando para uso urbano o diesel de melhor qualidade. Esta mistura  acarretaria ganho de 3% na eficiência termo-mecânica de toda a frota rodoviária e redução de 12% na emissão de CO. A contrapartida seria o aumento de 6% em HC e de 7 % em NOx, considerado o ganho na eficiência. A viabilização desta mudança exigiria a revisão do preço do óleo diesel, subsidiado no Brasil a título de importância social. Entretanto, este subsídio contribui para a concentração da riqueza nacional na Região Sudeste (principalmente em S. Paulo), o que provavelmente anula o benefício social alegado. Sentimos  falta de metodologia apropriada para o debate desta questão.     

 2 – Metodologia dos Coeficientes de Emissão

O cálculo baseia-se na composição da frota seção 2 e 3 a partir das vendas de veículos Diesel no Brasil (nacionais e importados) e nas curvas de sobrevivência para cada categoria considerada (curvas de sucateamento). As informações sobre a potência típica de cada categoria foram fornecidas pela Mercedes Benz do Brasil S.A.-M.B.B. e podem ser assim resumidas como mostrado na Tabela -2.

Tabela -2:

Categoria

Potência Nominal kW

Consumo Específico Mínimo          g/kWh

% da Produção

Comerciais leves

90

201

27,5

Caminhões semi-pesados

150

194

24,7

Caminhões extra-pesados

280

190

34,9

Ônibus

155

197

12,9

 

Os percentuais de venda constantes na Tabela acima são próximos dos de composição da frota Diesel por categoria, obtidos para o último ano da série (1997) cf. Figura 2.6 e Tabela A1.8, considerando uma única categoria de caminhões (semi e extra pesados agrupados). Porém, ao longo do período a participação dos automóveis e comerciais leves, agregados em uma única categoria, cresceu enquanto a dos caminhões diminuiu. Esta tendência foi levada em consideração no cálculo do consumo por categoria apresentada mais adiante.

Dado a semelhança das curvas de desempenho informadas pela M.B.B. para essas categorias, e a relativa constância do consumo específico em ampla faixa de rotação, em motores Diesel (Figura 1), supomos que os consumos específicos nas condições de uso sejam proporcionais aos consumos específicos mínimos.

 

                           Figura 1: Consumo específico em função da rotação do motor.

 

Estabelecida esta hipótese, o consumo de óleo diesel no Setor de Transporte Rodoviário, retirado do Balanço Energético Nacional/1997, é distribuído pelas categorias segundo um  fator rateio definido mais adiante.

Usando os resultados anteriores, calculamos, ano a ano, a partir de 1994, a taxa de substituição de veículos antigos por veículos fabricados no ano, pela equação de balanço aplicada a cada categoria:

           Frota no ano i = frota no ano (i-1) + vendas no ano i - sucateamento no ano i.

Os limites de emissão de CO, HC, NOx e de partículas, constantes na Tabela 1 em g/kWh, são convertidos para g/litro, mediante a proporcionalidade postulada entre o consumo especifico (g/litro) e o consumo específico mínimo  (g/kWh).

A diferença entre as duas metodologias de cálculo possíveis, a aqui exposta, e o cálculo através do consumo de óleo diesel, está na possibilidade de se avaliar, com a primeira,  o efeito de medidas de curto prazo de estímulo ou de restrição a um novo veículo de transporte, como as "vans" no tráfego urbano ou os caminhões extra-pesados nas rodovias.

A emissão de CO2  deve ser calculada através do balanço de carbono envolvendo o combustível consumido e as emissões de CO e HC. Seria desejável conhecer os efeitos da composição do diesel sobre as emissões, porém o caráter preliminar do estudo não permite levantar esta informação, visto não haver padronização dos produtos das refinarias brasileiras, que processam óleos de várias procedências e com diferentes características.. As especificações cobrem apenas os requisitos mínimos para assegurar o desempenho dos motores, o que tem sido atendido pelo ajuste do perfil de refino, dentro do possível, mediante a variação da composição do produto. Um ganho de qualidade, no que diz respeito ao combustível, deve ser perseguido com a implementação de programa que se fundamente na proposta contida no PROCONVE. O CETESB tem avaliado positivamente as melhorias já constatadas na certificação de veículos ("O PROCONVE, resultados e perspectivas" - CETESB/1995 ).

Uma forma simplificada para se elaborar o balanço de carbono consiste em se recorrer ao número de cetano, como principal indicador de qualidade do óleo. A metodologia do ensaio de cetano parte da referência ao n-hexadecano (C16H34) como o combustível diesel de excelência (o mais facilmente inflamável por compressão) e ao  alfa-metil-nafteno (C11 H10) como o de mais difícil inflamação. Preparando misturas destes hidrocarbonetos com diversos teores, fazemos  a comparação do óleo em teste com estas misturas em motor de razão de compressão variável. O número de cetano é indicado pelo teor de C16H34 da mistura que se inflama nas mesmas condições de compressão que o óleo em teste.

Os hidrocarbonetos emitidos pelo motor Diesel, referidos genericamente como HC, compreendem o combustível original não queimado  e outros hidrocarbonetos resultantes do termo-craqueamento dele, bem como outras substâncias resultantes de reações químicas com o oxigênio no motor. A legislação não obriga a discriminação desses vários hidrocarbonetos. Também os diferentes óxidos de nitrogênio que compõem o NOx não são discriminados na determinação do nível de emissão, não sendo  possível apresentar índices específicos para eles.

3 – Agrupamento de Parâmetros

Para simplificar os cálculos e facilitar a apresentação dos resultados, alguns parâmetros foram agrupados em valores médios válidos para toda a frota. Cada agrupamento está justificado e qualificado com a incerteza relativa calculada.

Para calcular a emissão por categoria de potência, o consumo de diesel em cada ano é rateada pelas categorias, sendo o fator de rateio dado por:

                                        r i = xi Pi c i / S i xi Pi c i  

sendo x a participação da categoria na frota, P a potência típica da categoria e c o consumo específico correspondente. A participação das categorias na frota (em %) está mostrada no Gráfico da Figura 2 e na Tabela 3 abaixo, extraídas de Tabelada primeira parte deste trabalho (avaliação da frota) apresentada em número anterior da e&e. A variação na participação só afeta a emissão por categoria através do rateio de consumo, mas os coeficientes de emissão são mantidos, visto que a legislação não discrimina (ainda) os níveis máximos de emissão por faixa de potência.

 

Figura 2: Participação de comerciais leves, caminhões e ônibus na frota diesel.

Tabela 3: Participação na Frota Diesel (%)

   Ano

Comerciais  Leves

Caminhões

Ônibus

1990

23,5

64,7

11,8

1991

24,7

63,3

12

1992

25,7

62,0

12,4

1993

26,8

60,7

12,6

1994

27,9

59,6

12,6

1995

28,0

58,0

12,8

1996

27,6

59,3

13,1

 continuação

Emissões em Veículos Pesados