Redução de Emissões de GEEs na Substituição de Gasolina/MTBE

REDUÇÃO DE EMISSÕES DE GASES DE EFEITO ESTUFA NA
SUBSTITUIÇÃO DE MTBE E GASOLINA COM ETANOL – ESTUDO
DE CASO: ETANOL DO BRASIL COMO ADITIVO À GASOLINA NO
CANADÁ
A. R. J. ESPARTA1 E J. R. MOREIRA
PROGRAMA INTERUNIDADES DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENERGIA, INSTITUTO
DE ELETROTÉCNICA E ENERGIA, UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
1. RESUMO
No âmbito do Protocolo de Quioto o Canadá assumiu o compromisso de
reduzir suas emissões de gases de efeito estufa em 6% abaixo dos níveis de
1990 no primeiro período de compromisso (2008 a 2012) – uma redução estimada
de 240 MtCO2eq do cenário sem compromissos para 2010. Como a diferença
entre o objetivo de redução e o cenário sem compromisso é de aproximadamente
25% (com a maior parte das emissões advindas do setor de transportes), o
cumprimento da meta vai requerer um esforço concentrado e a implementação de
muitas tecnologias novas. A adição de etanol tem o potencial de contribuir
substancialmente para essas reduções de emissões. O presente trabalho explicita
os cálculos da quantificação das reduções de emissão na substituição no
mercado canadenses de 100.000 m3 de metil-tercil butil éter (MTBE) ou gasolina
por etanol produzido no Brasil em uma proporção de 10%. Os números finais são:
a) considerando apenas as perdas (“leakage”) em emissões do transporte,
160.808 tCO2 evitadas com a substituição do MTBE e 217.938 tCO2 evitadas com
a substituição da gasolina; b) considerando as perdas em emissões do transporte
e da produção, 147.384 tCO2 evitadas com a substituição do MTBE e 213.083
tCO2 evitadas com a substituição da gasolina.
2. ABSTRACT
Under the Protocol, Canada has agreed to lower its greenhouse gas
emissions to six percent below 1990 levels during the first commitment period
(2008 - 2012) - a reduction of 240 MtCO2eq from the projected “business-asusual” emissions level in 2010. As the difference between the target reductions
and business-as-usual scenario is approximately 25% (with the largest proportion
of emissions coming from transportation), meeting this target will require a
concerted effort and the implementation of many new technologies. Ethanol
blends have the potential to substantially contribute to these emissions reductions.
The present study shows the calculations for the quantification of the emission
reductions from the substitution in the Canadian Market of 100,000 m3 methyl
tertiary-butyl ether (MTBE) or gasoline by ethanol produced in Brazil at the rate of
10% in volume. The final numbers are: a) considering only the leakage emissions
from the transportation, 160,808 tCO2 emissions abated with MTBE substitution
and 217,938 tCO2 emissions abated with gasoline substitution and; b) considering
the leakage emissions from the transportation and production, 147,384 tCO2
1
Autor para quem a correspondência deve ser enviada. Rua Padre João Manoel, 222; 01411-000
São Paulo-SP; E-mail: [email protected].
emissions abated with MTBE substitution and 213,083 tCO2 emissions abated
with gasoline substitution.
3. INTRODUÇÃO
O efeito estufa é um fenômeno natural causado pela absorção de parte
das radiações solares refletidas de volta para a atmosfera. por uma “cortina” de
gases (dióxido de carbono , CO2, metano, CH4, entre outros, o gases de efeito
estufa, GEEs). Ocorre que o aumento da concentração dos GEEs e,
conseqüentemente, o aquecimento global, estão intrinsecamente ligados a
civilização moderna, já que a emissão de alguns deles são inevitáveis na
exploração e uso de combustíveis fósseis (petróleo, gás natural, carvão).
Desde o final da década de 1980, várias ações têm sido desenvolvidas no
sentido da busca de soluções para enfrentar o problema, dos quais pode-se
destacar a criação do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas em
1988 e da Convenção Quadro das Nações Unidas para Mudança do Clima
(Convenção do Clima, CQNUMC)2 em 1992 estabelecendo metas voluntárias de
redução das emissões dos GEEs para os países industrializados, listados no
Anexo-I da Convenção.
Após alguns anos de adoção da Convenção, constatou-se que os
objetivos não estavam sendo atingidos e que compromissos compulsórios eram
necessários, finalmente estabelecidos então em 1997 através do Protocolo de
Quioto. O Protocolo estabelece que os países do anexo-I devem reduzir suas
emissões de GEEs, na média, em 5,2% para o primeiro período de compromisso
que vai de 2008 a 2012, em relação às emissões de 1990.
No âmbito do Protocolo de Quioto3 o governo do Canadá assumiu o
compromisso de reduzir suas emissões de gases de efeito estufa em 6% – uma
redução estimada de 240 MtCO2eq de um cenário hipotético sem compromissos
para 2010. Como a diferença entre o objetivo de redução e o cenário sem
compromisso é de aproximadamente 25% (com a maior parte das emissões
advindas do setor de transportes), o cumprimento da meta vai requerer um
esforço concentrado e a implementação de muitas tecnologias novas. A adição de
etanol, produzido a partir de matérias primas renováveis, à gasolina tem o
potencial de contribuir substancialmente para essas reduções de emissões.
Etanol é utilizado diretamente como combustível ou como aditivo para
aumento da octanagem em várias regiões do Canadá, Estados Unidos e Europa.
Etanol pode ser utilizado em motores convencionais em concentrações de até
25% em volume, com várias vantagens do ponto de vista ambiental.
Atualmente o mercado de etanol movimenta aproximadamente 250
milhões de litros por ano, a maior parte produzida nacionalmente a partir do milho.
Entretanto, o plano sobre mudanças climáticas do governo do Canadá prevê o
objetivo de aumentar a quantidade de gasolina contendo uma mistura de 10% de
etanol para até 35% do mercado de gasolina, que movimenta cerca de 35 bilhões
de litros de gasolina por ano. Somente essa ação tem o potencial para expandir o
mercado interno de etanol para algo em torno de 1,2 bilhões de litros de etanol
por ano.
2
Tradução para o português do original (“United Nations Framework Convention on Climate
Change”) disponível em http://www.mct.gov.br/clima/convencao/Default.htm
3
Tradução para o português do original disponível em
http://www.mct.gov.br/clima/quioto/Default.htm
Esse objetivo pode criar oportunidades para introduzir o etanol produzido
de maneira mais sustentável do ponto de vista ambiental, como é o caso do
etanol a base de cana de açúcar produzido no Brasil, no mercado Canadense de
combustíveis.
Existem algumas vantagens associadas à importação de etanol co Brasil
para o Canadá:
• O etanol produzido no Brasil a partir da cana de açúcar atinge uma redução
muito maior de emissões de GEEs em comparação com o etanol produzido a
partir do milho ou do trigo, como no caso do Canadá. O motivo desse
desempenho é que o etanol a partir da cana de açúcar requer muito menos
energia externa ao processo na sua produção.
• A produção de etanol no Brasil é, do ponto de vista econômico, a mais
competitiva do mundo. Devido a características naturais, a alta produtividade e a
pesados investimentos realizados em pesquisa e desenvolvimento, o cultivo da
cana de açúcar requer áreas muito menores para produzir a mesma quantidade
de etanol que o cultivo do milho.
• O porte do mercado brasileiro de etanol, com uma capacidade instalada
superior a 15 bilhões de litros por ano, indicam que com aumentos relativamente
pequenos de eficiência e área plantada, seria possível suprir a demanda
canadense de etanol.
4. REDUÇÃO DE EMISSÕES NA SUBSTITUIÇÃO DE MTBE E GASOLINA POR
ETANOL
Para calcular as reduções de emissões de GEEs alcançadas com a
substituição do MTBE ou da gasolina pelo etanol, o ponto de partida são as
propriedades físicas e químicas dos componentes, apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1 – Propriedades dos combustíveis (Fonte: American Petroleum Institute).
Propriedade
Fórmula
Massa molecular
[g/gmol]
Composição, %massa
Carbono
Hidrogênio
Oxigênio
Densidade a 15.5 oC
[kg/l]
Poder calorífico inferior
[kJ/kg]
Gasolina
C4H10 to C12H26
100 – 105
Média = 102,50
85 – 88
Média = 86,50
12 – 15
Média = 13,50
0.0
0,719 – 0,779
Média = 0,749
41.870 – 44.190
Média = 43.030
Etanol
C2H5O
MTBE
C5H12O
46,07
88,15
52,2
66,1
13,1
13,7
34,7
18,2
0,792
0,742
26.750
35.120
Para a gasolina os valores médios serão utilizados e todos os
combustíveis serão assumidos isentos de impurezas. A substituição de 10% em
volume (100 ml etanol e 900ml de gasolina para cada litro do combustível,
chamado “E10”) de MTBE ou gasolina, e 99% de oxidação do combustível
(combustão) será utilizada como base de cálculo. O primeiro passo para calcular
a redução das emissões com a substituição é estimar as emissões de dióxido de
carbono com a combustão de gasolina e MTBE puros.
• MTBE
• 100 ml de MTBE correspondem a 100 ml × 0,742 g/ml = 74,2 g de MTBE.
• Em 74,2 g de MTBE, 74,2 g × 66.1% = 49,05 g é carbono.
• Em 49,05 g de carbono utilizado como combustível, 49,05 g × 0,99 = 48,56 g é
oxidado.
• 48,56 g de carbono oxidado4 resultam em 48,56 g × 44/12 = 178,05 gCO2
• Gasolina
• 100 ml de gasolina correspondem a 100 ml × 0,749 g/ml = 74,9 g de gasolina.
• Em 74,9 g de gasolina, 74,9 g × 86,5% = 64,79 g é carbono.
• Em 64,79 g de carbono utilizado como combustível, 64,79 g × 0,99 = 64,14 g is
oxidado.
• 64,14 g de carbono oxidado resultam em 64,14 g × 44/12 = 235,18 gCO2
Em uma primeira aproximação será assumido que o etanol utilizado para
substituir MTBE ou gasolina provém de fontes renováveis e sustentáveis de
energia de forma a torná-lo neutro em emissões de GEEs. Com essa hipótese, a
partir dos valores acima obtém-se que para cada litro de gasolina utilizada que
contenha etanol como aditivo, 178,05 gCO2 em emissões são evitadas no caso da
substituição de MTBE e, 235,18 gCO2 no caso da substituição de gasolina. Com o
uso de 100.000 m3 of etanol, isto é, 100 milhões de litros de etanol, seria possível
produzir um bilhão de litros de gasolina E10, o que corresponde a
aproximadamente 2,9% do consumo no Canadá em 1998. Seguindo a hipótese
assumida acima, o consumo de todo esse combustível E10 resultariam em
aproximadamente 1,7805x1011 gCO2 ou 178.050 tCO2 evitadas no caso da
substituição de MTBE e cerca de 2.3518x1011 gCO2 ou 235.180 tCO2 no caso da
substituição de gasolina. Usando a mesma razão de 10% de etanol em volume
para os 34 bilhões de litros de gasolina consumida em 1998, as emissões
abatidas seriam de aproximadamente 6,053 milhões de toneladas de CO2
(MtCO2) no caso da substituição de MTBE e cerca de 7,996 MtCO2 no caso da
substituição de gasolina.
Deve-se destacar que em alguns países aditivos são adicionados à
gasolina por conter oxigênio em sua composição, isto é, como oxigenantes por
motivos ambientais e para aumento de octanagem, que por sua vez não tem o
propriedade de fornecer energia e reduz a capacidade calorífica do combustível.
Na otimização do funcionamento de motores operando com combustíveis
oxigenados uma maior quantidade de combustível será requerida para atingir a
mesma potência, mas a combustão ocorre de maneira ligeiramente mais eficiente,
o que evidencia que a razão de potência não é idêntica a razão de energia. Esses
combustíveis aditivados também requerem mais energia para vaporização. A
diferença na capacidade calorífica da gasolina e do etanol são mostrados na
Tabela 2, resultariam em um decréscimo na economia das misturas
etanol/gasolina de 2 a 3% quando comparados com a gasolina pura.
Decido a maior razão de hidrogênio em relação a carbono, a combustão
de etanol produz uma maior volume de gases por unidade de combustível
comparado à combustão de gasolina. Por isso a pressão média de operação nos
cilindros do motor também é maior e uma maior quantidade de trabalho é
realizada no estágio de expansão. Etanol também tem um calor latente de
vaporização muito maior que o da gasolina. Quando o combustível líquido
4
Massa molecular de CO2 é 44 g/mol, dos quais 12 g é carbono.
vaporiza na mistura com ar sendo injetada no motor, o maior calor de vaporização
resfria o ar, permitindo a injeção de uma maior quantidade de mistura no cilindro
e, conseqüentemente, aumentando o potência produzida em um mesmo motor.
Portanto, quando queimada em um motor otimizado para gasolina, a
mistura gasolina/etanol causarão um aumento do volume dos produtos de
combustão e o efeito de redução da temperatura dos gases de combustão. O
efeito combinado desses dois efeitos resultam em um acréscimo da eficiência de
algo em torno de 1 a 2%. Assim o impacto da adição do etano à gasolina no
consumo de combustível será bastante pequeno em comparação ao uso de
gasolina pura e será então desconsiderado (vide Tabela 2).
Tabela 2 – Efeito teórico esperado da adição do etanol ao consumo de
combustível (Fonte: Prakash, 1998).
Massa %
Oxigênio
0
2,0
2,7
3,5
Volume %
Etanol
0
5,7
7,7
10,0
Volume %
Gasolina
100,0
94,3
92,3
90,0
Energia de 1 galão de % Redução comparada
combustível, kJ/l
com a gasolina
31.774
31.170
1,9
30.958
26
30.715
3,3
Considerando que um veículo a gasolina no Canadá consome em média
8 litros de gasolina para rodar 100 km (Shingh et al., 2000) e que cada veículo
percorre em média 11.765 km por ano (USDoT-FHWA, 1995), o motorista médio
canadense necessitaria aproximadamente 941 litros de gasolina por ano.
Utilizando gasolina com 10% de etanol em volume, o motorista médio evitaria a
emissão de 167,5 kgCO2 (substituição de MTBE) ou 221,3 kgCO2 (substituição de
gasolina) por ano.
O próximo passo na quantificação das reduções de emissões efetivas é a
análise das possíveis perdas (vazamentos, “leakage”) em emissões causadas
indiretamente pela substituição, por exemplo no transporte do combustível do
Brasil para o Canadá e na produção do etanol.
Para se estimar as quantidade de CO2 emitidas no transporte, duas
considerações são necessárias: as emissões relativas ao transporte rodoviário da
destilaria etanol a algum porto brasileiro, e desse porto a destinação final no
Canadá.
No transporte rodoviário, assumindo que o etano será produzido no
Estado de São Paulo, onde cerca de 60% do álcool brasileiro é produzido
(ProCana, 2003), a opção óbvia de porto de origem seria o Porto de Santos.
Serão assumidos uma distancia média de 300 km a ser percorrida das destilarias
ao Porto de Santos, assim como um caminhão tanque a diesel médio
transportando um volume de 25 m3 (25,000 litros) com um consumo médio5 de 1
litro para percorrer 2 km. Utilizando as seguinte especificações para o óleo diesel:
•
Fator de emissão (IPCC, 1996) = 20.2 tC/TJ = 74.07 tCO2/TJ
•
Densidade (MME, 1998) = 852 kg/m3 = 0.852 kg/l
•
Calor específico (IPCC, 1996) = 45,008 kJ/kg
5
Para efeito de comparação, a eficiência media de consume de combustível para a frota
canadense em 1998 era de 39.5 l de diesel/100 km ou 1 litro de diesel para cada 2.53 km
percorridos (Fonte: NRC-OEE, 2000).
•
99% de oxidação do combustível
•
1 litro de óleo diesel × 0.852 kg/l × 45,008 kJ/kg × 0.99 = 38,347 kJ = 37.963
MJ
•
37.963 MJ x 10-6 TJ/MJ x 74.07 tCO2/TJ = 2.812x10-3 tCO2 = 2.812 kgCO2
A partir das hipótese assumidas para o transporte rodoviário, o consumo
total de diesel para percorrer os 300 km será de 150 l, levando a uma emissão
total de 421,8 kgCO2 (150 l x 2.812 kgCO2) ou 16,87 kgCO2 por m3 de etanol
transportado.
Figura 1 – Consumo de combustível no transporte de carga em função do fator de
capacidade (Fonte: IMO, 2000).
Para o transporte marítimo6, combustíveis utilizados por navios em
operações internacionais, independente da nacionalidade da transportadora
(bandeira do navio), são referidos na literatura como “International Marine
Bunkers”. Para estimar as emissões do transporte marítimo um modelo de
comparação da Organização Internacional Marítima (IMO, 2000) para diferentes
modos de transporte de carga será utilizado. As premissas do modelo são:
• Distância de movimentação da carga: 3.218 km (2.000 milhas).
• Fator de emissão para o combustível médio utilizado: 3.17 tCO2 / tonelada de
combustível.
O consumo de combustível por tipo de transporte de carga em função do
fator de capacidade pode ser visto na Figura 1.
6
Emissões de GEEs de transporte marítimo e aéreo internacional não são considerados no
Protocolo de Quioto, nem incluídos nos inventários de emissões da Convenção do Clima.
Apesar disso, para manter a redução de emissões a mais conservadora possível essas
emissões serão estimadas no presente trabalho.
Assumindo que um navio tanque será utilizado para o transporte do
etanol, um fator de capacidade conservador de apenas 0,40, o consumo
aproximado de combustível por kilo-tonelada (kton) de carga é de 8 toneladas
para a distância padrão de 2.000 milhas utilizada no modelo utilizado para
produzir a Figura 1. Na presente estimativa será utilizado o valor de 10 toneladas
de combustível por kton de carga para as 2.000 milhas (25% de fator de
segurança), ou seja, 5 toneladas de combustível para cada 1,000 milhas. O
consumo assumido leva por sua vez a ema emissão de 15,85 tCO2 por kton de
carga para cada 1.000 milhas. Utilizando o porto de Montreal como destino e
sabendo que a distância entre o Porto de Santos o Porto de Montreal é de 5.531
milhas7, a emissão total será de 87,67 tCO2 por kton de carga, ou 87,67 kgCO2
por tonelada de carga. Como a densidade do etanol é de 791 kg/m3 (IPCC, 1966),
a emissão estimada para o transporte marítimo de etanol será de 69,34 kgCO2
por m3 de etanol transportado.
Retornando a base de 100.000 m3 utilizado para substituir o MTBE ou a
gasolina, os valores corrigidos considerando-se as perdas no transporte serão:
• Transporte rodoviário (somente ida)
Substituição de MTBE
o 178.050 tCO2 – 100.000 m3 de etanol x 16,87x10-3 tCO2/ m3 de etanol
o 176.368 tCO2 emissões evitadas
Substituição da gasolina
o 235.180 tCO2 – 100.000 m3 de etanol x 16,87x10-3 tCO2/ m3 de etanol
o 233.493 tCO2 de emissões evitadas
• Transporte rodoviário (ida e volta com o caminhão vazio)
Substituição do MTBE
o 178.050 – 100.000 x 2 x 16,87 x10-3
o 174.676 tCO2 emissões evitadas
Substituição da gasolina
o 235.180 – 100.000 x 2 x 16,87 x10-3
o 231.806 tCO2 emissões evitadas
• Transporte rodoviário (somente ida) + transporte marítimo
Substituição do MTBE
o 178.050 – 100.000 x (16,87 + 69,34) x10-3
o 169.429 tCO2 emissões evitadas
Substituição da gasolina
o 235.180 – 100.000 x (16,87 + 69,34) x10-3
o 226.559 tCO2 emissões evitadas
• Transporte rodoviário (ida e volta) + transporte marítimo
Substituição do MTBE
o 178,050 – 100,000 x 2 x (16.87 + 69.34) x10-3
o 160,808 tCO2 emissões evitadas
Substituição da gasolina
o 235,180 – 100,000 x 2 x (16.87 + 69.34) x10-3
o 217,938 tCO2 emissões evitadas
7
MaritimeChain.com (2003). Ports and Distances (http://www.maritimechain.com/).
Se for desejável acrescentar às perdas em emissões evitadas as
emissões relacionada à produção do etanol8, também deve-se considerar as
emissões relacionada à produção de gasolina9. Sem considerar as emissões
devidas ao transporte marítimo (de acordo com a Convenção do Clima), os
números finais serão os seguintes:
• Considerando perdas no transporte rodoviário e na produção
Substituição do MTBE
o 204,758 – 100,000 x 2 x 16.87 x10-3 - 100,000 x 0.54
o 147,384 tCO2 emissões evitadas
Substituição da gasolina
o 270,457 – 100,000 x 2 x 16.87 x10-3 - 100,000 x 0.54
o 213,083 tCO2 emissões evitadas
5. CONCLUSÕES
Os números apresentados estimando a redução de emissões de gases de
efeito estufa na substituição da gasolina ou de MTBE (aditivo oxigenante e de
aumento de octanagem) demonstram que essa substituição pode ser uma
alternativa muito eficaz na estratégia de países com compromissos de redução
dessas emissões. Considerando a possibilidade de exportação de biocombustíveis e o grande potencial de produção de etanol no Brasil fica claro o
impacto que esse tipo de operação pode ter na mercado brasileiro de
combustíveis líquidos. Nesse sentido é desejável uma definição de estratégias
empresariais e governamentais no sentido de empregar esforços de coordenação
política para impulsionar o potencial de geração de recursos via exportação de
bio-combustíveis, de utilizar parte desses recursos para o desenvolvimento
tecnológico desses processos e, finalmente, para evitar que o suprimento interno
seja afetado negativamente no caso de um possível interesse crescente do
mercado internacional de combustíveis líquidos por bio-combustíveis.
6. BIBLIOGRAFIA
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Maritime Organization.
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International Panel on Climate Change.
Macedo, I. C. (1998). Greenhouse Gas Emissions and Energy Balances in BioEthanol Production. Biomass and Bioenergy, Vol. 14, No. 1, pp. 77-81
MME(1999). Balanço Energético Nacional. Ministério das Minas e Energia. p. 119.
NRC-OEE (2000). Fuel Efficiency Benchmarking in Canada's Trucking Industry.
Natural Resources Canada, Office of Energy Efficiency).
8
Há estimativas de emissões variando desde 0,43 até 0,54 kgCO2e (da queima de combustíveis
fósseis, do metano da queima do bagaço e de N2O do solo no cultivo da cana) para a produção
de 1 litro de etanol (Fonte: Macedo, 1998). Os números estão desatualizados, já que a eficiência
energética na produção de etanol aumentou bastante nos últimos anos (estimativas ainda não
publicadas apresentam números variando de 0,17 a 0,27 kgCO2e por litro de etanol). Por manter
a abordagem conservadora o valor de 0.54 kgCO2e por litro de etanol será utilizado.
9
As estimativas de emissões indiretas na produção e transporte de combustíveis fósseis na
literatura variam de 15% (Reinhard, 1992) a 19% (Pimentel, 1980) em relação as emissões
diretas. Novamente por conservadorismo o valor inferior de 15% será utilizado. As emissões
evitadas assumem os valores de 204,758 tCO2 (178,050 tCO2 x 1.15) no caso de substituição do
MTBE e de 270,457 tCO2 (235,180 tCO2 x 1.15) no caso da substituição de gasolina.
Pimentel, D. (1980). Handbook of Energy Utilization in Agriculture. CRC Press.
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