No tema, a literatura disponível é extensa. Existe uma quantidade importante de artigos publicados em periódicos científicos, relatórios de pesquisa e inclusive publicações de empresas de consultoria e associadas à indústria automobilística. A fim de identificar a informação mais relevante
no tema, opta-se por priorizar os trabalhos que o autor considerou mais abrangentes, respeito do escopo, janela temporal e número de citações.
FARIA et al. (2013) apresentam uma análise comparativa dos aspectos econômicos e ambientais de veículos convencionais (com motorização à gasolina ou diesel) e veículos elétricos (elétricos à bateria e híbridos plug-in) na qual o foco foi posto principalmente nas emissões de GEE, considerando as fontes de energia primária e a etapa de uso do veículo. A pesquisa inclui uma análise detalhada da matriz de geração elétrica considerando três situações: (a) significativa importância de fontes fósseis (principalmente carvão mineral; a matriz de geração da Polônia é a referência), (b) grande contribuição da geração nuclear (o perfil da França é mencionado), e (c) grande importância de fontes renováveis de energia (no caso, o perfil de geração de Portugal é a referência).
A Figura 2.13 ilustra as fronteiras do sistema considerado pelos autores; é importante chamar a atenção à respeito das etapas de produção, reciclagem e disposição das baterias. Os autores adotaram uma abordagem clássica em ACV de veículos, considerando as fases de produção de combustíveis, energia elétrica, os veículos, uso dos veículos, e da disposição de veículos e componentes.
Figura 2.13. Fronteiras do sistema em ACV de veículos convencionais e elétricos. Fonte: Adaptado de Faria et al. (2013)
Os modelos de veículos considerados na análise foram o Volkswagen Golf (VCI, 1.6 e 1.4, a diesel e gasolina), o Smart (VCI), o Chevrolet Volt (VHEC), o Nissan Leaf (VE), o Peugeot íon (VE) e o Smart ED (VE).
Na produção do veículo e os seus componentes, a fabricação das baterias é a etapa mais crítica do ponto de vista das emissões de GEE, contribuindo com até 30-50% das emissões em todo o ciclo
de vida, dependendo da capacidade da bateria e da matriz de geração elétrica. Para os VCI a etapa de uso demostrou ser o maior contribuinte com as emissões de GEE (85-90%). Já para os veículos elétricos, a geração de eletricidade tem a maior contribuição quando a matriz de geração é predominantemente fóssil (mais do que 75% das emissões de GEE ao longo do ciclo de vida). Não obstante, os autores concluem que mesmo uma matriz de geração elétrica com grande participação de fontes renováveis não significa necessariamente baixas emissões de GEE, dependendo da intermitência e da necessidade de complementação de fontes fósseis.
Adicionalmente os autores concluem que o estilo de direção pode ter um grande impacto no consumo de energia na etapa de uso dos veículos, podendo ser até 47% maior quando da comparação entre motoristas que têm estilo agressivo e aqueles que não têm. Paralelamente, o uso regular de equipamentos de ar condicionado pode representar elevação do consumo entre 24% e 60%. Já do ponto de vista econômico, a desvantagem inicial dos veículos elétricos e híbridos (são mais caros) é reduzida na medida em que aumenta a vida útil das baterias, que é o componente mais caro (uma vez que o custo de funcionamento dos veículos elétricos é menor).
A conclusão final dos autores é que os veículos puramente elétricos são clara tendência no futuro, e suas vantagens comparativas serão tanto maiores quanto melhores forem as tecnologias das baterias (maior autonomia, menor tempo de recarga, menor peso, maior vida útil, etc.); quanto menor a dependência da matriz elétrica de fontes fósseis; e quanto menos agressivo for o estilo de direção dos motoristas.
Outro estudo de ACV incluído na revisão bibliografica expõe a comparação de um VCI, um VH e um VE nas condições típicas da Califórnia, nos EUA, analisando as emissões reguladas (no caso dos veículos leves, i.e., CO, NOx e COVs), de material particulado, óxidos de enxofre e principalmente as emissões equivalentes de CO2 ao longo do ciclo de vida dos veículos (RAJAGOPAL et al., 2012). As fronteiras do sistema são ilustradas na Figura 2.14, para o caso do VE. Fundamentalmente, os autores estimaram as emissões de GEE associadas ao uso de energia e ao transporte de materiais e de produtos, nas principais etapas da cadeia (ou seja, na manufatura, no uso e na reciclagem e disposição). É considerado que as baterias são fabricadas na China e são transportadas por navio; as peças dos carros e os veículos completos são produzidos no México, sendo transportados por caminhões e trens.
Os autores assumiram que, exceto a massa dos motores e das baterias, o restante dos veículos tem o mesmo peso (1.275 kg). O peso do motor de combustão interna foi estimado como 225 kg, e o das baterias (íon-lítio) 300 kg. Assim, os VEs têm 1.575 kg, e os VCIs têm 1.500 kg. Para os VH, os autores calcularam parâmetros a partir de uma média ponderada, considerando que a bateria equivale à 1/6 da bateria do veículo elétrico. Exceto as baterias, todas as demais peças dos veículos têm a
mesma destinação após o fim da vida útil; consumos de energia e fatores de emissão iguais foram considerados para todos os veículos. A vida útil dos veículos foi considerada 15 anos, ou aproximadamente 290.000 km (180.000 milhas), com necessidade de substituição de um módulo da bateria com 2/3 da vida útil do VE. Os autores comentam que, no presente, a reciclagem da bateria não é economicamente viável, como consequência do pequeno mercado e dos preços ainda baixos da matéria prima.
Figura 2.14. Diagrama de fluxo considerado na ACV do VE. Fonte: Adaptado de Rajagopal et al.(2012)
Os consumos e autonomias, foram considerados os correspondentes aos de veículos comerciais: 13,2 km/l para o VCI (análogo à um Nissan Vectra), 21,2 km/l para o VHEC (correspondente a um Toyota Prius), e 0,21 kWh/km para um VE (análogo a um Nissan Leaf).Os fatores de emissão da gasolina disponível na Califórnia, bem como da matriz de geração elétrica naquele estado, na época4, foram considerados. Alternativamente, também foram considerados os
4 O mix na geração de eletricidade era: carvão mineral (7%), energia nuclear (14%), gás natural (42%), energia
fatores de emissão da matriz elétrica em 2020, quando 33% da eletricidade na Califórnia teria que ser com fontes renováveis5.
No ciclo de vida dos veículos, o consumo de energia do VE é o menor (507 GJ), sendo o consumo do híbrido 11,3% maior e o consumo do VCI 69,3% maior. O consumo de energia é maior na etapa de uso dos veículos, nos três casos. O consumo de energia na produção de baterias também é importante no caso dos veículos híbridos e elétricos. No caso dos VCI, a etapa de uso representa 95% do consumo em todo o ciclo de vida.
Com respeito às emissões de GEE, os resultados indicam que os veículos convencionais à gasolina emitem 62,9 tCO2eq., enquanto as emissões dos VHECs são 35,1% menores e as emissões dos VEs são 49,4% menores. A maior parte das emissões ocorre na etapa de uso final (96% no caso dos VCI, 91% no caso do VHEC e 69% na geração de eletricidade para os VE). A produção das baterias representa 24% das emissões totais no caso dos VEs, mas apenas 3% no caso dos VHEC.
A título ilustrativo, nas Figuras 2.15 e 2.16 são apresentados os resultados das análises de sensibilidade dos VEs e VCIs, respectivamente. Os resultados são apresentados em MJ/milha; 2,8 MJ/milha equivale a 1,74 MJ/km, enquanto 4,8 MJ/milha equivale a 2,98 MJ/km. Os estágios do ciclo de vida dos veículos elétricos que influenciam a demanda de energia e as emissões de GEE são, por ordem, o carregamento da bateria, a fabricação da bateria e das peças; as demais etapas são pouco relevantes. No caso dos veículos convencionais, na ordem, as etapas do ciclo de vida que mais impactam os resultados são a etapa de uso e, mais de uma ordem de grandeza abaixo, a fabricação das peças; as demais etapas são irrelevantes.
Figura 2.15. Análise de sensibilidade para o consumo de energia dos VEs. Fonte:Adaptado de Rajagopal et al. (2012).
5 O mix na geração de eletricidade seria: carvão (1%); energia nuclear (11%); gás natural (36%); energia hidráulica
Por fim, os autores compararam os resultados das emissões de GEE ao longo do ciclo de vida atual e previsto em 2020. Para a gasolina, consideraram a produção do ano 2011, a partir de petróleo convencional, e a gasolina produzida a partir de petróleo extraído de areias betuminosas (ou de alcatrão). A fase de uso nos VEs inclui a geração de energia. Os resultados são apresentados na Figura 2.17, e indicam claramente que o uso de petróleo não convencional levará a resultados ainda piores em relação aos atuais, tanto para os VCIs quanto para os VHs.
Figura 2.16. Resultados da análise de sensibilidade para o consumo de energia dos VCIs. Fonte: Adaptado de Rajagopal et al (2012)
Figura 2.17. Comparação dos resultados de emissões de GHG para os três tipos de veículos, para dois cenários de suprimento energético.
Uma pesquisa desenvolvida na Bélgica (MESSAGIE et al., 2014) apresenta resultados com dois grandes objetivos: analisar o impacto ambiental de diferentes tecnologias veiculares funcionando na Europa no ano 2011 (VEs, Elétricos com células de combustivel, veículos abastecidos com gás liquefeito de petróleo, veículos abastecidoscom gás natural comprimido e híbridos) e adicionalmente avaliar a influência da manufatura, o uso, e a disposição final do veículo sobre os resultados da ACV (Figura 2.18).
Diferentes tecnologias de veículos são comparados em seu mérito ambiental: as categorias analisadas são: mudanças climáticas, efeitos respiratórios, acidificação, esgotamento de recursos minerais. Os dados específicos do funcionamento dos veículos, tais como o tipo de combustível, consumo de combustível, peso e as emissões diretas foram coletados de uma grande base de dados de veículos alimentada com dados recolhidos principalmente pelo serviço federal belga encarregado do cadastro de veículos.
Para avaliar o desempenho ambiental dos veículos eléctricos na Europa, a matriz europeia de geração de energia elétrica foi utilizada. O inventário do ciclo de vida para o fornecimento de eletricidade inclui as porções de produção de eletricidade por tipo de tecnologia.
A comparação de diferentes tecnologias de carros familiares mostra que o impacto no aquecimento global é altamente influenciado pela tecnologia dos veículos, o tipo de combustível e o tipo de matéria-prima utilizada para produzir o combustível. O veículo de tecnologia de abastecimento com etanol de cana de açúcar E85 (85% de etanol) tem a menor emissão de GEE. Isso é devido, essencialmente, ao benefício da absorção de CO2 do ar durante o crescimento da cana na cultura. Além disso, a eletricidade usada na usina de cana de açúcar é produzida com o bagaço obtido após a moagem da cana-de-açúcar, o que torna o processo ainda mais sustentável.
Não obstante as vantagens, o E85 é altamente dependente do tipo de matéria-prima, por exemplo, mudando de cana-de-açúcar para a beterraba, aumenta-se o impacto do veículo E85 (as emissões) mais de três vezes. Depois do E85, o VE tem a menor emissão de GEE sob as condições da matriz Europeia de geração.
Contrariamente à contribuição para o aquecimento global, a opção do E85 com etanol de cana tem o maior impacto sobre os efeitos respiratórios. Isso é principalmente devido à queima da cana antes da colheita; no caso da colheita ser manual ou automática observa-se uma redução nos efeitos respiratorios.
O veículo RME (Éster Metílico de Colza, ou Biodiesel) tem a pior pontuação na acidificação; de fato polui duas vezes mais do que os veículos a diesel. Os principais poluentes são as emissões de óxidos de nitrogênio, de enxofre e ácidos de flúor e cloro.
Na depleção mineral, o tamanho do veículo e a utilização de componentes específicos como as baterias, que precisam de alguns tipos de metais, são os parâmetros que mais influenciam. O VE causa uma menor depleção de recursos minerais do que os híbridos e os veículos de células de combustível, mas a contribuição da bateria de lítio ainda é alta. Finalmente, o transporte e distribuição da eletricidade usada para alimentar o VE afeta os valores de depleção mineral.
Figura 2.18. Comparação de diferentes tecnologias nos resultados da ACV. Fonte: Messagie et al. (2014)
Os veículos convencionais que utilizam combustíveis fósseis tem o maior impacto no aquecimento global. Os veículos diesel apresentamenores impactos sobre as mudanças climáticas em comparação com os veículos à gasolina, já que tendem a consumir menos combustível. A Hibridização tem um efeito positivo sobre a mudança climática, e os VEs têm o menor impacto. A fonte de energia utilizada para gerar a energia eléctrica é de importância crucial. Quando a produção de eletricidade é baseada exclusivamente a partir de petróleo ou carvão o impacto nas mudanças climáticas pode ser tão elevada quanto no caso dos veículos convencionais. O benefício para os biocombustíveis sobre a mudança climática se deve à absorção de carbono durante o crescimento da planta. O tipo de planta que é utilizado para produzir o biocombustível tem um forte efeito sobre as mudanças climáticas maiormente devido às emissões de N2O pelo uso de fertilizantes.
Ao analisar o impacto sobre o esgotamento de recursos minerais, a produção do veículo e seus componentes se destaca como o principal estágio do ciclo de vida a considerar. Todas as tecnologias
de veículos que estão usando alguns dos compostos conhecidos como terras raras em seu sistema tem um impacto mais significativo. Porém, a reciclagem destes componentes reduz significativamente o impacto.
HAWKINS et al. (2013) apresentam uma ACV de VEs, usando distintos tipos de baterias, e VCIs com uso de gasolina e diesel. Foram consideradas baterias de LiFePO4, pesando 214 kg, e bateria de LiNCM, pesando 273 kg, ambas com capacidade de carga de 24 kWh.
Como nos estudos anteriormente reportados, os autores consideraram as etapas de manufatura dos veículos, de uso, e descarte dos veículos e componentes no fim da vida útil, além de todas as cadeias de fornecimento relevantes. Para a fase de uso foram empregados dados dos testes de desempenho da indústria, de acordo com o New European Driving Cycle (Novo Ciclo Europeu de Condução). Os testes combinam quatro ciclos de condução urbana elementares e um ciclo não urbano. Paralelamente, assumiu-se uma vida útil de 150.000 km tanto para os veículos quanto para as baterias, e foram usados dados do Ecoinvent v2.2. Os autores mostram que se a vida útil do veículo passa a 200.000 km, os benefícios dos VEs quanto às emissões de GEE são aumentados em relação aos veículos tradicionais. No estudo foi considerado o mix de geração médio de eletricidade na Europa à época.
Foram consideradas dez categorias de impactos ambientais relevantes, incluindo potencial de aquecimento global, acidificação terrestre, formação de material particulado, oxidação fotoquímica, toxicidade humana, eco-toxicidade de água doce, eco-toxicidade terrestre, eutrofização, extração de recursos naturais, esgotamento de combustíveis fósseis. A avaliação dos impactos foi realizada mediante o método ReCiPe – método para caracterização de indicadores médios, a partir da perspectiva hierárquica. Os resultados são sensíveis, por exemplo, às hipóteses referentes à fonte de geração de eletricidade, vida útil do veículo e à frequência de substituição de baterias.
Por fim, os pesquisadores concluem que os VEs têm impacto potencial significativo (negativo) quanto à toxicidade humana, eco-toxicidade de água doce, eutrofização de água doce, e na depleção abiótica. Reforçam a necessidade de redução dos impactos ambientais nas cadeias de suprimento e a redução das emissões de GEE na geração de eletricidade.
Uma pesquisa que analisa as condições do Reino Unido e da Califórnia estudando tanto os VEs e os VHs quanto os VCIs, tomando dados do ano 2010 e previsões para o 2015 foi criada por MA et al (2012). Mais especificamente, considerou-se o impacto das condições reais de tráfego; a avaliação das emissões de GEE na etapa de uso, sobretudo em função das formas de recarga das baterias e a avaliação das emissões da manufatura do veículo e de componentes.
Os autores destacam a necessidade de se fazer a análise comparativa dos veículos considerando as condições reais de uso dos mesmos; isso diz respeito à forma de dirigir, as condições
de tráfego e as cargas de aquecimento ou de ar condicionado. Da mesma forma, destacam que é mais adequado se considerar que o impacto dos veículos elétricos, ao menos em um horizonte de curto prazo, será sobre a margem do sistema elétrico. Dessa forma, os fatores de emissão da geração de eletricidade que devem ser considerados são os da operação marginal, e não os da base do sistema.
Os autores concluíram que os VEs podem proporcionar economias significativas de emissões de GEE em comparação com VCI se a intensidade de emissão na geração elétrica for suficientemente baixa. Enquanto às condições de dirigibilidade, a vantagem dos VEs em relação aos VCIs ocorre, sobretudo, quando a velocidade de deslocamento é mais baixa, e quanto menor o carregamento.
Finalmente, HELMS et al. (2010) apresentam mais uma comparação de VEs e VHECs com VCIs à gasolina e diesel. A unidade funcional é o tempo de vida útil dos veículos, e são comparadas emissões de CO2 e SOx. Para os veículos elétricos os autores consideraram compactos médios (Golf da Volkswagen, por exemplo), pesando 1600 kg, com bateria de 25 kWh de capacidade e rendimento entre 20 e 25 kWh/100 km. Para comparação, um VHEC, com 50 km de autonomia e massa de 1500 kg, com bateria de 12,5 kWh, foi considerado. Ambos têm a mesma área frontal, e os mesmos coeficientes de resistência do ar e resistência de rolamento.
Para a geração de eletricidade os autores apresentam cenários com a geração de eletricidade com o mix alemão à época (48% a carvão), afirmando que na Alemanha o transporte era responsável por mais de 20% do consumo de energia e das emissões de CO2. A maioria dessas emissões era proveniente do tráfego rodoviário de passageiros, e a tendência é de redução desde 2000.
Ademais, e como já foi mencionado por outros autores, o consumo energético dos VEs e, consequentemente, suas vantagens relativas quanto às emissões, depende da forma de direção e da intensidade de uso de auxiliares (por exemplo, aquecedor e ar condicionado). Destacam ainda o fato de que há pouca informação disponível sobre o consumo em condições reais nas ruas e a importância das condições de recarga das baterias.
Os pesquisadores estimaram que o consumo de auxiliares, em trânsito urbano, pode representar até 14% do consumo total, razão pela qual devem ser bem estimados tanto no verão quanto no inverno. Uma das condições de tráfego explorada pelos autores foi o de uma média na Alemanha: 29% da quilometragem no tempo de vida do veículo em vias urbanas, 39% em vias fora do perímetro urbano e 32% em rodovias.
O apêndice A apresenta um sumário de aspectos gerais dos estudos de ACV executados pelos autores mencionados, compondo a análise qualitativa dos estudos mais relevantes, enquanto que a Tabela 2.3 apresenta aspectos específicos dos estudos mencionados.
Tabela 2.3. A aspectos específicos dos estudos de ACV executados Referência
(Ano de publicação)
Peso (kg) Tempo de Vida Útil (km) Consumo
Elétrico
Carro Bateria Carro Bateria (kWh/100km)
Faria et al. (2013) Nissan Leaf: 1521 300 - - 14 Smart ED: 870 140 - - 11 Peugeot iOn: 1080 200 - - 12 Messagie et al. (2014) Volkswagen Golf A4 - 230500 160934 24 Helms et al. (2010) Golf: 1600 - - - - Híbrido Plug-In: 1500 - - - - Rajagopal et al. (2012) Nissan Leaf: 1575 300 290000 - 21 Hawkins et al. (2012) - Bateria LiFePO4: 214 150000 - - Bateria LiNCM: 273 150000 - - Ma et al. (2012)
Smart EV: 929 (Reino
Unido) - 1800000 até 400000 -
Mini Cooper E: 1465 - 1800000 - 14 (cidade)
Phoenix SUV VE: 2186 - 1800000 até 500000 -
Ford/Smith Van VE:
1520 - 1800000 - -
Smart EV: 929
(California) - 290.000,00 até 400000 -
Mini Cooper E: 1465 - 290.000,00 - 14 (cidade)
Phoenix SUV VE: 2186 - 290.000,00 até 500000 -
Ford/Smith Van VE: