UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
DANIELA GODOY FALCO
Avaliação do desempenho ambiental do
transporte coletivo urbano no estado de São
Paulo: uma abordagem de ciclo de vida do
ônibus a diesel e elétrico à bateria
CAMPINAS
DANIELA GODOY FALCO
Avaliação do desempenho ambiental do
transporte coletivo urbano no estado de São
Paulo: uma abordagem de ciclo de vida do
ônibus a diesel e elétrico à bateria
Orientadora: Profa. Dra. Carla Kazue Nakao Cavaliero
CAMPINAS 2017
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestra em Planejamento de Sistemas Energéticos.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA DANIELA GODOY FALCO, E ORIENTADA
PELA PROFa. DRA. CARLA KAZUE NAKAO
CAVALIERO
... ASSINATURA DA ORIENTADORA
Agradecimentos
Agradeço primeiramente aos meus pais, Mario Rubens Falco e Marlene Godoy Falco, por minha formação profissional e pessoal que com muito amor e apoio, não mediram esforços para que eu chegasse até esta etapa de minha vida. Ao meu irmão, Luís Fernando Godoy Falco, que além de seu apoio fraternal incondicional, soube transmitir sua experiência sobre a vida acadêmica em uma universidade. Aos meus avós maternos, Mathilde de Freitas Pereira Godoy e Alcides Godoy, e avós paternos, Gilberto Falco e Hilda Chediac, que auxiliaram na formação de meu caráter e sempre me apoiaram em minhas decisões. À minha tia Márcia Godoy, que esteve sempre presente. Aos meus familiares.
A todos os meus professores, que embora não haja espaço para citar todos aqueles que auxiliaram na minha educação desde a Brasinha, Colégio Visconde de Porto Seguro, Universidade Federal de São Carlos, Hochschule für Forstwirtschaft, até na Universidade Estadual de Campinas e Pontifícia Universidade Católica de Campinas, saibam que estão todos guardados em minhas lembranças com muito carinho.
Ao meu primeiro orientador na graduação e membro da banca avaliadora, professor Frederico Yuri Hanai, que soube sempre extrair o meu melhor potencial para o aproveitamento acadêmico, sendo muito compreensivo, respeitoso e gentil. À minha atual orientadora, Carla Kazue Nakao Cavaliero, que além ser sempre solícita às minhas questões acadêmicas, sempre soube colocar o lado humano e afetivo como prioridade.
Ao meu grupo de pesquisas Carla Cavaliero, Jorge Vargas, Arnaldo Walter e Joaquim Seabra, à Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ) e à população brasileira pelo financiamento.
Aos meus queridos amigos, Ana Luiza Silva, Anita Kurka, Débora Bessi, Débora Castro, Flávia Ramos, Gustavo Carneiro, Gustavo Mancilha, Hiper, Ingrid Fray, Isabella Ferreira, Juliana Busnardo, Júlia Piton, Leonardo Lima, Lilian Pedroso, Luan Guanais, Manuella Pereira, Maria Cecília Higa, Maria José Kurka, Mariana Macca, Marie Grimmelprez, Mathias Haverstreng, Michelle Frutuoso, Murilo Bonetto, Patrícia Barão, Paulo Breyner, Paulo Kurka, Paulo Marchioli, Pedro Kurka, Patrícia Colombini, Rafael Capaz, Rayssa Maryel, Sonia Martins, Tatiana Consoni e Valéria Paz família Burth, família Ferreira, família Kurka e família Lima, que sem eles, não haveriam tantas histórias para serem
contadas. Àqueles que contribuíram para a minha vida e meu crescimento pessoal, que apesar de não conseguir mencionar todos, fizeram significativa diferença para a formação de quem sou hoje.
Aos meus colegas de mestrado.
Ao Engenheiro Mecânico Marcelo Gustavo Liboni, da Mercedes-Benz, pelas informações técnicas prestadas sobre os ônibus comercializados pela empresa.
Aos membros da banca Carla Cavaliero, Joaquim Seabra, Frederico Hanai, Arnaldo Walter e Otávio Cavalett.
Resumo
Com o intuito de reduzir os aspectos ambientais gerados pelo setor de transporte coletivo urbano, algumas tecnologias têm sido desenvolvidas e/ou aperfeiçoadas em ônibus urbanos para substituir e/ou complementar os combustíveis fósseis. O biodiesel, como um combustível alternativo ao diesel fóssil, pode ser utilizado em motores a combustão interna e substituir, total ou parcialmente, o óleo diesel de petróleo. A substituição total do petrodiesel por biodiesel, principalmente em tecnologias futuras, demandaria de motores projetados exclusivamente para esse fim, dada a susceptibilidade de peças e componentes do motor ao desgaste prematuro. Os ônibus elétricos têm sido considerados como opções às motorizações convencionais por diversos fatores. Os motores elétricos oferecem uma eficiência maior e menos ruído sonoro do que os motores de combustão interna; fornecem torque mais elevado em velocidades baixas, o que resulta em melhor aceleração na saída do repouso; e aumentam também a eficiência energética mediante o freio regenerativo. Sendo assim, esta dissertação objetiva realizar uma análise comparativa da avaliação dos potenciais impactos ambientais do transporte coletivo urbano de passageiros atual, no estado de São Paulo, por meio de (i) de ônibus convencionais à combustão interna; e (ii) ônibus elétricos à bateria, com recarga plug-in; considerando tanto o ciclo de vida de suas fontes de energia (etapa well-to-tank, ou do poço-ao-tanque), quanto de seus usos (etapa tank-to-wheel, ou do tanque-à-roda) e dos processos produtivos de seus ônibus. Para isso, os sistemas considerados são: transporte coletivo urbano de passageiros, mediante ônibus a combustão interna, com SCR+ARLA32, utilizando diesel S-10 (B7) e biodiesel (B100); e transporte coletivo urbano de passageiros, mediante ônibus elétrico à bateria íon-lítio, com recarga plug-in em horários de demanda média e de maior demanda por eletricidade. Os resultados mostram que dentre os dois subsistemas de transporte coletivo urbano elétrico, quando se considerou o perfil de geração de eletricidade, conclusões semelhantes foram aplicáveis uma vez que ambos os perfis de geração apresentaram variação relativamente pequena. Já dentre a mobilidade a combustão interna, o ciclo de vida do biodiesel metílico de soja, ou diesel (B100), quando utilizado em ônibus urbano no estado de São Paulo, apresentou pior desempenho ambiental que a mistura diesel (B7) em cinco categorias: Depleção Abiótica; Ecotoxicidade de Água Doce; Ecotoxicidade Terrestre; Acidificação e Eutrofização. Nas demais categorias, o diesel (B7) possuiu maior potencial de impacto ambiental que o biodiesel (B100), sendo inclusive pior
que a motorização elétrica (em ambos horários) nas categorias de Depleção Abiótica (combustíveis fósseis), Aquecimento Global e Depleção da Camada de Ozônio.
Abstract
In order to reduce environmental potentials impacts caused by urban collective transportation sector some technologies have been developed and/or improved for urban buses to replace and/or complement the use of fossil fuels. Biodiesel, as an alternative to fossil diesel, can be used in internal combustion engines and replace totally or partially diesel oil. The total replacement from diesel oil to biodiesel, especially in future technologies, would require engines designed exclusively for this purpose, given the susceptibility of its parts and components to premature wear. Electric buses have been considered as options to conventional powertrains by several factors. Electric engines offer a bigger efficiency and less noise than internal combustion engines; provide higher torque at low speeds, resulting in a better acceleration out of repose; and increase energetic efficiency in front of regenerative brake. Therefore, this dissertation aims to carry out a comparative analysis of the evaluation of the potential environmental impacts of urban collective transport of passengers, in the state of São Paulo, through (i) conventional internal combustion buses; and (ii) battery electric buses, with plug-in recharge; considering the life cycle of their energy sources (well-to-tank step), their uses (tank-to-wheel step) and their productive processes. For that, the considered systems are: urban collective transport of passengers, by internal combustion buses, with SCR+ARLA32, using diesel S-10 (B7) and biodiesel (B100); and urban collective transport of passengers, by Li-ion battery electric buses, with plug-in recharge during times of average and higher electricity demand. The results show that among the electric urban collective transport subsystems, when the electricity generation profile was considered, similar conclusions were applicable, since both generation profiles showed a relatively small variation. But among the mobility with internal combustion, the biodiesel life cycle of soybean diesel or biodiesel (B100), when used in urban buses in the state of São Paulo, presented worse environmental performance than the diesel blend (B7) in five categories: Abiotic Depletion; Freshwater Ecotoxicity; Terrestrial Ecotoxicity; Acidification; and Eutrophication. In the other categories, diesel (B7) had highers environmental potential impacts than biodiesel (B100) and was even worse than electric motorization (both recharge profiles) in categories of Abiotic Depletion (fossil fuels), Global Warming and Ozone Layer Depletion.
Lista de Ilustrações
Figura 2.1: Emissão de poluentes locais (103t) e de CO2eq (106t) no Estado de São Paulo, no
período de 2006-2015 ...30
Figura 2.2: Diagrama p-v do ciclo dual ideal e real ...38
Figura 2.3: Classificação dos ônibus elétricos conforme o grau de hibridização, o tipo de bateria, o método de recarga e a fonte de eletricidade ...54
Figura 2.4: Mapa do SIN ...63
Figura 2.5: As quatro fases da Avaliação do Ciclo de Vida ...69
Figura 3.1: Estrutura metodológica adotada ...79
Figura 3.2: Representação gráfica dos sistemas de produto relativos ao transporte coletivo urbano convencional de pessoas, dentro do escopo de pesquisa, exclusos os processos logísticos de transporte e distribuição das unidades de processo ...81
Figura 3.3: Representação gráfica dos sistemas de produto relativos ao transporte coletivo urbano elétrico de pessoas, dentro do escopo de pesquisa, exclusos os processos logísticos de transporte e distribuição das unidades de processo ...83
Figura 4.1: Comparação por categoria de impacto do transporte coletivo urbano a combustão interna e elétrico à bateria, na unidade funcional de 100 km rodados, pelo método CML-IA...122
Figura 4.2: Comparação por categoria de impacto do transporte coletivo urbano a combustão interna e elétrico à bateria, na unidade funcional de 100 km rodados, pelo método ReCiPe midpoint (H) ...124
Figura 4.3: Comparação por categoria de impacto do transporte coletivo urbano a combustão interna e elétrico à bateria, na unidade funcional de 100 km rodados, pelo método IMPACT 2002+ ...126
Figura 4.4: Análise de contribuição e comparação por categoria de impacto do transporte coletivo urbano a combustão interna e elétrico à bateria, na unidade funcional de 100 km rodados ...138
Figura 4.5: Comparação da sensibilidade por categoria de impacto e por motorização e combustível usados no transporte coletivo urbano a combustão interna e elétrico à bateria ...145
Lista de Tabelas
Tabela 2.1: Principais poluentes emitidos em meios urbanos, de acordo com suas fontes, nível de impacto e alguns dos possíveis efeitos ambientais por eles causados ... 28 Tabela 2.2: Estimativa da frota circulante de ônibus urbanos no estado de São Paulo em 2015 ... 31 Tabela 2.3: Comprimento da carroçaria de ônibus convencionais da Mercedes-Benz, em função do motor, suspensão e tipo de operação ... 37 Tabela 2.4: Compilação de dados disponíveis na literatura para cálculo dos fatores de emissão do petrodiesel ...39 Tabela 2.5: Limites máximos de emissão de poluentes para os motores do ciclo Diesel destinados a veículos automotores pesados novos, nacionais e importados, produzidos a partir de 1° de janeiro de 2012 ...40 Tabela 2.6: Inventário da produção de ônibus urbano, com sistema de redução catalítica seletiva, de acordo com sua massa total ...42 Tabela 2.7: Compilação de dados de autonomia de ônibus urbano a diesel disponíveis na literatura ...43 Tabela 2.8: Compilação da produção de derivados de petróleo (m3), em nível nacional, estadual (SP) e regional, conforme a localização das refinarias, no ano de 2015...47 Tabela 2.9: Consumo de energia para refino de petróleo (MJ/t), alocado por produto gerado na Refinaria de Paulínia (REPLAN) ...48 Tabela 2.10: Características de óleos com potencial na produção de biodiesel...52 Tabela 2.11: Aplicação e funções de baterias, conforme o grau de hibridização da motorização ...55 Tabela 2.12: Lista não exaustiva de iniciativas referentes à mobilidade híbrida e elétrica e suas baterias no Brasil ...57 Tabela 2.13: Dados técnicos do ônibus urbano elétrico à bateria K9D da BYD ...57 Tabela 2.14: Inventário da produção de ônibus urbano elétrico, de acordo com sua massa total ...58
Tabela 2.15: Sensibilidade da autonomia às condições adversas sofridas pelo transporte coletivo urbano elétrico, mediante o modelo K9D da BYD, consoante dados de Zhou et al. (2016) ...59 Tabela 2.16: Alguns dos principais bancos de dados diponíveis para Avaliação de Ciclo de Vida ...71 Tabela 2.17: Alguns dos principais softwares de Avaliação de Ciclo de Vida disponíveis ....73 Tabela 3.1: Compilação dos principais dados formadores do objetivo e escopo da ACV ...86 Tabela 3.2: Compilação dos parâmetros utilizados para a produção, transporte e distribuição do diesel (B7) ...89 Tabela 3.3: Compilação dos parâmetros utilizados na unidade do processo de exploração e produção de petróleo ...91 Tabela 3.4: Compilação dos parâmetros utilizados na unidade do processo de transporte de petróleo ...92 Tabela 3.5: Compilação dos parâmetros utilizados na unidade do processo de refino de petróleo na Refinaria de Paulínia – REPLAN ...93 Tabela 3.6: Compilação dos parâmetros utilizados na unidade do processo de refino de transporte do petrodiesel ...94 Tabela 3.7: Compilação dos parâmetros utilizados na unidade do processo de produção de óleo de soja ...95 Tabela 3.8: Compilação dos parâmetros utilizados na unidade do processo de produção e transporte de biodiesel de soja e sebo bovino ...96
Tabela 3.9: Compilação dos parâmetros utilizados nas unidades do processo de geração de eletricidade no horário médio de demanda e no horário de maior demanda ...99
Tabela 3.10: Compilação dos parâmetros utilizados nas unidades do processo de produção, transporte e manutenção dos ônibus convencional e elétrico ...102 Tabela 3.11: Compilação dos parâmetros utilizados no sistema de produto de transporte coletivo urbano convencional, com diesel (B7) e biodiesel (B100) ...106 Tabela 4.1: Inventário em kg da produção e transporte de um litro de petrodiesel ...109 Tabela 4.2: Inventário em kg da produção, transporte e distribuição de um litro de diesel (B7) ...110 Tabela 4.3: Inventário em kg da produção, transporte e distribuição de um litro biodiesel ...112
Tabela 4.4: Inventário em kg da produção, transporte e distribuição de 1 kWh de energia
elétrica, gerada no horário de demanda média e maior demanda ...113
Tabela 4.5: Inventário em kg da produção e transporte de um ônibus a combustão interna com SCR (11.800 kg) ...114
Tabela 4.6: Inventário em kg da produção e transporte de um ônibus elétrico à bateria (13.800 kg)...115
Tabela 4.7: Inventário em kg da produção e transporte de um litro de ARLA32 ...116
Tabela 4.8: Inventário em kg da manutenção de um ônibus a combustão interna ...117
Tabela 4.9: Inventário em kg da manutenção de um ônibus elétrico à bateria ...118
Tabela 4.10: Inventário em kg da combustão do diesel (B7) e do biodiesel (B100) a cada km rodado ...120
Tabela 4.11: Avaliação dos Potenciais Impactos do Ciclo de Vida do transporte coletivo urbano por modalidade ...121
Tabela 4.12: Pontuação de 0 a 1 dos resultados de AICV, considerando que 1 é a maior taxa de categorização, usada como referência para cada categoria de impacto ...128
Tabela 4.13: Avaliação dos Potenciais Impactos do Ciclo de Vida do transporte coletivo urbano por modalidade, nas fases do poço-ao-tanque e do tanque-à-roda, de acordo com a unidade funcional de 100 km rodados ...131
Tabela 4.14: Avaliação dos Potenciais Impactos do Ciclo de Vida do transporte coletivo urbano por modalidade, nas fases de produção dos ônibus e manutenção, de acordo com a unidade funcional de 100 km rodados ...132
Tabela 4.15: Avaliação dos Potenciais Impactos do Ciclo de Vida do diesel brasileiro pelo método ReCiPe midpoint (H), de acordo com a unidade funcional de um litro de diesel combustível ...133
Tabela 4.16: Avaliação dos Potenciais Impactos do Ciclo de Vida do biodiesel brasileiro de soja, pelo método CML, de acordo com a unidade funcional de um litro de biodiesel ...134
Tabela 4.17: Avaliação dos Potenciais Impactos do Ciclo de Vida da eletricidade brasileira (média) pelo método CML-IA, de acordo com a unidade funcional de um kWh ...135
Tabela 4.18: Avaliação dos Potenciais Impactos do Ciclo de Vida da eletricidade brasileira (maior demanda) pelo método CML-IA, de acordo com a unidade funcional de um kWh ...136
Tabela 4.19: Avaliação dos Potenciais Impactos do Ciclo de Vida do ônibus convencional (OC) e do ônibus elétrico (OE) pelo método IMPACT 2002+, de acordo com a unidade funcional de um ônibus com 12 metros produzido ...137 Tabela 4.20: Parâmetros de sensibilidade da autonomia, consoante a variação na carga de passageiros ...144 Tabela A.1: Categorias de impacto utilizadas pelos principais métodos de AICV ...159 Tabela B.1: Revisão das Avaliações do Ciclo de Vida do biodiesel por soja e/ou sebo animal no Brasil, disponíveis na literatura ...165 Tabela B.2: Revisão das Avaliações do Ciclo de Vida do diesel no Brasil, disponíveis na literatura ...167 Tabela B.3: Revisão das Avaliações do Ciclo de Vida da eletricidade no Brasil, disponíveis na literatura ...168 Tabela B.4: Revisão das Avaliações do Ciclo de Vida da mobilidade coletiva elétrica à bateria e a diesel, disponíveis na literatura ...169 Tabela C.1: Sensibilidade da autonomia, consoante a variação na carga de passageiros para o Transporte Coletivo Urbano a Diesel B7 - TCUD (B7) ...172 Tabela C.2: Sensibilidade da autonomia, consoante a variação na carga de passageiros para o Transporte Coletivo Urbano a Diesel B100 - TCUD (B100) ...172 Tabela C.3: Sensibilidade da autonomia, consoante a variação na carga de passageiros para o Transporte Coletivo Urbano Elétrico à Bateria, recarregado em horário de demanda média de eletricidade – TCUEB (média) ...173 Tabela C.4: Sensibilidade da autonomia, consoante a variação na carga de passageiros para o Transporte Coletivo Urbano Elétrico à Bateria, recarregado em horário de maior demanda por eletricidade – TCUEB (maior demanda) ...174
Lista de Abreviaturas e Siglas
Abreviaturas:
ABIOVE – Associação Brasileira das Indústrias de Óleos Vegetais ACV – Avaliação do Ciclo de Vida
AICV – Avaliação do potencial Impacto do Ciclo de Vida
AMD 10 – mistura de 10% de diesel de cana e 90% de óleo diesel S-50 ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
ANFAVEA – Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores ANP – Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis
ANTP – Associação Nacional de Transportes Públicos
APROBIO – Associação de Produtores de Biodiesel do Brasil
ARLA32 - Agente Redutor Líquido de NOx Automotivo, em solução aquosa de ureia de 32,5%
BEN – Balanço Energético Nacional BEST - Bio Ethanol Sustainable Transport BR – Brasil
BRS – Bus Rapid Service BRT – Bus Rapid Transit BYD – Build Your Dreams
CAR - Curva de Aversão ao Risco
CETESB – Companhia Ambiental do Estado de São Paulo CETEA - Centro de Tecnologia de Embalagem
CNPEM – Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais
CNPQ - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente
conscam - Consumo de combustível obtido do teste em campo CPFL – Companhia Paulista de Força e Luz
CTB – Código de Trânsito Brasileiro CVU - Custo Variável Unitário dcomb - Densidade do combustível
Diesel (B100) - Biodiesel
Diesel S-10 – Diesel com 10 ppm de enxofre Diesel S-50 – Diesel com 50 ppm de enxofre Diesel S-500 – Diesel com 500 ppm de enxofre Diesel S-1800 – Diesel com 1800 ppm de enxofre EGR - Exhaust Gases Recirculation
EPE – Empresa de Pesquisa Energética
FABUS – Associação Nacional dos Fabricantes de Ônibus FAFEN – Fábrica de Fertilizantes Nitrogenados do Paraná FEi - Fator de emissão do poluente estimado para a situação real fe_dini - Fator de emissão obtido do teste em bancada dinamométrica GANA - Grupo de Apoio à Normalização Ambiental
GEE – Gases do Efeito Estufa GNV – Gás Natural Veicular GWP – Global Warming Potential
GWP100 – Global Warming Potential in 100 years
IBAMA – Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IBICT – Instituto Brasileiro de Informação em Ciência e Tecnologia ICV – Inventário do Ciclo de Vida
ITAL – Instituto de Tecnologia de Alimentos
INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change
ISO – International Organization for Standardization
MAPA – Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento MMA – Ministério do Meio Ambiente
MRI - Midwest Research Institute NIG – Nigéria
OBD – On Board Diagnostic
ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A. PIB – Produto Interno Bruto
RENAVAM – Registro Nacional de Veículos Automotores RECAP – Refinaria Capuava
REPLAN – Refinaria de Paulínia REVAP – Refinaria Henrique Lage
RMBS – Região Metropolitana da Baixada Santista RMC – Região Metropolitana de Campinas
RMRP – Região Metropolitana de Ribeirão Preto RMSO – Região Metropolitana de Sorocaba RMSP – Região Metropolitana de São Paulo
RMVP – Região Metropolitana do Vale do Paraíba e Litoral Norte RPBC – Refinaria Presidente Bernardes
SETAC – Society of Environmental Toxicology and Chemestry SCR – Selective Catalytic Reduction
SI – Sistema Isolado
SIN – Sistema Interligado Nacional SPTRANS – São Paulo Transporte S.A.
TCUD (B7) – Transporte Coletivo Urbano a Diesel, com mistura de 7% de biodiesel ao diesel de petróleo
TCUD (B100) – Transporte Coletivo Urbano a Biodiesel
TCUEB (media) – Transporte Coletivo Urbano Elétrico à Bateria, com recarga durante o horário de demanda média por eletricidade
TCUEB (maior demanda) - Transporte Coletivo Urbano Elétrico à Bateria, com recarga durante o horário de maior demanda por eletricidade
UFSCar – Universidade Federal de São Carlos UHEs – Usinas Hidrelétricas
UTEs – Usinas Termelétricas
UNICAMP – Universidade Estadual de Campinas WECC - Western Electricity Coordinating Council
Substâncias químicas:
CH4 - Metano
C2H4 eq. – Etileno equivalente CO – Monóxido de Carbono
CO2 – Dióxido de Carbono
CO2 eq. – Dióxido de Carbono equivalente DB eq. – Diclorobenzeno equivalente MP – Material Particulado
MP1 - Material particulado com diâmetro menor que 1 micron MP2,5 - Material particulado com diâmetro menor que 2,5 microns MP10 - Material particulado com diâmetro menor que 10 microns N - Nitrogênio
NMCH – Non-Methane Hydrocarbons NOx – Óxidos de Nitrogênio
N2O – Monóxido de Dinitrogênio RCHO – Aldeídos
Sb eq. – Antimônio equivalente SOx – Óxidos de Enxofre SO2 – Dióxido de Enxofre
SO2 eq. – Dióxido de Enxofre equivalente
Unidades de medida: g – Grama GW – Gigawatt h - hora L ou l - Litro kg – Quilograma km – Quilômetro kWh – Quilowatt-hora m – Metro mg - Miligrama m3 – Metro cúbico MJ - Megajoule Mt – Megatonelada ppm – Partes por milhão t – Tonelada métrica
Sumário
1 INTRODUÇÃO ... 22 1.1 Objetivo geral ... 25 1.2 Objetivos específicos ... 25 1.3 Estrutura da dissertação ... 26 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 272.1 Estado de São Paulo e a Mobilidade Coletiva Urbana ... 27
2.2 Modais de transporte coletivo urbano ... 33
2.2.1 Transporte coletivo urbano com ônibus com a combustão interna ... 33
2.2.1.1 Petrodiesel ... 44
2.2.1.2 Biodiesel ... 49
2.2.2 Transporte coletivo urbano com ônibus elétrico ... 53
2.2.2.1 Eletricidade ... 61
2.3 Avaliação do ciclo de vida ... 65
2.3.1 Histórico da Avaliação do Ciclo de Vida no mundo e no Brasil ... 66
2.3.2 Conceitos gerais da Avaliação do Ciclo de Vida ... 68
2.3.3 Estudos de ACV sobre mobilidade coletiva convencional e elétrica ... 74
3 METODOLOGIA ... 78
3.1 Definição preliminar dos objetivos e escopo ... 80
3.2 Análise de inventário da fase well-to-tank (do poço-ao-tanque) ... 88
3.2.1 Diesel combustível (B7) ... 88 3.2.1.1 Petrodiesel ... 89 3.2.1.2 Biodiesel ... 94 3.2.2 Biodiesel combustível (B100) ... 96 (ARLA32) ... 97 3.2.4 Eletricidade ... 97
3.3 Análise de inventário dos ônibus à combustão interna e elétrico ... 100
3.4 Análise de inventário da fase tank-to-wheel (do tanque-à-roda) ... 103
3.4.1 Transporte Coletivo Urbano Convencional ... 104
3.4.2 Transporte Coletivo Urbano Elétrico ... 107
3.5 Agregação de dados e processos no software SimaPro ... 107
4.1 Inventário do Ciclo de Vida ... 109
4.2 Avaliação dos Potenciais Impactos do Ciclo de Vida ... 120
4.2.1 Análise de contribuição ... 131
4.2.2 Análise de sensibilidade ... 143
5 CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 147
REFERÊNCIAS ... 150
APÊNDICE A – Compilação das categorias de impacto utilizadas pelos principais métodos de AICV ... 159
APÊNDICE B – Compilação de estudos de ACV de biodiesel, diesel, eletricidade e da mobilidade coletiva por ônibus elétrico e convencional ... 165
APÊNDICE C – Sensibilidade da autonomia, consoante a variação na carga de passageiros ... 172
1 INTRODUÇÃO
Durante os séculos XVII e XVIII, a busca europeia pela expansão de conexões comerciais culminou em um maior fluxo de produtos, gerando um aumento na competitividade e forçando os comerciantes a se adaptarem à nova realidade. Tais mudanças influenciaram diretamente na escala produtiva, transformando gradativamente as atividades realizadas por artesãos nas oficinas, em processos semelhantes aos das indústrias atuais, dando origem à “Primeira Fase da Revolução Industrial”.
Em decorrência dessas transformações, o homem deixou de recorrer às forças motrizes inconstantes, de limitado potencial energético e de fácil renovabilidade da natureza, para usufruir dos combustíveis fósseis, para a instalação de unidades de produção. O carvão, como elemento de alto potencial energético, associado às novas tecnologias de maquinário, proporcionou a renovação dos princípios produtivos, marcando o início da rápida aceleração do crescimento econômico e do desenvolvimento social da Europa.
Com a expansão do processo, surgiu a chamada “Segunda Fase da Revolução Industrial”, marcada pelo desenvolvimento dos setores petroquímico e automobilístico. Foi a época em que o alemão Karl Benz construiu o primeiro ônibus com motor a explosão, que até então era movido à tração animal (ANFAVEA, 2006).
Estes dois eventos – a Primeira e a Segunda Fase da Revolução Industrial –marcaram o surgimento de uma nova realidade que, dotadas de profundas transformações (e.g. tecnológicas, cientificas, econômicas, sociais, culturais, políticas e ambientais), tiveram aspectos positivos e negativos, gerando impactos que se refletem até os dias atuais.
Na esfera ambiental, por exemplo, o aumento do uso energético para atividade industrial e logística propiciou o maior uso de entradas (inputs) material e energética. Com isso, trouxe consequências ambientais que ultrapassam o ato extrativo e são classificadas como impactos ambientais, ao gerar saídas (outputs) materiais e energéticas que, quando emitidas exaurem a capacidade de suporte local, regional ou global.
Assim sendo, desde a Revolução Industrial até o momento presente, o equilíbrio do meio ambiente físico tem sido culturalmente modificado, devido a impactos constantes, crescentes e concentrados nos ecossistemas. Tamanha é a alteração ecossistêmica, que o
conceito de meio ambiente já se divide em Meio Ambiente Natural, ou Físico; e Meio Ambiente Construído, ou Artificial devido ao processo intensivo de urbanização.
Ambientes excessivamente urbanizados, como algumas cidades do estado de São Paulo, são altamente afetados em nível local e/ou regional pelas emissões reguladas de gases (e.g., óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e material particulado, entre outros), geradas das atividades industriais e de meios de transporte. Estudos epidemiológicos mostram estreitas correlações entre a exposição de poluentes atmosféricos e os efeitos de morbidade e mortalidade causados por problemas respiratórios e cardiovasculares, acometendo, principalmente, crianças, idosos e pessoas que já possuem doenças respiratórias. Além dos danos à saúde e à qualidade de vida, os efeitos da poluição atmosférica acarretam maiores gastos do Estado com o serviço público hospitalar (em atendimentos e internações, medicamentos, etc.), os quais poderiam ser evitados com a melhoria da qualidade do ar nas cidades (MMA, 2017).
No âmbito global, as preocupações ambientais estão centradas nas emissões de Gases do Efeito Estufa (GEE) associadas às mudanças climáticas. De acordo com o Balanço Energético Nacional – BEN de 2016 –, o setor de transportes é o segundo setor que mais demanda energia no Brasil e a principal fonte de emissões de dióxido de carbono equivalente (CO2eq). Isso se deve ao fato de 79% de sua matriz ser derivada de combustíveis fósseis, dentre os quais destaca-se o óleo diesel, utilizado no setor de transportes coletivo de passageiros e de cargas. Esse combustível foi responsável pela emissão de aproximadamente 86 Mt CO2eq., cerca de 18,6% das emissões antrópicas associadas à matriz energética brasileira em 2015 (EPE, 2016).
Nesse contexto, com a queima do diesel de origem fóssil, além dos impactos do ponto de vista das mudanças climáticas, causados principalmente pelas emissões de CO2eq e o Black Carbon, produz-se também um impacto potencial tóxico local, em razão da emissão de outros poluentes. O material particulado fino, por exemplo, pode causar problemas respiratórios graves e, eventualmente, câncer no pulmão; e os óxidos de nitrogênio são precursores do ozônio troposférico, provocando danos à saúde por ser um gás irritante altamente radioativo 1 (ANTP, 2016).
Para reduzir algumas dessas emissões no segmento de transporte coletivo, uma alternativa é o uso do biodiesel, já adotada no Brasil e em alguns países. Quanto às emissões
1 Por outro lado, o ozônio é benéfico quando está na estratosfera, filtrando os raios ultravioletas que chegam à
de CO2, Black Carbon e material particulado, o biodiesel pode ser um substituto ao seu semelhante fóssil, sendo, entretanto, limitado pela alta emissão de óxidos de nitrogênio. Outra alternativa é a adoção do ônibus elétrico. Por não possuir emissões de escapamento na fase de uso, o transporte coletivo urbano elétrico tem os aspectos ambientais de seu energético concentrados às plantas de geração, as quais podem ser mais facilmente controladas e monitoradas.
Por isso, a mobilidade elétrica vem sendo considerada uma medida importante na busca por um meio ambiente ecologicamente equilibrado, lato sensu, um direito fundamental da pessoa humana, que deve ser considerado no processo decisório das políticas de desenvolvimento urbano. No Brasil, esse direito é estabelecido no artigo 225 da Constituição Federal de 1988:
Todos têm direito ao meio ambiente ecologicamente equilibrado, bem de uso comum do povo e essencial à sadia qualidade de vida, impondo-se ao Poder Público e à coletividade o dever de defendê-lo e preservá-lo para as presentes e futuras gerações (BRASIL, 1988).
Vislumbrando o potencial de adoção de veículos elétricos, tanto leves e individuais quanto pesados e coletivos, alguns estudos foram ou vêm sendo desenvolvidos no âmbito da academia e de empresas do setor de energia. Um deles, intitulado “Mobilidade Elétrica – Inserção Técnica e Comercial de Veículos Elétricos em Frotas Empresariais da Região Metropolitana de Campinas” vem sendo financiado pela Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL) e executado junto com a Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), institutos de pesquisa e empresas privadas visando avaliar os aspectos técnicos, econômicos, regulatórios, sociais e ambientais do uso do veículo leve elétrico nas grandes cidades na atualidade e no médio prazo (cenário 2030).
Do ponto de vista ambiental, uma forma de avaliar os impactos da inserção dos veículos elétricos é a utilização da ferramenta de Avaliação de Ciclo de Vida (ACV). Por meio da ACV são identificados todos os fluxos de entrada (insumos) e de saídas (efluentes) do sistema do produto ou serviço, sendo possível verificar quais as etapas que mais contribuem para determinada categoria de impacto ambiental. Na ACV são normalmente considerados os impactos desde a extração de matérias-primas até o uso e a disposição final do produto (“do berço ao túmulo”). Além disso, são também avaliadas alternativas para melhorias ou para reduzir os impactos e melhorar seu desempenho ambiental.
Dessa forma, considerando os impactos ambientais decorrentes do setor de transportes, com destaque para aqueles decorrentes da mobilidade coletiva, esta dissertação utilizou a ACV para avaliar os impactos gerados durante o ciclo de vida de ônibus convencionais movidos a combustão interna e dos semelhantes elétricos que operam à bateria, visando responder ao questionamento “Qual tecnologia de mobilidade coletiva urbana é mais conveniente ambientalmente na malha viária de São Paulo? O transporte a combustão interna ou o elétrico?”.
Apesar de alguns estudos da ACV terem sido realizados no exterior, os resultados encontrados não podem ser extrapolados para outros países, em virtude das peculiaridades de cada caso. No Brasil, por exemplo, os estudos da ACV devem considerar o perfil de geração elétrica brasileira e o uso de ônibus a diesel, entre outros parâmetros específicos.
Assim, espera-se que os resultados obtidos nessa dissertação possam contribuir com informações ambientais relevantes para a formulação de políticas públicas de mobilidade coletiva nas grandes cidades que resultem em menores impactos ao ser humano e ao ecossistema.
1.1 Objetivo geral
Realizar uma avaliação comparativa dos potenciais impactos ambientais do transporte coletivo urbano de passageiros no estado de São Paulo, por meio da Avaliação do Ciclo de Vida de ônibus a diesel e de ônibus elétrico à bateria, considerando tanto o ciclo de vida dos ônibus, quanto de suas fontes de energia.
1.2 Objetivos específicos
Para atingir o objetivo geral proposto foram desenvolvidos na dissertação os seguintes objetivos específicos:
• Fazer um levantamento de dados de processos e produtos relacionados ao ciclo de vida de ônibus elétricos e a diesel;
• Obter e compilar uma base de dados brasileira para formulação de inventários ambientais do ciclo de vida de ônibus elétricos e a diesel;
• Avaliar, mediante a análise de sensibilidade, a influência da autonomia dos veículos na estimativa dos potenciais impactos ambientais do transporte de passageiros por meio de ônibus urbanos elétrico e a diesel.
1.3 Estrutura da dissertação
Esta dissertação está estruturada em cinco capítulos. O Capítulo 1 (Introdução) apresenta a justificativa para a realização da pesquisa, bem como os objetivos geral e específicos e a estrutura do trabalho. O Capítulo 2 refere-se à Revisão da Literatura sobre os temas centrais da pesquisa: o transporte coletivo urbano; as tecnologias e fontes de energia adotadas; e a ACV e os estudos já realizados no âmbito da mobilidade coletiva urbana. No Capítulo 3 é mencionada a metodologia de pesquisa adotada e os pressupostos considerados para atingir o objetivo geral da dissertação. Os resultados da aplicação da metodologia para o caso da mobilidade coletiva no estado de São Paulo encontram-se no Capítulo 4. E, por fim, as conclusões do trabalho e sugestões para trabalhos futuros são apresentadas no Capítulo 5.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Neste capítulo são apresentados os temas centrais que serviram de base para o desenvolvimento desta dissertação: a mobilidade coletiva urbana no âmbito do estado de São Paulo; as rotas tecnológicas usadas na mobilidade coletiva urbana; a metodologia de Avaliação de Ciclo de Vida e os parâmetros relevantes para a sua aplicação; e os estudos de Avaliação de Ciclo de Vida já realizados no contexto da mobilidade coletiva.
2.1 Estado de São Paulo e a Mobilidade Coletiva Urbana
Quando uma delimitação político-administrativa atinge um alto nível de desenvolvimento econômico, as suas oportunidades tendem a atrair pessoas e a aumentar o adensamento populacional, gerando demandas cada vez maiores por diversos serviços, dentre eles o de transporte. É o que ocorre ao estado de São Paulo. Correspondendo à 2,9% do território do Brasil, o Estado concentra a maior população do país e representa a maior economia nacional, com participação de 31,9% do Produto Interno Bruto (PIB) brasileiro (CETESB, 2016). Do ponto de vista energético, segundo o Balanço Energético do Estado de São Paulo 2015 (SÃO PAULO, 2015), o setor de transportes foi responsável por 34,7% do consumo final de energia em 2014, dentre os quais 30,4% se referiram ao consumo do segmento rodoviário. Dos combustíveis utilizados, o destaque foi o óleo diesel, contribuindo com 39,6% do consumo no setor no mesmo ano, seguido pela gasolina (27,1%) e o etanol total (21,4%), que inclui o hidratado e o anidro. Já em 2015, de acordo com a Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) foram vendidos 12.390.488 m3 de óleo diesel no estado de São Paulo, o que correspondeu a 21,7% da venda realizada em todo o território nacional (ANP, 2016).
Como resultado do intenso consumo de energia dos veículos automotores, os ambientes urbanizados são afetados pela emissão concentrada (em espaço e tempo) de poluentes gerados, os quais promovem uma série de impactos locais, regionais e globais, como pode ser
visto no Tabela 2.1, que culminam em externalidades negativas (e.g. perdas em vidas, produtividade, uso da rede pública e privada de saúde) (ANTP, 2016).
Tabela 2.1- Principais poluentes emitidos em meios urbanos, de acordo com suas fontes, nível de impacto e alguns dos possíveis efeitos ambientais por eles causados
Poluentes Principais fontes Impacto Efeitos
Monóxido de
carbono Veículos. Local
2
• Diminui a oxigenação do sangue causando tonturas, vertigens e alterações no sistema nervoso central;
• Pode ser fatal em concentrações altas, em ambiente fechado;
• Portadores de doenças cardiorrespiratórias podem ter sintomas agravados;
Transforma-se em dióxido de carbono e participa de reações fotoquímicas.
Dióxido de
enxofre
Combustão de
derivados de petróleo com alto teor de enxofre em veículos (principalmente diesel), fornalhas e caldeiras.
Regional3
• Provoca coriza, catarro, e danos aos pulmões; • Fatal em doses altas, especialmente combinado
com material particulado;
Afeta plantas e espécies mais sensíveis e, devido à formação de chuvas ácidas, contribui para a destruição do patrimônio histórico, acidificação do solo e corpos d’água.
Ozônio
Formado através de reações fotoquímicas na baixa atmosfera pela ação da luz solar sobre hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio emitidos principalmente por veículos e processos industriais. Regional
• Causa envelhecimento precoce da pele; • Diminui a resistência a infecções;
• Provoca irritação nos olhos, nariz e garganta, e desconforto respiratório;
• Afeta plantas e espécies mais sensíveis e provoca desgaste prematuro de materiais; Contribui para a intensificação do efeito estufa.
Material particulado
Veículos movidos a Diesel; processos industriais; desgastes dos pneus e freios em veículos em geral;
ressuspensão de
poeiras.
Regional
• Agrava quadros alérgicos de asma e bronquite; • Pode ser carcinogênico;
• Poeiras mais grossas ficam retidas no nariz e garganta, causam irritação e facilitam a propagação de infecções gripais;
• Poeiras mais finas (partículas inaláveis) chegam aos alvéolos, agravando casos de doenças respiratórias ou do coração;
Partículas de carbono contribuem para a intensificação do efeito estufa; partículas de sulfato têm o efeito contrário.
2 Impacto local: principais efeitos ocorrem em localidades próximas da fonte de emissão.
3 Impacto regional: além do impacto local, o poluente pode ter efeitos a centenas de quilômetros de onde seus
Poluentes Principais fontes Impacto Efeitos Hidrocarbonetos não metano Queima incompleta e evaporação de combustíveis e de produtos voláteis. Local
• Responsáveis pelo aumento da incidência de câncer no pulmão;
• Provocam irritação nos olhos, nariz, pele e aparelho respiratório.
Aldeídos Veículos e processos
industriais. Local •
Provocam irritação dos olhos, nariz e garganta; • Formaldeído é cancerígeno. Dióxido de nitrogênio Processos de combustão em geral; veículos. Local •
Pode provocar desconforto respiratório, diminuição da resistência a infecções e alterações celulares. Dióxido de carbono Queima de combustíveis, principalmente fósseis.
Global • Aumento do efeito estufa; • Aquecimento global. Metano Combustão incompleta, principalmente em motores a gás; vazamento de gás natural; fermentação anaeróbia. Global
• Aumento do efeito estufa com intensidade 25 vezes superior à do dióxido de carbono;
• Aquecimento global;
Fonte: São Paulo Transporte S.A. - SPTRANS (2011).
O mesmo estudo da CETESB considerou a limitação geográfica em três classes: as emissões do Estado; da Macrometrópole; e das regiões metropolitanas. Do total de emissões, em média 60% ficaram concentradas na Macrometrópole Paulista, que reúne as Regiões Metropolitanas de São Paulo (RMSP), Campinas (RMC), Baixada Santista (RMBS), Vale do Paraíba e Litoral Norte (RMVP), Sorocaba (RMSO) e Ribeirão Preto (RMRP), além dos polos urbanos de Jundiaí, Bragança Paulista e Piracicaba (CETESB, 2016). No total, a Macrometrópole dispõe de 174 municípios, concentrando cerca de 74% da população de todo o Estado.
Figura 2.1 – Emissão de poluentes locais (103t) e de CO2eq (106t) no Estado de São Paulo, no período de
2006-2015
Fonte: Companhia Ambiental do Estado de São Paulo - CETESB (2016).
Do total das emissões de MP (cancerígeno) e NOx (precursores da formação do ozônio - O3), os veículos a diesel se destacam com maior contribuição entre as fontes emissoras móveis (ANTP, 2016), dentre os quais os ônibus têm participação relevante. Por ser um meio de transporte barato, flexível e em muitos casos, ajustável às necessidades dos usuários tanto tem termos de capacidade, como em tempo de percurso, o ônibus ainda é a principal modalidade de transporte coletivo para muitas cidades (SPTRANS, 2012). Especialmente no caso do município de São Paulo, em 2012 em média 6,5 milhões de passageiros utilizaram o transporte público por dia, sendo que o transporte por ônibus respondeu por 2/3 das viagens coletivas.
Quando se avalia a frota circulante de ônibus urbanos do estado de São Paulo em 2015, verifica-se que 60% correspondeu à categoria de Ônibus Urbanos (Tabela 2.2). Desta, as maiores frotas de ônibus urbanos estão concentradas justamente na Macrometrópole Paulista, onde a maior parte das emissões de poluentes é verificada, como mencionado, e o perfil de operação (tráfego e carregamento) é similar ao do município de São Paulo (CETESB, 2016).
Tabela 2.2 – Estimativa da frota circulante de ônibus urbanos no estado de São Paulo em 2015
Região Quantidade de ônibus urbanos (unidades)
Estado de São Paulo 64.912
Macrometrópole 50.702
Município de São Paulo 20.659
Região Metropolitana de São Paulo 34.447
Região Metropolitana de Campinas 5.492
Região Metropolitana da Baixada Santista 1.801
Região Metropolitana do Vale do Paraíba e Litoral Norte 3.017
Região Metropolitana de Sorocaba 2.433
Região Metropolitana de Ribeirão Preto 2.105
Fonte: Companhia Ambiental do Estado de São Paulo - CETESB (2016).
De maneira geral, os ônibus têm perfis tecnológicos e de uso diversos. No Estado de São Paulo, por exemplo, a idade média dos ônibus urbanos em 2015 foi de 10,7 anos, sendo que as frotas mais novas se concentravam principalmente nas regiões metropolitanas do estado (Regiões Metropolitanas de São Paulo - RMSP, Campinas - RMC, Baixada Santista - RMBS, Vale do Paraíba e Litoral Norte - RMVP, Sorocaba - RMSO e Ribeirão Preto - RMRP) (CETESB, 2016).
A capacidade máxima de transporte de passageiros de um ônibus pode variar drasticamente de um modelo para outro, comportando de 30 até 270 assentos. E quanto às condições de uso, os ônibus, lato sensu, podem ser classificados de acordo com os seus tipos de operação: (i) urbana, com linhas distribuidoras, alimentadoras, troncais e sistemas de corredores com exclusividade constante ou variável, como o BRT (Bus Rapid Transit) e BRS (Bus Rapid Service), respectivamente; (ii) rodoviária; (iii) mista (urbana e rodoviária); (iv) intermunicipal; e (v) escolar (CAIO INDUSCAR; MERCEDES-BENZ; FABUS, 2016).
Guercio e Mello Filho (2016) citam que a São Paulo Transporte (SPTrans) apresenta um levantamento realizado de março de 2013 a junho de 2015 quanto à velocidade média e distância percorrida de ônibus em faixas exclusivas nos sentidos Centro-Bairro e Bairro-Centro no município de São Paulo. Em horários de pico, constatou-se que o tráfego fluiu à velocidade média de 20,6 km/h, com operação aproximada de 18 horas diárias.
Todos esses parâmetros (uso urbano, idade média dos ônibus, capacidade de transporte de passageiros, velocidade média e outros) influenciam a escolha da tecnologia do veículo, a autonomia e, principalmente, as emissões de poluentes e de gases de efeito estufa (GEE), fazendo com que os aspectos ambientais gerados pelo uso dessa modalidade de transporte tenham seus valores altamente flexíveis.
Além da emissão de poluentes, a geração de ruído é também outro aspecto ambiental que impacta diretamente à saúde e à qualidade de vida urbana, ao passo que a emissão de calor tem um potencial indireto ao contribuir com a elevação da temperatura, intensificando possíveis ilhas de calor e potencialmente afetando o ciclo micrometeorológico local (SPTRANS, 2011). A partir do momento em que o ciclo micrometeorológico é alterado, a população humana, na tentativa mitigatória de diminuir seus efeitos negativos, recorre a sistemas de climatização artificial, que também demandam de energia.
Para lidar com os aspectos ambientais gerados pelo transporte coletivo urbano, uma medida é a introdução de regulamentação específica. O município de São Paulo, por exemplo, possui a Lei Municipal de Mudança do Clima (n° 14.933/09), a qual estabelece que até 2018 toda a frota municipal de transporte público utilize combustível renovável. Para que essa meta fosse alcançada, em fevereiro de 2011 foi criado o programa Ecofrota, que consiste na introdução gradativa, na frota de ônibus do transporte público, de veículos que adotem tecnologias menos poluentes, seja pela utilização de um combustível renovável, como o biodiesel, ou pela utilização de veículos com tecnologias mais avançadas, como ônibus híbridos e elétricos. Os modais de transporte coletivo urbano existentes no Ecofrota envolvem tanto aqueles à combustão interna (e.g. biodiesel, etanol e diesel de cana-de-açúcar), quanto àqueles elétricos (e.g. híbrido, elétrico puro, a célula a combustível e trólebus) (SPTRANS, 2011).
Outras inciativas também podem ser vistas, como por exemplo na cidade de Campinas, que tem 10 ônibus elétricos puros em operação desde 2015 (ANTP, 2016). Ainda que no caso de Campinas a introdução dos veículos elétricos não tenha sido promovida por uma regulamentação municipal específica, a inserção de modelos mais eficientes e menos poluentes indicam uma mudança no contexto do transporte público.
2.2 Modais de transporte coletivo urbano
Os principais meios de transporte urbano motorizado de passageiros são o ônibus, o automóvel, o trem e o metrô. Na maioria das cidades brasileiras, o sistema de transporte coletivo por ônibus predomina no atendimento de grandes massas por possuir, entre outros motivos, grande flexibilidade para conexão de pontos de origem e destino e custos baixos de implantação e oferta adaptáveis a incrementos na demanda (até o limite da densidade de tráfego), como já mencionado (ARAÚJO et al., 2011).
Ressalta-se que para efeitos de definição, de acordo com o Código de Trânsito Brasileiro (CTB), ônibus é um veículo automotor de transporte coletivo, com capacidade para mais de vinte passageiros, com duas ou mais portas para embarque e desembarque, podendo ou não ter, como opcional, ar-condicionado (FABUS, 2016). Quando com capacidade inferior a vinte passageiros, se enquadra às categorias de Midi, Mini e Micro-ônibus.
Com o intuito de reduzir os aspectos ambientais gerados pelo setor de transporte coletivo urbano, algumas tecnologias têm sido desenvolvidas e/ou aperfeiçoadas em ônibus urbanos para substituir e/ou complementar os combustíveis fósseis. Diante do escopo dessa dissertação, a seguir são apresentadas características gerais dos ônibus à combustão interna e dos elétricos.
2.2.1 Transporte coletivo urbano com ônibus com a combustão interna
No que se refere aos ônibus à combustão interna, motores convencionais equipados de sistemas de pós-tratamento de emissões e tecnologia veicular para uso de gás natural veicular (GNV) e para o uso de etanol destacam-se nas possibilidades de uso de combustíveis como petrodiesel de baixo teor de enxofre, misturas de petrodiesel e biodiesel, biodiesel, gás natural, biometano, etanol aditivado e diesel de cana (ANTP, 2016).
O biodiesel, como um combustível alternativo ao diesel fóssil, pode ser utilizado em motores a combustão interna e substituir, total ou parcialmente, o óleo diesel de petróleo. Trata-se de um combustível essencialmente livre de compostos sulfurados e aromáticos e que
gera menores emissões no processo de combustão, à exceção das emissões de óxidos de nitrogênio (ANTP, 2016).
A mistura compulsória de 7% (em volume) de biodiesel no petrodiesel foi estabelecida pela Medida Provisória n° 647/2014, convertida na Lei n° 13.033/2014 (MAPA, 2015). Para misturas de maiores teores, somente é autorizada pela indústria, sem restrições de manutenção e garantia, a adição até a proporção de 20%, desde que a qualidade4 do biodiesel seja certificada. A substituição total do petrodiesel por biodiesel, principalmente em tecnologias futuras, demandaria de motores projetados exclusivamente para esse fim, dada a susceptibilidade de peças e componentes do motor ao desgaste prematuro. O uso de biodiesel em altos teores de mistura ou em substituição total ao petrodiesel pode levar: ao entupimento precoce de filtros, principalmente em condições de operação sob baixas temperaturas, em especial quando a gordura animal é utilizada como matéria-prima e tende a solubilizar nesses casos; ao aumento do consumo de combustível, já que o poder calorífico do biodiesel é inferior ao petrodiesel, entre outras consequências (ANTP, 2016).
Outras alternativas energéticas ao diesel incluem o GNV, por seu impacto ambiental local reduzido, tanto em relação à emissão de MP fino – abundante em motores a diesel, especialmente os mais antigos e aqueles em más condições de manutenção – quanto à redução do ruído do ônibus. A operação de ônibus dedicados a queimar GNV pode ser menos impactante caso esse gás seja proveniente do biometano.
O biometano pode ser produzido a partir de biogás gerado por dejetos e resíduos orgânicos domésticos, industriais e agropecuários. O uso do biogás oriundo de resíduos para força motriz nos transportes tem duas grandes vantagens: substitui um combustível fóssil e evita o lançamento direto de biometano na atmosfera, bastando que o biogás seja tratado e purificado para atingir às especificações oficiais do GNV a níveis de 90 a 99% de metano, por meio da remoção do dióxido de carbono e sulfeto de hidrogênio. Esse tipo de combustível, entretanto, demanda de uma infraestrutura para abastecimento e de tecnologia própria para sua combustão, seja aquela dedicada à queima do gás metano em motores de quatro tempos de ignição por centelha do ciclo Otto, ou aquela Dual Fuel adaptada ao motor a diesel para queimar simultaneamente o gás junto ao petrodiesel, biodiesel ou diesel de cana (ANTP, 2016).
4 A contaminação microbiológica, identificada no elo final da cadeia (manuseio, transporte, recebimento e
abastecimento) pode ocorrer no biodiesel, tendo como consequência a biodegradação. A contaminação pode ser veiculada por meio do ar ou pela água com perda de qualidade do combustível e consequente formação de borra (ANTP, 2016).
O etanol também pode ser uma alternativa ao petrodiesel. Deve ser aditivado em 5% com uma substância (Beraid) que provoca a detonação por compressão da mistura sem necessidade da centelha, atuando também como anticorrosivo. Sem considerar a adoção de equipamentos de tratamento dos gases de exaustão, como filtros e catalisadores, os ônibus a etanol apresentam níveis de emissão muito inferiores aos dos motores a diesel, especialmente quanto ao MP. A tecnologia para uso deste combustível deve ser equipada com motor especialmente projetado para o etanol, com alta taxa de compressão, e manufaturada com materiais e equipamentos compatíveis com o uso do álcool (ANTP, 2016).
A exemplo da produção de etanol, o diesel de cana também é produzido a partir de fermentação usando, entretanto, leveduras modificadas geneticamente que convertem um concentrado rico em açúcar em diesel de cana, por meio de síntese biológica. A mistura de diesel de cana AMD 10 (10% de diesel de cana e 90% óleo diesel S-50) não apresenta alterações significativas no desempenho operacional e nem na durabilidade do sistema de injeção e alimentação do combustível, tampouco no período de troca de filtros de combustível (IZQUIERDO et al., 2014).
De acordo com a Associação Nacional de Fabricantes de Ônibus (FABUS), o Brasil é o quarto maior produtor mundial de ônibus, atrás somente da China, Índia e Rússia. Os ônibus de uso nacional têm suas carroçarias produzidas pela Marcopolo (Caxias do Sul - RS), Neobus (Caxias do Sul – RS), Comil (Erechim – RS), Marcopolo Rio (Duque de Caxias - RJ), Irizar (Botucatu – SP), Caio Induscar (Botucatu – SP) e Mascarello (Cascavel – PR), com participações de 25,9%, 11,4%, 12,4%, 14,9%, 2,8%, 22,1%, e 10,5%, respectivamente, na produção acumulada de carroçarias no Brasil em 2015 (FABUS, 2016).
No que se refere exclusivamente à produção de carroçarias destinadas ao uso urbano, as maiores produtoras em 2015 foram a Caio Induscar (34,9%), Marcopolo Rio (27,4%), Comil (12%), Neobus (9,6%), Marcopolo (8,2%) e Mascarello (7,9%). No primeiro semestre de 2016 observou-se uma redução da participação da Marcopolo Rio e da Comil, fazendo com que as demais empresas ocupassem uma parcela maior do mercado, o qual ainda é liderado pela Caio Induscar5 (FABUS, 2016).
A Caio Induscar produz quatro tipos de carroçarias para ônibus urbanos:
5 No primeiro semestre de 2016 a distribuição do mercado de carroçarias apresentou-se da seguinte ordem: Caio
Induscar (42,1%), Marcopolo (22,8%), Neobus (12,2%), Comil (9,7%), Mascarello (8%) e Marcopolo Rio (5,2%) (FABUS, 2016).
(i) Apache Vip, de aplicação urbana e escolar, com 9,5 a 13,2 metros de comprimento, comportando chassis Agrale, Mercedes-Benz, Scania, Volkswagen, Volvo, entre outros;
(ii) Millenium, de aplicação urbana, com 13,25 a 15 metros, comportando chassis Mercedes-Benz, Scania e Volvo;
(iii) Millenium BRT, voltado a sistemas BRT, BRS, com até 13,2 metros (motor dianteiro), até 15 metros (motor traseiro), até 18,6 metros (articulado), de 23 metros (super articulado), e 26.61 metros (biarticulado), comportando chassis Mercedes-Benz, Scania, Volkswagen e Volvo; e
(iv) Mondego, voltado ao mercado externo, com 12,33 a 13,2 metros de comprimento, e suporte para chassis Agrale, Mercedes-Benz, Scania, Volkswagen, Volvo e outros.
Quanto ao chassi, baseado em dados de emplacamento do Registro Nacional de Veículos Automotores (RENAVAM), constatou-se que a Mercedes Benz deteve 74% da participação no mercado de ônibus urbanos em 2015, mediante 14 modelos comerciais (MERCEDES-BENZ, 2016). As características gerais do ônibus da Mercedes-Benz são apresentadas na Tabela 2.3.
O motor a combustão interna convencional, usado em ônibus urbanos, conta com um sistema de ignição por compressão, no qual a combustão é iniciada pela injeção de combustível no ar quente comprimido, sem que uma fonte externa de energia seja aplicada. Esse motor, operando como um ciclo diesel ideal, passa pelas seguintes etapas (SANTANA, 2015):
(i) admissão: durante o qual ar puro (sem combustível) é admitido para dentro do cilindro, com a válvula de aspiração aberta;
(ii) compressão isoentrópica: durante o qual o ar é comprimido no cilindro, elevando a temperatura acima do ponto de ignição do combustível, com as válvulas fechadas;
(iii) combustão (adição de calor): ocorre a injeção do combustível em regime que possibilita a combustão sob pressão constante, onde é expandido de forma isoentrópica até Ponto Morto Inferior (PMI), com as válvulas fechadas;
(iv) escape (rejeição de calor a volume constante): durante o qual o êmbolo expulsa de dentro dos cilindros os gases resultantes da queima, estando aberta a válvula de descarga.
Tabela 2.3 - Comprimento da carroçaria de ônibus convencionais da Mercedes-Benz, em função do motor, suspensão e tipo de operação
Fonte: Mercedes-Benz (2016).
No entanto, na prática o funcionamento dos motores Diesel modernos é melhor representado pelo ciclo dual, composto por cinco processos termodinâmicos que, na condição de análise ar-padrão, consideram a adição de calor ocorrendo em 2 passos: a volume constante (2-3) e, depois, a pressão constante (3-4) (MORAN & SHAPIRO, 2009). As diferenças entre o ciclo ideal e o ciclo real, vistas na Figura 2.2, são atribuídas à perda de calor no cilindro, ao tempo de abertura e fechamento das válvulas de admissão e de escape, à combustão não instantânea do processo, entre outras razões (BAPTISTA, 2014).
Posição do motor Tipo de suspensão Tipo de operação Comprimento da carroçaria
Motor dianteiro Suspensão metálica Escolar De 8 a 12 metros Urbana De 11 a 13,2 metros Rodoviária De 8 a 13,2 metros Suspensão pneumática Urbana De 11 a 13,2 metros Rodoviária Motor traseiro Suspensão metálica Urbana 11 metros Rodoviária Suspensão pneumática Urbana De 9 a 23 metros Rodoviária De 9 a 14 metros
Figura 2.2 – Diagrama p-v do ciclo dual ideal e real
Fonte: Baptista (2014).
Além da geração de potência, o resultado do processo de combustão é a emissão de escapamento. Para a estimativa das emissões de escapamento do petrodiesel, Sugawara (2012) utiliza a seguinte equação:
𝐹𝐸!= 𝑓𝑒_𝑑𝑖𝑛!∗ 1 𝑐𝑜𝑛𝑠!"#
∗ 𝑑!"#$∗ 1000 ∗ 1/𝑐𝑜𝑛𝑠!"#
Em que:
i = tipo de poluente medido;
FEi = fator de emissão do poluente estimado para a situação real (g/km)
fe_dini = fator de emissão obtido do teste em bancada dinamométrica (gi/kWh)
consdin = consumo de combustível obtido do teste em bancada dinamométrica (gdiesel/kWh) dcomb = densidade do combustível (kg/L)
A Tabela 2.4 indica os valores disponíveis na literatura para o cálculo dos fatores de emissão dos poluentes segundo alguns autores.
Tabela 2.4 – Compilação de dados disponíveis na literatura para cálculo dos fatores de emissão do petrodiesel
fe_dinCO (gCO/kWh) fe_dinCO2 (gCO2/kWh) fe_dinNOx (gNOx/kWh) fe_dinHC (gHC/kWh) fe_dinMP (gMP/kWh) consdin (gdiesel/kWh) conscam (km/L) Fonte 0,55333 705,54 4,53 0,17667 0,08233 217,5 2,3767 Sugawara, 2012 0,27 x 1,29 0,02 0,0125 224 2,3 MMA, 2014 0,263 730 1,442 0,01 0,013 220 2,1 CETESB, 2016 0,0285 708,2 2,41 0,1589 x x x Santana, 2016 1,5 x 2,00 0,46 0,02 x x IBAMA, 2016 FECO (gCO/km) FECO2 (gCO2/km) FENOx (gNOx/km) FEHC (gHC/km) FEMP (gMP/km) FECH4 (gCH4/km) FEN2O (gN2O/km) Fonte 0,89915 1.146 1.384,458 0,28708 0,13379 x x Sugawara, 2012 0,44 1.240 2,103 0,033 0,02 0,06 0,03 MMA, 2014 0,479 1.327 2,623 0,018 0,023 0,06 0,03 CETESB, 2016 0,54 1.168 2,69 0,0147 0,0209 x x ANTP, 2016 0,54 1.643 2,69 0,0147 0,0209 x x ANTP, 2016
Fonte: Autoria própria.
Na tabela acima são expostas as emissões de MP oriundas apenas da queima de petrodiesel. De acordo com dados europeus, fornecidos pelo Guia Europeu para Inventário de Emissões, citado pelo MMA (2014), o fator de emissão de MP10 (material particulado com diâmetro menor que 10 microns) por desgaste de pneus e freios corresponde a 0,59g/km e pelo desgaste da pista, a 0,038 g/km. Vale ressaltar também que os dados da Tabela 2. tratam-se de dados contratam-servadores, por não refletirem o estado real da manutenção da frota em circulação, que pode elevar as estimativas de emissão (ANTP, 2016).
Considerando que as emissões de escapamento contribuem significativamente para a deterioração da qualidade ambiental, especialmente em centros urbanos, em 1986 foi instituído o Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores (PROCONVE) pela Resolução n° 18/86 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) (apud IBAMA, 2011). Visando reduzir e controlar a contaminação atmosférica e a emissão de ruídos por veículos automotores, o PROCONVE passou a fixar prazos, limites máximos de emissão de escapamento e a estabelecer exigências tecnológicas para veículos novos (IBAMA, 2016).
A fase vigente do PROCONVE, disposta na Resolução CONAMA n° 403/08 (apud IBAMA, 2011), dispõe sobre as exigências para veículos pesados novos, nacionais e importados, doravante denominada Fase P-7, e estabelece os limites máximos de emissões de escapamento do óleo Diesel6 S-10 (com teor de enxofre máximo de 10 ppm), para veículos produzidos a partir de 1° de janeiro de 2012, consoante apresentado pela Tabela 2.5.
Tabela 2.5 – Limites máximos7 de emissão de poluentes para os motores do ciclo Diesel destinados a veículos
automotores pesados novos, nacionais e importados, produzidos a partir de 1° de janeiro de 2012
Poluentes Limites (Fase P-7) em ciclo de testes ESC8
Monóxido de carbono (g/kWh) 1,5
Hidrocarbonetos (g/kWh) 0,46
Óxidos de nitrogênio (g/kWh) 2
Material particulado (g/kWh) 0,02
Amônia (ppm/kWh) 25
Fonte: Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis – IBAMA (2011).
Além de dispor os limites de emissão, a fase P-7 estabelece a obrigatoriedade da incorporação de tecnologia de controle de emissão e de dispositivos para o autodiagnostico das funções de gerenciamento do motor que exerçam influência sobre as emissões de
6 Considerando que para as homologações dos veículos deve ser utilizado o combustível de referência, disposto
na Resolução da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) n° 40/08.
7 Para efeitos de homologação, na comprovação de atendimento aos limites de emissão de escapamento, não são
aplicados os Fatores de Deterioração da Emissão. Contudo, o fabricante deve manter as respectivas emissões dentro dos limites por 160.000 km rodados ou o prazo de cinco anos, o que se suceder primeiro.
8 Ciclo ESC = Ciclo de Regime Constante. Consiste de um ciclo de ensaio com 13 modos de operação em
