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METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM VEÍCULOS LEVES E
SEUS IMPACTOS EM TERMOS DE USO DE COMBUSTÍVEIS, EMISSÕES DE GASES DE
EFEITO ESTUFA E USO DA TERRA
William Frederic Schmitt
Alexandre Szklo, D.Sc.
Rio de Janeiro, 26 de Novembro de 2010
Introdução
• Motivação
• Segurança Energética, Emissões de GEE e Uso do Solo.
• Trilema mencionado Tilman et al., 2009:
1) Energia;
2) Meio ambiente;
3) Alimento.
183%
148%
95%91%87%
78%70%
50%39%
20%19%15%
0%
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180%
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BRASIL
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Dependência Energética
Razão de Auto-suficiência
Justificativa
• Setor de Transporte: 25% do consumo mundial de energia primária e
de emissões de GEE (concentrado em petróleo).
• O Segmento Rodoviário é o mais relevante em termos de uso final de
energia e emissões atmosféricas.
• Em 2030 o segmento rodoviário seja responsável por 75% das
emissões de GEE (IEA, 2009).
0%
20%
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60%
80%
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Pro
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rio
Transporte
Rodoviário
(Energia
Consumida)
Transporte
Rodoviário
(Emissões de
CO2)
Justificativa
• Os Veículos Leves dominam o setor de transporte rodoviário em
termos de consumo de combustíveis.
• Expectativa de aumento da dominância fora OCDE em 2030.
Justificativa
• China = maior quantidade de vendas anuais de veículos em 2009
(iCET, 2009);
• Brasil = vendas de VL ultrapassaram os 3,0 milhões de veículos em
2009 (1,5 milhão a mais que a média anual da década 1995-2004).
• Tendência de Médio Prazo: aumento da oferta de combustíveis
líquidos, incluindo os biocombustíveis e políticas mais rigorosas para
eficiência dos veículos.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
1976
1978
1980
1982
1984
1986
1988
1990
1992
1994
1996
1998
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MCI Gasolina MCI Etanol MCI Flexfuel MCI Diesel
4%27%
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Frota 2008: 24,5 milhões veículos
-
5,0
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15,0
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25,0
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Gasolina A
Etanol
Justificativa
• Segmento de Veículos Leves no Brasil: pouca dependência energética
externa; matriz energética bastante renovável.
• Características do etanol brasileiro: insumo, maturidade, competitividade, etc.
• Sustentabilidade dos biocombustíveis (uso indireto do solo): estudo de
SEARCHINGER et al. (2008) sobre etanol de milho = biocombustíveis podem
emitir mais CO2 que rotas tradicionais se consideradas mudanças diretas e
indiretas no uso da terra.
• Brasil em condição mais favorável: eficiência energética do etanol de cana +
área disponível => porém, usar etOH de forma mais eficiente... libera mais
área + impactos ambientais positivos
• Como forma de unir os três elos identificados no trilema, uma abordagem
interessante seria avaliar a complementaridade entre uso de eficientes
veículos leves e seus impactos em termos de emissões, energia e uso do solo.
Objetivo
• OBJETIVO: desenvolver uma metodologia de avaliação de eficiência
energética em veículos leves e os impactos no uso de combustíveis, nas
emissões de gases de efeito estufa e no uso da terra.
• Metodologia implementada em ambiente computacional, de forma integrada a
um software de simulação dinâmica de veículos
CARACTERÍSTICAS DA METODOLOGIA
1. SDVL integrada e seqüencial com cenários de energia, emissões e uso da
terra.
2. Permite simular difusão de tecnologias incrementais e radicais;
3. Permite otimizar a participação de mercado das vendas de veículos leves;
4. Obtém valores de autonomia por litro a partir de qualquer ciclo de condução;
5. Estima a frota circulante;
6. Estima o uso de combustíveis, as emissões de GEE e a quantidade de área
plantada de cana-de-açúcar.
Estado da Arte
• Utilização de técnicas de Simulação Dinâmica de Veículos Leves (SDVL)
• Basicamente, essa técnica tem sido empregada para auxiliar em questões
relativas a dois temas:
Simular, avaliar e otimizar
tecnologia de veículos leves
Avaliar políticas
energéticas e ambientais
Modelagem Dinâmica de
Veículos Leves (MDVL)
Estado da Arte
O primeiro tema é muito difundido, com estudos desde a década de 80 no BR:
• STAVROPOULOU (1981) apresenta um modelo computacional para avaliar o
comportamento de um veículo híbrido com flywheel.
• Em 1998, BISCARRI et al. (1998) apresentam uma ferramenta computacional
desenvolvida para simular VEH e que permitia avaliar os fluxos de energia em
um veículo híbrido série, incluindo a estimativa de consumo de combustível.
• PRIMO JÚNIOR (2002) propõe um sistema de propulsão para veículo híbrido
série com regulação da demanda de energia e WINNISHOFER (2004)
apresenta uma modelagem de VEH série para transporte coletivo.
• Em 2005, um engenheiro da Ford Brasil apresentou uma dissertação de
mestrado comparando as configurações híbridas série e paralelo, utilizando
um simulador de veículos denominado ADVISOR (Advanced Vehicle
Simulator), em um veículo nacional com motor 1,0 litro (Ford Ka).
• Em termos mundiais vasta literatura sobre o assunto.
Estado da Arte
Estudos que abordam políticas energéticas e de emissões geralmente não
incluem os aspectos relacionados à simulação dinâmica dos veículos.
• MATTOS (2001) analisa o impacto do setor de transporte da cidade do Rio de
Janeiro em termos de aquecimento global, por contas das emissões de CO2 na
atmosfera. (sem SDVL)
• MORAES (2005) analisou as tendências da demanda de energia no setor de
transportes no Brasil, abrangendo todos os modais (aéreo, ferroviário,
hidroviário e rodoviário) e os combustíveis automotivos utilizados
(combustíveis fósseis, álcool e eletricidade). As projeções são realizadas
utilizando o modelo MAED. (sem SDVL)
• ROOM (2006) coloca em discussão as tecnologias mais promissoras para
superar os desafios de redução de consumo e emissões de GEE em veículos
leves, mas não analisa em detalhe o comportamento dos veículos.
Estado da Arte
• Estudos que incluem a segunda vertente de SDVL
• Principais grupos de pesquisa encontram-se no Laboratório de Termodinâmica
da Universidade de Aristóteles (Grécia) e no Instituto Tecnológico de
Massachussetts (MIT).
• FONTARAS et al. (2007): um dos primeiros estudos que empregou a
simulação, em software, de veículos leves com objetivo para avaliar as
medidas de controle de emissão de CO2 definidas pela União Européia.
• Simulações de consumo e emissões de forma não integrada: ADVISOR
(simulação de veículos) e TREMOVE (estimar as reduções nas emissões de
CO2).
• FONTARAS e SAMARAS (2010) empregam uma metodologia de SDVL para
avaliar possibilidades de se atingir a meta estipulada pela União Européia em
termos de emissões em veículos leves de passageiros.
• CHEAH et al. (2007), pertencentes ao grupo do MIT, utilizaram SDVL para
demonstrar que é possível aumentar a eficiência média do veículos leves
vendidos em 2035 nos EUA em duas vezes (sem rupturas).
Estado da Arte
• BANDIVADEKAR et al. (2008), pertencentes ao grupo do MIT, apresentam
uma metodologia para avaliar as reduções potenciais de combustível e de
emissões de GEE da frota americana de veículos leves.
• A abordagem feita por BANDIVADEKAR et al. (2008) inclui os efeitos
intensidade, estrutura e atividade, mas não contempla questões relativas ao
uso do solo.
• KROMER et al. (2010), pertencentes ao grupo do MIT, apresentam uma
análise integrada para redução de consumo e de emissões de GEE em
veículos leves nos Estados Unidos a partir da redução de combustíveis à base
de petróleo.
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• Comparação entre metodologias que integram SDVL às análises de políticas
energéticas e ambientais no segmento transporte rodoviário.
ADVISOR
Modelos Intensidade a
Estrutura b Atividade Energia Emissões
Uso do
Solo c
FONTARAS et al.
(2006)2 SIM NÃO NÃO SIM SIM NÃO
FONTARAS e
SAMARAS (2008)6 SIM NÃO NÃO SIM SIM NÃO
CHEAH et al. (2006) 3 SIM NÃO NÃO SIM SIM NÃO
BANDIVADEKAR et
al. (2008)3 SIM SIM SIM SIM SIM NÃO
WILLIAM (2010) 18 SIM SIM NÃO SIM SIM SIM
b: O efeito estrutura utilizado por BANDIVADEKAR et al. (2008) considera mudanças entre as duas
categorias de veículos leves americana (passageiros e caminhões "SUVs"). William et. al (2010) leva em
consideração a desagregação dentro do segmento leve de passageiros (13 modelos) e comerciais (5
modelos).
c: O impacto do consumo de biocombustíveis em relação à ocupação do solo, abordando de alguma
forma o trilema identificado por Tilman et al. (2009), é avaliado somente na metodologia de WILLIAM
(2010).
TRILEMAEFEITOS
METODOLOGIAS
a: Todas as metodologias utilizam simulação dinâmica de modelos de veículos leves criados no software
ADVISOR.
METODOLOGIA
• ATIVIDADE: depende da frota, da mobilidade associada a pass-km ou ton-km
e ao fator de carga (MORAES, 2005).
• ESTRUTURA: função do tipo de modal empregado: ferroviário, aéreo,
rodoviário e hidroviário.
• INTENSIDADE: depende da eficiência energética no uso final.
Efeito Atividade
• Estimar a frota circulante de veículos leves no Brasil
• Quantos modelos devem ser criados para formarem um conjunto
representativo de veículos leves da frota brasileira?
• Necessidade de desagregação em níveis que permitem avaliar os progressos
tecnológicos, utilizando a técnica de SDVL.
• Os modelos foram criados no ADVISOR levando-se em consideração (1) as
categorias oficiais, (2) tipo de MCI (gasolina, flexfuel, álcool ou diesel) e (3)
volume do MCI.
• Foram criados 18 modelos de veículos leves no ADVISOR para o Ano Base.
• A partir desses 18 modelos foram avaliados os impactos da difusão
tecnológica incremental e radical no consumo de combustíveis, nas emissões
de GEE e na área plantada de cana-de-açúcar.
Modelos de Veículos
• Classificação oficial: Resolução n° 15 do CONAMA de 13/12/1995.
• A Portaria n° 391 do INMETRO, de 04/11/2008, definiu categorias de veículos
leves ciclo Otto com base na Resolução acima.
• Para identificar a representatividade de cada uma das 8 (oito) categorias
dentro da frota nacional, pode-se recorrer a duas fontes de dados:
Departamento Nacional de Trânsito (DENATRAN) e/ou ANFAVEA.
CRITÉRIO a
Subcompacto
(SBC)
Compacto
(CPT)
Médio
(MDO)
Grande
(GDE)
Conforme Resolução CONAMA 15/95.
a A = Área Superior do Veículo (Largura x Comprimento)
Carga
(CRG)
Veículo para o transporte de carga derivado de um
veículo de passageiros, conforme o art. 1º, §1º da
Fonte: INMETRO (2008), CONAMA (1995).
Comercial
(COM)
Veículo comercial conforme o art. 1º, §2º da
Resolução CONAMA 15/95
Esportivo
(ESP)Conforme Resolução CONAMA 15/95.
Off-road (OFR)
CATEGORIA
Passageiros
Veículo de passageiros, com área até 6,5 +/- 0,10 m2;
Veículo de passageiros, com área de 6,5 +/- 0,10 m2
até 7,0 +/- 0,10 m2
Veículo de passageiros, com área de 7,0 +/- 0,10 m2
até 8,0 +/- 0,10 m2
Veículo de passageiros com área superior a 8,0 +/-
0,10 m2
Modelos de Veículos
• 8 categorias oficiais, sendo 6 representativas em volume de licenciamentos.
• 6 categorias são desagregadas em 18 modelos, em função do volume do MCI
e esses são os modelos criados no ADVISOR.
1%
2%
37%
37%
16%
8%VL - PASSAGEIROS SUBCOMPACTO
VL - PASSAGEIROS COMPACTO
VL - PASSAGEIROS MÉDIO
VL - PASSAGEIROS GRANDE
VL - CARGA
VL - COMERCIAL
MCI POT. MASSA CX
(tipo) (unidades) (%) (kW) (kg)
1 SBC 1.0 615.108 27,5% 52 921 0,33
2 SBC 1.4 92.840 4,1% 61 1.010 0,33
3 SBC 1.6 119.838 5,4% 76 1.008 0,35
4 CPT 1.0 421.084 18,8% 52 938 0,35
5 CPT 1.4 185.737 8,3% 66 1.124 0,31
6 CPT 1.6 136.951 6,1% 73 1.065 0,35
7 CPT 1.8 47.935 2,1% 83 1.183 0,35
8 CPT 2.0 27.704 1,2% 85 1.158 0,35
9 MDO 1.0 33.333 1,5% 52 1.076 0,36
10 MDO 1.6 95.473 4,3% 76 1.176 0,35
11 MDO 1.8 113.335 5,1% 95 1.253 0,29
12 MDO 2.0 116.025 5,2% 98 1.280 0,30
13 Gasoline GDE 2.3 17.044 0,8% 127 1.432 0,33
14 CGA 1.4 123.264 5,5% 61 1.082 0,38
15 CGA 1.6 32.046 1,4% 75 1.035 0,38
16 CGA 2.4 16.584 0,7% 104 1.639 0,45
17 Flexfuel COM 1.6 27.099 1,2% 74 1.204 0,36
18 Gasoline COM 2.0 16.103 0,7% 113 1.568 0,40
2.237.503 100,0%
VL Comerciais
TOTAL
VL de Carga Flexfuel
VL de PassageirosFlexfuel
NCATEGORIA
OFICIALMODELOS
LICENCIAMENTOS
Frota Circulante
• Frota circulante é igual ao somatório do produto entre os licenciamentos
anuais de veículos e sua respectiva taxa de sucateamento
• Ao longo dos anos os veículos mais antigos vão sendo excluídos da frota
circulante (roubo, batida, etc.)
• Curva de sucateamento clássica criada por MATTOS e CORREIA (1996) e
aplicada em diversos estudos MCT (2002), WILLS (2008), entre outros.
).(..)(tdcebeatFSF
0
10
20
30
40
50
60
70
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2007 2010 2015 2020 2025 2030
Ano
Fro
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)
MCI Gasolina MCI Álcool
MCI Flexfuel MCI Diesel
Distância Média Percorrida
• A distância média percorrida por veículo (em km/ano) está associada ao nível
de mobilidade e tem impactos significativos na demanda por combustíveis.
• Os dados utilizados nesse estudo foram obtidos a partir da validação do
consumo de combustível entre o Cenário Base da tese e o Cenário Base do
PDEE 2008-2017 MME (2009).
0
3
6
9
12
15
18
21
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40
Idade (anos)
Dis
tân
cia
Mé
dia
Pe
rco
rrid
a
(km
/an
o)
Veículos Leves Veículos Leves de Passageiros 1990 1995 2000 2005
Estados Unidos 16.800 18.000 19.000 19.200
Japão 10.700 9.900 9.750 9.170
OECD Europa 13.000 12.700 12.400 12.000
Fonte: adaptado de IEA (2009b).
Efeito Estrutura
• Geralmente função dos diferentes modais de transporte, por exemplo,
rodoviário, ferroviário, hidroviário ou aéreo.
• Dentro do segmento rodoviário pode ser avaliado em termos de: veículos
privados (automóveis) ou coletivos (ônibus).
• Nesse estudo foi avaliado o efeito estrutura dentro do segmento de leves.
• No Brasil, já houve uma grande mudança na estrutura da frota de veículos
leves a partir da década de 1990 (Szklo et al., 2005).
Tipo MCI Volume MCI (cm3) Taxa (IPI) %
MCI < 1,000 7%
1,000 <= MCI < 2,000 13%
2,000 <= MCI 25%
MCI < 1,000 7%
1,000 <= MCI < 2,000 11%
2,000 <= MCI 18%
Diesel Todos 25%
Gasolina
Etanol ou Flexfuel
Otimizador
• Aumentar a autonomia média por litro dos veículos vendidos em determinado
ano pode-se atuar: (1) no aumento de eficiência dos veículos e/ou (2) na
estrutura de licenciamentos de veículos
Onde:
CEVL30 = Consumo Energético Ponderado dos veículos vendidos no ano 2030.
CEMOD30(i) = Consumo Energético do Modelo i,
LicMOD30(i) = Vendas do modelo i em 2030, in %.
• Função Objetivo: foi construída com base no produto entre a energia
consumida pelos modelos considerados na análise e a participação de
mercado desses modelos.
• Conjunto de Restrições: estabelecidas em termos de participação de vendas e
considerando os valores teto e piso do histórico desde 1999 até 2008
(ANFAVEA, 2009).
N
i
MODMODVL iLiciCECE1
303030 )().(
Efeito Intensidade
• Autonomia por litro (km/l) utilizada como variável para calcular o Efeito
Intensidade.
• Os valores de autonomia são geralmente obtidos por meio de procedimentos
normatizados (ABNT 6601, ABNT 7024, NEDC, FTP-75) e nas projeções são
utilizados poucos modelos de veículos.
EFEITO INTENSIDADE
• ADVISOR necessita de mapas de consumo dos MCI bem ajustados para cada
modelo a ser simulado, ou seja, para os 18 modelos.
• Esses mapas são função da rotação (rpm) e do torque (Nm) do MCI
• Basicamente, eles podem ser obtidos de duas formas: medidos em
dinamômetros de chassi e pela modelagem do MCI
Velocidade do Motor (rmp)
To
rque
(Nm
)
Potência (kW)
Máximo Gradiente de Potência
Velocidade do Motor (rmp)
To
rque
(Nm
)
Potência (kW)
Máximo Gradiente de Potência
EFEITO INTENSIDADE
• Assumiu-se que os 18 modelos de veículos utilizam 7 MCI, são eles: 1,0 litro
flexfuel, 1,4 litros flexfuel, 1,6 litros flexfuel, 1,8 litros flexfuel, 2,0 litros flexfuel e
2,3 litros gasolina e 2,4 litros flexfuel.
• O laboratório de motores do CENPES faz testes de consumo em vários
veículos leves em dinamômetro de chassi seguindo a norma ABNT. Os
resultados dos testes foram utilizados para validar a modelagem dos veículos
no ADVISOR, principalmente no MCI.
TESTE DE DINAMÔMETRO
COM GASOLINA C MODELO CRIADO
NO ADVISOR
Descrição do MCI
Urbano (km/litros)
Rodo (km/litros)
Comb. (km/litros)
Urbano (km/litros)
Rodo (km/litros)
Comb. (km/litros)
Diferença
MCI 1,0 flex a 13,6 18,3 15,4 13,6 18,1 15,3 0,5%
MCI 1,4 flex a 12,4 18,5 14,5 12,3 18,5 14,5 0,5%
MCI 1,6 flex a 12,7 16,8 14,2 12,6 16,8 14,2 0,4%
MCI 1,8 flex a 10,6 16,1 12,6 10,6 16,1 12,5 0,4%
MCI 2,0 flex a 10,9 15,4 12,5 10,9 15,4 12,5 0,0%
MCI 2,3 gas b 9,8 14,6 11,5 9,7 14,6 11,4 0,6%
MCI 2,4 flex b 9,0 12,9 10,4 9,0 12,9 10,4 0,2%
Fonte: a CENPES (2007),
b FABRICANTES (2008).
EFEITO INTENSIDADE
ADVISOR
• O ADVISOR é um software constituído por um conjunto de modelos, dados e
rotinas que trabalham em ambiente MATLAB e empregam o SIMULINK
(permite cálculo de equações diferenciais).
• O início do processo no ADVISOR está vinculado ao ciclo de condução. O
veículo deve desenvolver uma Força de Tração tal que o permita acelerar de
v1 para v2. Torque e velocidade vão ser transferidos das rodas até o MCI.
Adicionalmente, o ADVISOR verifica alguns limites físicos de determinados
componentes.
EFEITO INTENSIDADE
• Diagrama de Blocos: veículo convencional simulando um ciclo de condução
de um modelo.
PIRRAEeqTR FFFdt
xdMF
2
2
.
Velocidade do Motor (rmp)
To
rque
(Nm
)
Potência (kW)
Máximo Gradiente de Potência
Velocidade do Motor (rmp)
To
rque
(Nm
)
Potência (kW)
Máximo Gradiente de Potência
xeqX aMF .P
VEEr
sVw
)1(.
ETETPTREE IPrFT . DD
D
SDED IP
R
TT
DSDED Fww .TSTET Rww .
IPETET TTTT 0
Autonomia (km/l)
METODOLOGIA
• Cálculo do Consumo de Combustível (exemplo álcool anidro)
Onde:
CAHME = Consumo de Álcool Hidratado em 2030 por veículos com motores à etanol;
M = Idade máxima dos modelos, em anos;
N = Número de modelos da frota (criados no ADVISOR);
FCVME(i) = Frota Circulante de Veículos Leves com motor a etanol no ano i, em número de veículos;
PMMME(i,,j) = Participação de mercado do modelo j no ano i, em %;
DMP(i) = Distância média percorrida no ano i, em km/ano;
AUT (i,j) = Autonomia por litro média do modelo j no ano i, in km/litro.
M
i
N
j
MEMEMEME
jiAUT
iDMPjiPMMiFCVCAH
1 1 ),(
)().,().(
METODOLOGIA
• Cálculo de Emissões de GEE
Onde:
EAH = Emissões de GEE a partir do álcool anidro no ano i (Mton de CO2eq/ano);
CAH = Consumo Total de Álcool Hidratado no ano i (litros/ano);
AHFE(i) = Fator de Emissão do Álcool Hidratado para o ano i (Mton de CO2eq/litro).
• Cálculo de Área Plantada de Cana-de-Açúcar
Onde: APC = Área Plantada de Cana-de-açúcar no ano i (ha/ano);
CAA = Consumo Total de Álcool Anidro no ano i (litros/ano);
CAH = Consumo Total de Álcool Hidratado no ano i (litros/ano);
P(i) = Produtividade no ano i (litros/ha).
)().()( iAHiCAHiEAH FE
)(
)()()(
iP
iCAHiCAAiAPC
METODOLOGIA: Rotina MATLAB
DADOS DE ENTRADA:
1. Anos da Simulação.
2. Estimativa oficial da frota por tipo de motor.
3. Mudanças tecnológicas propostas.
4. Ciclo de condução.
5. Distância média percorrida anualmente por idade do veículo.
6. Proporção de uso de cada combustível nos veículos flexfuel.
7. Participação de mercado da frota por categoria e por motor.
CÁLCULOS
1. Estima frota circulante por ano e por tipo de motor;
2. Simula todos os modelos i (ADVISOR) de acordo com os parâmetros dos veículos;
3. Altera os parâmetros técnicos de acordo com os dados de cenários e retornar ao passo 2 (faz isso até
o último ano de cenário);
4. Calcula a autonomia por litro e o consumo energético (MJ/km) para cada modelo;
5. Estima demandas de gasolina C, de álcool hidratado e de álcool anidro por ano.
6. Estima as emissões de GEE por ano.
7. Estima a área plantada por ano.
USO DE COMBUSTÍVEL
Modelos de Estimativa de Frota
I - FATOR DE
AUMENTO DOS
LICENCIAMENTOS
ANUAIS
II - FROTA
OFICIALMENTE
ESTIMADA NO PLANO
NACIONAL DE
ENERGIA 2030
Gerar gráficos da
frota
Opção
de
escolha
Rotina Cálculo de Frota (MATLAB) Inclui outras variáveis associadas ao Efeito Atividade
+
METODOLOGIA
• Rotina implementada em MATLAB busca o ADVISOR e simula os modelos de
veículos.
• Supondo que sejam simulados três períodos de análise (2010, 2020 e 2030)
para os 18 modelos identificados anteriormente.
• Nesse caso, o ADVISOR roda 102 simulações de veículos da seguinte forma:
cada modelo com MCI flexfuel é simulado 6 vezes e cada modelo com MCI
gasolina é simulado 3 vezes. Assim, (6 x 16) + (3 x 2) = 102 simulações.
TECNOLOGIAS VEICULARES
• Uma forma de fazer um levantamento das tecnologias mais promissoras é
dividi-las da seguinte forma:
1) Veículos Leves Convencionais
2) Veículos Elétricos Híbridos (VEH)
3) Veículos Elétricos Híbridos de Recarga Externa (VEH-DRE) e
4) Veículos Elétricos à Bateria (VEB).
TECNOLOGIAS VEICULARES
1) Veículos Leves Convencionais:
• Progressos tecnológicos mais promissores de veículos leves identificados por
JAMA (2009).
OUTROS
1) Desligamento em
marcha lenta (idling
preventor);
2) Hibridização.
AUMENTO DA
EFICIÊNCIA DO MCI1) Injeção Direta;
2) Mecanismos variáveis
(ativação variável de
cilindros, VVT&L, etc.)
3) Redução das perdas
por fricção;
4) Redução nas perdas
no pistão por fricção;
5) Óleo lubrificante com
baixa viscosidade.
REDUÇÃO DA
RESISTÊNCIA DE
ROLAMENTO:1) Pneus com baixa
resistência de rolamento.
REDUÇÃO DE
MASSA DO
VEÍCULO:1) Uso de materiais mais
leves;
2) Aperfeiçoamento da
estrutura do veículo.
AUMENTO DO
DESEMPENHO DO
SISTEMA DE
TRAÇÃO1) Aumento no número
de marchas da
transmissão;
2) Transmissão
continuamente variável.
REDUÇÃO DO
ARRASTE
AERODINÂMICOAperfeiçoamento nos
projetos.
OUTROS
1) Desligamento em
marcha lenta (idling
preventor);
2) Hibridização.
AUMENTO DA
EFICIÊNCIA DO MCI1) Injeção Direta;
2) Mecanismos variáveis
(ativação variável de
cilindros, VVT&L, etc.)
3) Redução das perdas
por fricção;
4) Redução nas perdas
no pistão por fricção;
5) Óleo lubrificante com
baixa viscosidade.
REDUÇÃO DA
RESISTÊNCIA DE
ROLAMENTO:1) Pneus com baixa
resistência de rolamento.
REDUÇÃO DE
MASSA DO
VEÍCULO:1) Uso de materiais mais
leves;
2) Aperfeiçoamento da
estrutura do veículo.
AUMENTO DO
DESEMPENHO DO
SISTEMA DE
TRAÇÃO1) Aumento no número
de marchas da
transmissão;
2) Transmissão
continuamente variável.
REDUÇÃO DO
ARRASTE
AERODINÂMICOAperfeiçoamento nos
projetos.
TECNOLOGIAS VEICULARES
Veículos Convencionais: MCI
• Compreensão dos Pontos de Operação de um MCI ciclo Otto em função do
tipo de operação (por exemplo urbana ou rodoviária).
• Busca pela operação do MCI nas regiões mais eficientes.
Velocidade (rpm) Velocidade (rpm)
Torq
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Torq
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Velocidade (rpm) Velocidade (rpm)
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TECNOLOGIAS VEICULARES
Veículos Convencionais: MCI
• Dentre as tecnologias que podem ser empregadas para melhorar a eficiência
do MCI estão: sistema de injeção direta de combustível (ECCJ, 2007, IEA,
2009), válvula com tempo variável (ECCJ, 2006, IEA, 2009), válvula com
tempo e abertura variável (DOT, 2008), razão de compressão variável (ECCJ,
2007, DOT, 2008), turbo com redução de tamanho do motor (DOT, 2008, NAS,
2010), desativação de cilindros (NAS, 2010), MCI diesel (NAS, 2010, IEA,
2009, ECCJ, 2007), MCI flexfuel (IEA, 2009).
• Gama de soluções aplicáveis em MCI, inclusive em motores flexfuel.
TECNOLOGIAS VEICULARES
Veículos Convencionais: Coeficiente de Arrasto
• Arraste aerodinâmico é responsável por 25% das perdas em ciclos urbanos e
de 40-45% em ciclos rodoviários (IEA, 2009b).
• Nos Estados Unidos, os valores médios de coeficiente aerodinâmico são 0,34,
tendo veículos comercializados até com coeficientes 0,29 e 0,27
Veículos Convencionais: Massa
• A substituição de material, principalmente no motor, vem sendo cogitada como
alternativa promissora.
• Redução de massa x Segurança.
Veículos Convencionais: Resistência de Rolamento dos Pneus
• A resistência de rolamento dos pneus é dependente da carga que está
depositada sobre os pneus e a pressão dos pneus
• Um estudo concluiu que a redução média da resistência de rolamento em 10%
seria técnica e economicamente factível (TRB, 2006).
TECNOLOGIAS VEICULARES
Veículos Elétricos Híbridos
• Os VEH apresentam como característica principal o uso combinado de dois ou
mais dispositivos conversores de energia em Torque e Velocidade, tais como
um MCI e um motor elétrico (ME), com objetivo de resultar em um sistema com
maior eficiência.
• Aumento da eficiência em VEH advém de:
1) Desligamento do MCI na condição de parada do veículo;
2) Redução no tamanho e potência do MCI;
3) Frenagem regenerativa com armazenamento de energia em baterias.
TECNOLOGIAS VEICULARES
Veículos Elétricos Híbridos
• Os principais tipos de sistemas híbridos utilizados nos VEH atualmente
comercializados diferenciam-se fundamentalmente pela configuração na qual
se apresenta o MCI e o motor elétrico (ME).
• Tipos de sistemas:
1) Sistema Híbrido em Série
2) Sistema híbrido em Paralelo
3) Sistema Híbrido em Série e Paralelo ou Sistema Misto
TECNOLOGIAS VEICULARES
Veículos Elétricos Híbridos
• Outras classificações também são feitas de forma a avaliar o grau de
hibridização de um veículo.
Características do Veículo
Veíc
ulo
Co
nven
cio
nal
VE
H
Básic
o
VE
H
Inte
rmed
iári
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H
Co
mp
leto
VE
H-D
RE
Desliga o MCI em paradas e em tráfego tipo pára-arranca SIM SIM SIM SIM SIM
Utiliza frenagem regenerativa e opera com tensão > 60 V SIM SIM SIM SIM
Utiliza um MCI menor que a versão convencional com o mesmo
desempenhoSIM SIM SIM
Opera somente utilizando energia elétrica SIM SIM
Recarrega as baterias a partir de tomadas externas e tem uma
autonomia de pelo menos 35 quilômetros utilizando somente
eletricidade.
SIM
TECNOLOGIAS VEICULARES
Velocidade (rpm) Velocidade (rpm)
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Torq
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Velocidade (rpm) Velocidade (rpm)
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Torq
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Veículos Elétricos Híbridos: MCI
• Busca pela operação do MCI nas regiões mais eficientes.
• Representam 10% e 2,5% das vendas de veículos, respectivamente no Japão
e nos EUA.
TECNOLOGIAS VEICULARES
Veículos Elétricos Híbridos de Recarga Externa
• Aperfeiçoamento do conceito do VEH.
• Gerenciamento diferenciado de energia associado.
• 40-80 quilômetros somente no modo elétrico (PHEV-40).
• Tecnologia de bateria diferente de VEH.
• Promissores no médio prazo, mas com pouca comercialização.
Veículos Elétricos à Bateria
• Comerciais em pequena escala;
• Operam somente com energia elétrica;
• Mais eficientes;
• Custo e autonomia são desvantagens.
• Modelos menores
CENÁRIOS
Construção de Cenários de Consumo Energético:
1. Avaliar limites técnicos de eficiência, em MJ/km;
2. Validar metodologia comparando com Cenário de Referência;
3. Simular Políticas de Eficiência Energética
Limite Técnico I
• Em 2007 o consumo energético médio dos veículos leves foi 2,0 MJ/km (valor
ponderado pelos licenciamentos considerando os 18 modelos).
• Incluídos 6 modelos de VEH paralelo no ADVISOR, totalizando 24 modelos
simulados.
• O resultado forneceu um limite técnico de 1,4 MJ/km em 2030, considerando
vasta disseminação dos VEH
• Fator de aumento de eficiência em relação a 2007: 1,43
DESCRIÇÃO MCI ME
VEH Subcompacto Flexfuel Sim
VEH Compacto Flexfuel Sim
VEH Médio Flexfuel Sim
VEH Grande Flexfuel Sim
VEH Carga Flexfuel Sim
VEH Comercial Flexfuel Sim
Limite Técnico I
• Em 2007 o consumo energético médio dos veículos leves foi 2,0 MJ/km (valor
ponderado pelos licenciamentos considerando os 18 modelos).
• Incluídos 6 modelos de VEH paralelo e 2 modelos de VEB no ADVISOR,
totalizando 26 modelos simulados.
• O resultado forneceu um limite técnico de 0,66 MJ/km em 2030, considerando
vasta disseminação dos VEH e VEB.
• Fator de aumento de eficiência em relação a 2007: 3,0
DESCRIÇÃO MCI ME
VEH Subcompacto Flexfuel Sim
VEH Compacto Flexfuel Sim
VEH Médio Flexfuel Sim
VEH Grande Flexfuel Sim
VEH Carga Flexfuel Sim
VEH Comercial Flexfuel Sim
VEB Subcompacto Ímã Permanente
VEB Compacto Ímã Permanente
Cenário Base
• Validação do Cenário Base foram utilizados dados de dois estudos oficiais:
Plano Nacional de Energia 2030 (PNE 2030) e Plano Decenal de Expansão de
Energia 2008-2017 (PDEE 2008-2017).
• Os estudos oficiais assumem ganhos de eficiência de 0,7% ao ano até 2030,
considerando dois modelos de veículos passageiros e comercial.
• Desagregação não vai ao nível de modelos de veículos.
• Estimativa de emissões de GEE considerou a produção, transporte e uso do
combustível para álcool e gasolina.
• Em termos de área plantada as estimativas oficiais foram de 13,9 milhões de
ha voltados para produção de cana-de-açúcar, destes 8,3 milhões para etanol
(consumo interno e exportação).
Cenário Base
Estimativas de Uso de Combustíveis no horizonte 2007-2030
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Álcool Hidratado
Álcool Anidro
Gasolina A
Área Plantada de Cana
Cenário Base
Cana-de-açúcar representa 3,2% da área plantada no Brasil.
Há ainda a possibilidade de obter mais terra para agricultura a partir do
aprimoramento da pecuária (GOLDEMBERG et al., 2008).
Portanto, existe espaço para crescimento da área plantada voltada à cana-de-
açúcar no Brasil
Considerando as mesmas premissas do estudo PDEE 2008-2017 o erro entre
as estimativas de consumo de álcool hidratado foi de 5% e gasolina C foi de 1%.
Cenário I: Indices Mínimos de Eficiência
Cenário dividido em dois:
1. Não considera efeito de mudança de estrutura de licenciamentos de
veículos;
2. Inclui na análise a simulação de mudança na estrutura de licenciamentos de
veículos.
Cenário I: Indices Mínimos de Eficiência
CENÁRIO IA:
1. Limitação das mudanças incrementais após 2020 de acordo com critérios
técnicos.
2. Redução de massa: substituiçáo de materiais, por exemplo, aço por alumínio
no MCI.
3. Coeficiente Aerodinâmico: tem-se verificada redução do coeficiente
aerodinämico em VL no mundo. Média do Brasil 0,33, veículos mais moderno
sáo comercializados com cx = 0,27.
4. Redução da Resistëncia de Rolamento dos pneus: estudo dos EUA mostra
que reduçòes de até 15% sáo factiveis.
5. Aumento da eficiência do MCI: dezenas de tecnologias aplicáveis a MCI
permitem atingir 15% de aumento de eficiência no MCI.
MUDANÇAS INCREMENTAIS CATEGORIAS ANO 2007
ANO 2015
ANO 2020
Subcompacto, Compacto, Carga
0,0 -5,0 -10,0
Redução de Massa a
Médio, Grande, Comercial
0,0 -10,0 -20,0
Redução do Coeficiente Aerodinâmico
b
Todos 0,0 -10,0 -20,0
Redução da Resistência de Rolamento dos Pneus
c
Todos 0,0 -7,5 -15,0
Aumento de Eficiência no Motor d Todos 0,0 +7,5 +15,0
Fontes: a AN et al. (2001);
b,c KASSERIS (2006),
b,c,d DOT (2008),
b WEISS (2000),
c TRB
(2006).
Cenário I: Indices Mínimos de Eficiência
CENÁRIO IB:
1. Limitação das mudanças incrementais após 2020 de acordo com critérios
técnicos.
2. Mesmas considerações técnicas do cenário anterior, todavia inserindo
variação da estrutura da frota para o ano com vendas mais favoráveis a
eficiencia energética do histórico.
MUDANÇAS INCREMENTAIS CATEGORIAS ANO 2007
ANO 2015
ANO 2020
Subcompacto, Compacto, Carga
0,0 -5,0 -10,0
Redução de Massa a
Médio, Grande, Comercial
0,0 -10,0 -20,0
Redução do Coeficiente Aerodinâmico
b
Todos 0,0 -10,0 -20,0
Redução da Resistência de Rolamento dos Pneus
c
Todos 0,0 -7,5 -15,0
Aumento de Eficiência no Motor d Todos 0,0 +7,5 +15,0
Fontes: a AN et al. (2001);
b,c KASSERIS (2006),
b,c,d DOT (2008),
b WEISS (2000),
c TRB
(2006).
Cenário II: Simulação Programa Top Runner
CENÁRIO IB:
1. O Programa Top Runner utiliza, como valor base, o valor do produto no
mercado com a maior eficiência, em termos de consumo energético
2. Naturalmente, as metas dos valores padronizados são extremamente altas
3. Segundo METI (2008), o aumento de eficiência esperado entre 1995 e 2010
em veículos à gasolina no Japão era de 22,8%, contudo o mesmo valor de
aumento de eficiência foi constatado cinco anos antes do prazo estimado
(período de 1995 a 2005).
4. Escolhidos os veículos mais eficientes em cada categoria de acordo com o
Programa de Etiquetagem Brasileiro (PEB).
5. Simulada pequena entrada de VEH configuração paralela na frota brasileira
a partir de 2020.
CATEGORIA TOP RUNNER
VLP Subcompacto Fiat Way Economy 1,0 Flex a
VLP Compacto Volkswagen Gol 1,0 a
VLP Médio Honda Civic 1,8 a
VLP Grande VLP Grande Padrão 2,3
VL de Carga Fiat Strada Nova Trekking 1,4 a
VL de Carga VL de Carga Padrão 2,4
VL Comercial VL Comercial Padrão 1,6 a Obtidos em INMETRO (2010)
Cenário I: Resultados
CENÁRIO I:
1. Comparado ao Cenário Base, o consumo de gasolina C em 2030 se reduz
entre 9% e 14% e o de álcool entre 9% e 10%.
2. A redução de 9% nos consumos de gasolina C e álcool em 2030 representa
a simulação do Cenário IA
3. As reduções de 14% e 10% no consumo de álcool hidratado em 2030
representam a simulação do Cenário IB.
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Cenário I: Resultados
Cenário I.A, evita-se 81 Mt of CO2eq, o que seria equivalente a 1,7 vezes as
emissões do Ano Base 2007;
• Cenário I.B, evita-se 117 Mt of CO2eq, o que seria equivalente a 2,4 vezes as
emissões do Ano Base 2007.
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Linha de Base
Cenário IA
Cenário IB
% Cenário IA
% Cenário IB
Cenário I: Resultados
A estimativa de área plantada no Cenário Base em 2030 foi de 10,1 milhões
de ha somente para atender a demanda interna de álcool etílico combustível.
• O Cenário IA permite uma redução de 0,87 milhões de ha de área plantada
em 2030.
• O Cenário IB, a redução em termos de área plantada foi de 1,04 milhões de
ha se comparado à estimativa do Cenário Base em 2030, o que representa
41% da área plantada de cana de açúcar no Ano Base 2007
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Linha de Base
Cenário IA
Cenário IB
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Cenário II: Resultados
CENÁRIO II:
1. Consumo de Gasolina C : inalterado, em torno de 24 bilhões de litros
2. Consumo de Álcool Hidratado: redução de 17% no consumo em 2030
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Linha de Base
Cenário II
% Cenário II
Cenário II: Resultados
Política similar ao Top Runner japonês reduziria em 20% as emissões de
GEE dos veículos leves brasileiros, quando comparadas às emissões do
Cenário Base, em 2030
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Linha de Base
Cenário II
% Cenário II
Cenário II: Resultados
Redução de área plantada de cana-de-açúcar em 2030 alcança 1,82 milhões
de ha (equivalente a 71% da área plantada em 2007 ou a 16% da área
plantada em 2030, conforme o Cenário Base).
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Cenário II
% Cenário II
Resultados
Resumo
Descrição Base Cenário IA
Cenário IB
Cenário II
Área Plantada de Cana-de-açúcar em 2007 a 2,6 2,6 2,6 2,6
Área Plantada de Cana-de-açúcar em 2030 a 10,1 9,2 9,1 8,3
Área Adicional de Cana-de-açúcar in 2030 7,5 6,6 6,5 5,7
% Redução da Área Adicional de Cana-de-açúcar
0% 12% 14% 24%
a Somente para produção de álcool.
Conclusões
• O emprego de SDVL em estudos de políticas energéticas e/ou ambientais é
relativamente recente e promissor;
• Metodologia permite avaliar políticas de eficiência energética por meio da
difusão de tecnologias incrementais ou radicais de veículos leves;
• Opções tecnológicas incrementais de curto prazo x Trilema
• As atuais políticas para promoção do uso de biocombustíveis no Brasil,
combinadas com programas de eficiência energética veicular, formam uma
estratégia robusta para atender às questões presentes no trilema alimento,
energia e meio ambiente.
• Mais solo: permite até mesmo produzir mais etanol, se for este o caso...
• A metodologia contempla a possibilidade de obtenção das emissões de gases
poluentes locais, pois o ADVISOR permite estimar estes dados, lembrando
que meio ambiente não se restringe a GEE.
Conclusões
Estudos futuros:
• A inclusão de outros modelos de veículos leves
• Aquisição, em dinamômetro de chassi, de dados
referentes aos mapas de consumo específico e de
emissões de MCI flexfuel e gasolina
• Simular as emissões de poluentes locais
• Análise de custo benefício das tecnologias
• Aperfeiçoamento do ciclo de condução brasileiro, da curva
de sucateamento, do perfil de uso do veículo no Brasil
• Estrutura: incluir modais e transporte público
OBRIGADO