Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP Departamento ... · transferência de calor a partir...

Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP Departamento de Engenharia de Construção Civil

ISSN 0103-9830

BT/PCC/333

Vanessa Montoro Taborianski Racine T.A. Prado

São Paulo – 2003

Avaliação da contribuição das tipologias de aquecimento de água residencial para a

variação dos balanços de gases de efeito estufa na atmosfera

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia de Construção Civil Boletim Técnico – Série BT/PCC Diretor: Prof. Dr. Vahan Agopyan Vice-Diretor: Prof. Dr. Ivan Gilberto Sandoval Falleiros Chefe do Departamento: Prof. Dr. Alex Kenya Abiko Suplente do Chefe do Departamento: Prof. Dr. Orestes Marraccini Gonçalves Conselho Editorial Prof. Dr. Alex Abiko Prof. Dr. Francisco Ferreira Cardoso Prof. Dr. João da Rocha Lima Jr. Prof. Dr. Orestes Marraccini Gonçalves Prof. Dr. Paulo Helene Prof. Dr. Cheng Liang Yee Coordenador Técnico Prof. Dr. Alex Abiko O Boletim Técnico é uma publicação da Escola Politécnica da USP/ Departamento de Engenharia de Construção Civil, fruto de pesquisas realizadas por docentes e pesquisadores desta Universidade. O presente trabalho é parte da dissertação de mestrado apresentada por Vanessa Montoro Taborianski, sob orientação do Prof. Racine Tadeu Araújo: “Avaliação da contribuição das tipologias de aquecimento de água residencial para a variação do estoque de gases de efeito estufa na atmosfera.”, defendida em 12/09/2002. A íntegra da dissertação encontra-se à disposição com o autor e na biblioteca de Engenharia Civil da Escola Politécnica/USP.

FICHA CATALOGRÁFICA

Taborianski, Vanessa Montoro Avaliação da contribuição das tipologias de aquecimento de água residencial para a variação dos balanços de gases de efei- to estufa na atmosfera / V.M. Taborianski, R.T.A. Prado. – São Paulo : EPUSP, 2003. 22 p. – (Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP, Departamento de Engenharia de Construção Civil, BT/PCC/333) 1. Instalações prediais hidráulicas e sanitárias 2. Sistemas de aquecimento de água (Uso residencial) I. Prado, Racine Ta- deu Araújo II. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia de Construção Civil III. Título IV. Série ISSN 0103-9830 CDU 696.11/.14 696.4

1. Introdução

A revolução industrial trouxe, ao mundo contemporâneo, novas máquinas que

substituíram muitos trabalhos manuais. Junto com essas máquinas surgiram, no decorrer

dos anos, aparelhos e equipamentos que melhoraram a qualidade de vida das pessoas.

Entretanto, essa nova tecnologia necessitava de alguma forma de energia para seu

funcionamento. Os combustíveis fósseis e a energia elétrica foram os energéticos

escolhidos para tal finalidade. Essa nova perspectiva fez com que o consumo energético

crescesse exponencialmente. Segundo Martins (1999) no último século o homem médio

consumiu mais energia do que em toda a história da humanidade.

A indústria da construção civil é uma das principais fontes emissoras de

poluição devido ao alto consumo de energia em seu ciclo de vida. Conforme

Goldemberg (1998) as casas e edifícios (residenciais e comerciais) utilizam uma

quantidade substancial da energia não apenas enquanto estão sendo construídos mas

também para o funcionamento de seus equipamentos de aquecimento, refrigeração,

iluminação e utensílios, etc. Os processos de construção e operação dos edifícios foram

responsáveis por um terço do consumo total de energia em 1992; 26% desta quantidade

eram devidos à queima de combustíveis fósseis, Filippín (2000).

Dentro desse contexto, faz-se necessário estudar o impacto ambiental dos

sistemas de aquecimento de água, pois esta é uma das atividades que mais requerem

energia dentro dos edifícios. Segundo Prado; Gonçalves (1998) o aquecimento de água

realizado por chuveiros elétricos é responsável por aproximadamente 46,7% da

demanda de energia, durante 18 e 19 horas, no Brasil.

Um outro agravante para o consumo de energia pelos sistemas de aquecimento

de água é o uso extensivo de chuveiros elétricos no Brasil. No universo brasileiro, o

chuveiro elétrico provoca tanto um impacto ambiental, contribuindo com o aumento do

efeito estufa, como um impacto econômico, pois sobrecarrega a rede de transmissão de

energia elétrica nos horários de pico, isto é, entre 6 e 8 horas e 18 e 21 horas. Além

disso, a vazão obtida em um aquecedor a gás ou aquecedor solar é maior e resulta em

um banho mais confortável para o usuário.

Como se vê, o elevado consumo de energia tende a ser uma grande fonte de

preocupação mundial não só pelo esgotamento das fontes não-renováveis, mas também

pelo crescimento da emissão de poluentes no meio ambiente. Segundo Flavin (1990) os

sistemas de geração de energia são responsáveis por mais da metade do efeito estufa,

liberando não somente 21 bilhões de toneladas de dióxido de carbono na atmosfera

anualmente como também substanciais quantidades de dois outros importantes gases

de efeito estufa, o metano e o óxido de nitrogênio. O carbono contido nos combustíveis

fósseis fornece quase quatro quintos da energia mundial e seu uso contínuo cresce 3%

anualmente.

O principal problema ambiental causado pelo excesso de carbono na atmosfera é

o efeito estufa que tende a provocar um aumento da temperatura média do planeta, com

conseqüências catastróficas para o meio ambiente.

Atualmente a indústria da construção civil também tem se preocupado com as

questões ambientais. Para que um edifício seja considerado ecologicamente correto é

essencial que sejam avaliados os impactos ambientais de todas as suas partes

constituintes. Sob este aspecto, a Análise do Ciclo de Vida (LCA) é uma ferramenta

importante para avaliar as edificações. A Análise do Ciclo de Vida (LCA) é uma

metodologia que surgiu na década de 60 voltada, inicialmente, para produtos industriais

com tempo de vida de semanas ou meses e que tem sido adaptada para a indústria da

construção.

2. Descrição dos sistemas analisados

Segundo Ilha et al. (1996) a geração de água quente consiste no processo de

transferência de calor a partir de uma fonte energética para obtenção de água a uma

dada temperatura, podendo haver reservação do volume a ser aquecido ou não.

Os sistemas de aquecimento de água não se limitam somente ao aquecedor, eles

compõem-se também das tubulações, dos registros, das válvulas e dos acessórios. Desse

modo, a análise do ciclo de vida para estes sistemas é mais complexa pois envolve

vários equipamentos com diversos tipos de materiais.

Outro aspecto que deve ser destacado é que o tipo de sistema e a quantidade de

material empregada em um sistema de aquecimento de água variam conforme o tipo de

habitação adotado. Por um lado, de acordo com o projeto arquitetônico, pode-se optar

por alguns tipos de sistemas de aquecimento, dentre os existentes, sendo que outros

fatores como sociais, econômicos ou mesmo climáticos, tem papel fundamental na

escolha do sistema de aquecimento de água a ser empregado. Por outro lado, conforme a

distribuição arquitetônica tem-se caminhamentos diferentes para a tubulação, a

localização da caixa d’água e o emprego de certos acessórios hidráulicos. Desse modo,

um estudo comparativo, entre diversas tipologias de aquecimento de água, só se justifica

com a adoção de um mesmo modelo arquitetônico para os diversos sistemas. Além

disso, a mudança do sistema de aquecimento requer modificações não só nas instalações

hidráulicas, mas também nas instalações elétricas da habitação adotada.

Sendo assim, para a realização desse estudo, foi necessário escolher um modelo

de habitação para analisar as alternativas de sistemas de aquecimento de água.

Consultou-se a CDHU – Companhia de Desenvolvimento da Habitação Urbana - que é

uma empresa pública responsável pela construção de habitações populares do Estado de

São Paulo e decidiu-se por uma tipologia oferecida por esta companhia. Escolheu-se

uma habitação térrea formada por dois quartos, um banheiro, sala e cozinha.

Logo após, definiu-se que os sistemas utilizados neste estudo seriam o chuveiro

elétrico, o aquecedor a gás de passagem e o aquecedor solar.

O chuveiro elétrico é um pequeno aparelho revestido de material metálico ou de

plástico. Dentro do chuveiro tem-se uma resistência elétrica que é ligada

automaticamente pelo próximo fluxo de água. O usuário pode alterar a temperatura do

jato de água através de uma chave situada no topo do chuveiro que, dependendo do

modelo, possui várias posições, as quais regulam a resistência do mesmo.

No projeto considerou-se o uso de um chuveiro elétrico de 220 V, com potência

de 5.200 W e resistência blindada, por ser este um aparelho que fornece uma boa

qualidade de banho e segurança para o usuário.

Ao se utilizar um chuveiro elétrico como aparelho aquecedor de água para

banho, há um grande aumento na potência de energia demandada pela habitação. Desse

modo, houve necessidade de fornecimento bifásico e utilização de diâmetros maiores

para o cabo de cobre para isolação, para o condutor terra, na entrada de energia, e para

os eletrodutos. Além disso, foi necessário prever um circuito para abastecer o chuveiro

elétrico.

Para o aquecimento a gás, utilizou-se um aquecedor instantâneo, onde a água

aumenta sua temperatura, por condução, à medida que passa pela serpentina de cobre,

sem requerer acumulação. Por ser uma habitação popular e projetada para abrigar um

pequeno número de moradores, o modelo utilizado, nesse estudo, foi um aquecedor com

vazão de água de 12 L/min.

Outra característica do projeto do sistema por aquecedor a gás foi o uso de tubos

de CPVC para a tubulação de água quente com a finalidade de reduzir o custo das

instalações. Foram utilizadas tubulações metálicas apenas para a distribuição do gás até

o aparelho.

Nesse sistema, supôs-se que o aquecedor a gás, tanto a gás natural quanto a GLP

(gás liquefeito de petróleo), não utiliza eletricidade, pois se considerou que, no modelo

escolhido, não havia nem sensores e nem ignição eletrônicos. Desse modo, o

fornecimento pode ser monofásico e as fiações, com diâmetros menores.

Para o aquecimento solar, utilizaram-se coletores planos, sendo necessário uma

área total de 2 m2 para este modelo de residência. A radiação é captada nas horas de

insolação, convertida em calor e transferida para a água, sendo esta armazenada para

utilização, quando necessário. Em situação decorrente de vários dias sem insolação ou

com insolação insuficiente recorre-se a um aquecedor auxiliar que utiliza energia

elétrica para suprir eventuais necessidades. Esta energia auxiliar é composta por uma

resistência de 2000 W localizada no interior do tanque de armazenamento da água

quente. Neste caso, utilizou-se um sistema de reservação contendo um boiler cilíndrico

de aço inoxidável com capacidade para 200 L.

Utilizaram-se tubos de cobre para a rede de água quente, isto porque no sistema

solar a temperatura da água quente pode ultrapassar a temperatura máxima de suporte

dos tubos plásticos.

3. Metodologia

A metodologia para análise da contribuição para o efeito estufa dos sistemas de

aquecimento de água foi baseada na Análise de Ciclo de Vida (ACV).

3.1. Análise do Ciclo de Vida dos Sistemas de Aquecimento de Água

A ACV é uma metodologia utilizada na avaliação dos efeitos ambientais de um

produto, processo ou atividade ao longo de todo o seu ciclo de vida. Segundo o Grupo

de Prevenção da Poluição da Escola Politécnica da USP (2001) a metodologia da ACV

é composta de quatro partes:

• definição de metas e escopo;

• inventário de ciclo de vida;

• análise de impactos, e

• interpretação.

3.1.1. Definição de Metas e Escopo

A proposta desta ACV é avaliar comparativamente a contribuição para o

aquecimento global dos sistemas de aquecimento de água, através de chuveiros

elétricos, aquecedores solares, a gás natural e a GLP, de uma habitação modelo durante

20 anos. Optou-se por um indicador de efeito estufa para medir a variação de estoque

desses gases na atmosfera. Espera-se com isso que esse estudo possa contribuir para a

criação de políticas efetivas de preservação do meio ambiente pelas indústrias e pelas

autoridades nacionais.

A função deste sistema é aquecer água para banho. Desse modo, definiu-se

como unidade funcional o número de banhos ocorridos durante os 20 anos, ou seja,

29.200 banhos. Adotaram-se banhos com duração de 7 minutos e com vazão de 0,20

L/s.

O tempo de estudo foi definido de 20 anos pois se considerou que as tubulações

e os aquecedores a gás e solar tinham esse mesmo tempo de vida. Desse modo, foi

necessário apenas fazer a troca do chuveiro elétrico e das resistências elétricas durante

esse período. Para se calcular o número de vezes que o chuveiro elétrico e as

resistências devem ser trocadas utilizou-se a seguinte fórmula, Adalberth (1997):

Tempo de vida da construção – 1 (1) Tempo de vida do material

Sendo assim, como o chuveiro elétrico tem um tempo de vida aproximado de 10

anos, o número de trocas será 1 vez. Para a resistência elétrica do chuveiro e do

reservatório de água quente do sistema solar temos um tempo de vida de 5 anos, o que

nos fornece 3 trocas de resistência.

Inicialmente propô-se um fluxograma com as entradas e saídas do ciclo de vida

para os sistemas de aquecimento de água. Entretanto devido à dificuldade na obtenção

de dados das empresas envolvidas nesses processos, optou-se por estudar somente os

estágios de mineração, processo de transformação e uso. Como dado de entrada

considerou-se somente a energia gasta nesses estágios e, como dado de saída, somente

as emissões atmosféricas relacionadas ao aquecimento global. O fluxograma é mostrado

na figura 1. As fronteiras para esses sistemas estão quadriculadas.

MINERAÇÃO

PROCESSO DE TRANSFORMAÇÃO

Energia FABRICAÇÃO E Emissões Atmosféricas MONTAGEM

Materiais INSTALAÇÃO Resíduos

USO Efluentes

DISPOSIÇÃO

FINAL

Figura 1: Fluxograma do ciclo de vida dos sistemas de aquecimento de água.

Nos estágios de mineração e transformação também foi necessário selecionar os

materiais que seriam estudados. Decidiu-se analisar os materiais que, por sua

quantidade presente nos sistemas, fossem relevantes para o resultado final da pesquisa.

Outro ponto que deve ser observado é que foram feitas algumas simplificações

para o estudo desses estágios. Em primeiro lugar, considerou-se a mesma composição

química para o PVC e o CPVC, pois este último é um composto do PVC, utilizado nas

tubulações de água quente, em que são incorporados aditivos para se obter resistência a

temperaturas maiores de 70 °C. Em segundo lugar, não se estimou a energia gasta para

fabricação da nafta, no processo de transformação do PVC. Supôs-se somente a energia

gasta no refino do petróleo e a energia necessária para a fabricação do eteno e do cloro.

Além disso, considerou-se que o aço galvanizado utilizado nesses sistemas

contém 98,99% de ferro gusa, 0,01% de carbono, 0,5% de manganês e 0,5% de silício e

que o ferro galvanizado contém 95,2% de ferro gusa, 2,5% de carbono, 1,5% de silício e

0,8% de manganês. Finalmente, como a indústria do aço é bastante complexa, decidiu-

se considerar somente a quantidade de energia gasta na extração do minério de ferro, na

transformação do minério de ferro em ferro metálico e na siderurgia do aço,

desconsiderando a energia empregada na fabricação do ferro gusa e na mineração dos

materiais adicionados na fabricação do mesmo (minério de manganês, calcário, etc).

Considerou-se que a composição do latão utilizado nos sistemas de aquecimento

de água é de 67% de cobre e 33% de zinco e do bronze é de 82% de cobre, 8% de zinco,

7% de chumbo e 3% de estanho.

Outro aspecto que deve ser ressaltado é que o mercado de chumbo, no Brasil,

apresenta excelente reciclagem, especialmente de baterias automotivas, da ordem de

90%. Desse modo, considerou-se que, somente no caso do chumbo, todo o chumbo

utilizado nos sistemas de aquecimento de água vem da reciclagem deste produto.

3.1.2. Inventário de Ciclo de Vida

Nesta fase foi avaliada a quantidade de poluentes, que contribui para o aumento

do efeito estufa, emitida pelas usinas geradoras de energia elétrica. A seguir são

apresentadas as etapas para o cálculo do potencial de aquecimento global produzido

pelos sistemas de aquecimento de água.

Etapa 1 – Cálculo da energia final consumida em cada sistema

A energia final consumida foi quantificada para cada tipologia de aquecimento

de água e para cada fase do ciclo de vida. Para isso, adotaram-se os valores indicados

em Bermann (1991) e calculou-se a quantidade de energia elétrica gasta na produção

dos materiais constituintes de cada sistema.

Por sua vez, a energia elétrica brasileira é essencialmente de origem hídrica.

Mais de três quartos são gerados por este tipo de usina. O restante divide-se em

termelétricas a carvão, a gás natural, óleo combustível, óleo diesel, usina nuclear e

alguns outros materiais utilizados como energéticos, como lenha e bagaço de cana. A

figura 2 mostra a porcentagem de energia elétrica gerada no Brasil.

Esse sistema de geração de energia é subdividido em três sistemas:

• sistema isolado;

• sistema interligado sul/sudeste/centro-oeste, e

• sistema interligado norte/nordeste.

O sistema isolado é representado por pequenas usinas, geralmente termelétricas,

situadas principalmente na região norte do país e utilizadas para produção de energia em

uma pequena área.

Os sistemas interligados são assim denominados porque podem fornecer energia

para toda a região interligada e não só nas proximidades de sua localização. Além disso,

quando uma usina não produz eletricidade suficiente para atender a demanda local, a

energia produzida por outras usinas é retransmitida para os locais com pouca produção.

88,1

2,3 1,9 0,6 1,2 2,2 3,7

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Con

trib

uiçã

o (%

)

Geração de Energia Elétrica no Brasil

HidráulicaÓleo combustívelÓleo dieselGás naturalNuclearCarvão vaporOutras

Fonte: Baseado no Balanço Energético Nacional (2000).

Figura 2: Geração de energia elétrica no Brasil, em %.

Segundo Fadigas1 a partir do ano de 1998 o sistema sul/sudeste/centro-oeste

passou a ser interligado também com o sistema norte/nordeste. A grande vantagem

dessa interligação é que o país consegue atender 30% a mais da demanda de energia do

que seria capaz somente com sistemas isolados.

Outra característica do sistema energético brasileiro é que, devido à interligação

entre os sistemas, não é possível definir com exatidão onde foi gerada a energia

consumida em uma localidade. 1 FADIGAS, E. (Escola Politécnica da USP, São Paulo). Comunicação verbal, 2001.

Por sua vez, antes da crise energética de 2001, as termelétricas geralmente

funcionavam apenas em épocas de baixa de água nos reservatórios das hidrelétricas,

com o objetivo de suprir o fornecimento de eletricidade. Entretanto, elas poderão entrar

em funcionamento contínuo com o aumento do consumo de energia.

Consideraram-se, também, as perdas na distribuição da energia elétrica. No

Brasil, segundo Reis2, as perdas de eletricidade nas linhas de transmissão estão entre 6 e

10%. Nesse trabalho, optou-se por adotar o valor médio de 8%.

Deve-se observar que na natureza os metais se encontram na forma de minérios

que contém uma quantidade, geralmente, pequena de metais. A tabela 1 fornece a

quantidade de matéria prima considerada em cada mineral ou produto.

Tabela 1: Quantidade de metal contido, no Brasil, em algumas matérias primas.

Material Quantidade de metal contido

Cromo 10 kg de cromo para cada tonelada de cromita

Níquel 16 kg de níquel para cada tonelada de minério de níquel

Zinco 35 kg de zinco para cada tonelada de minério de zinco

Estanho 0,5 kg de estanho para cada tonelada de cassiterita

Aço

Cobre

Alumínio

Eteno

Vidro

0,6 tonelada de aço para cada tonelada de minério de ferro

9 kg de cobre para cada tonelada de minério de cobre

5 toneladas de bauxita para cada tonelada de alumínio

0,03 tonelada de eteno para tonelada de petróleo

1,42 toneladas de vidro para cada tonelada de areia

Em relação à fabricação do vidro, decidiu-se fazer as considerações levando-se

em conta somente a quantidade de areia necessária, pois 70% da matéria prima utilizada

é areia.

Para avaliação da quantidade de energia gasta, em cada sistema, para estes

estágios do ciclo de vida, utilizaram-se os dados obtidos Bermann (1991) e os

fornecidos por Takano3. A tabela 2 mostra esses valores.

Devido ao fato da energia ser fornecida por tonelada de material, foi necessário

obter a massa de cada material. Essa obtenção de massa foi realizada de duas maneiras.

Primeiramente, contataram-se as empresas fabricantes de cada equipamento para que

2 REIS, L. B. (Escola Politécnica da USP, São Paulo). Comunicação verbal, 2002. 3 TAKANO, C. (Escola Politécnica da USP, São Paulo). Comunicação verbal, 2002.

elas fornecessem a massa de cada material constituinte do mesmo. A seguir,

desmontaram-se os equipamentos que não tiveram sua massa informada pelas empresas

e pesaram-se seus materiais constituintes. Por fim, contabilizou-se a quantidade de

matéria prima de cada sistema de aquecimento de água.

Tabela 2: Consumo de eletricidade para alguns processos industriais.

Processo Consumo de eletricidade

(kWh/t)

Mineração em geral

Refino da alumina

100

350

Siderurgia do alumínio 16000

Siderurgia do cobre eletrolítico 300

Siderurgia do vidro

Transformação do minério de ferro em ferro metálico

Siderurgia do aço (de ferro metálico para aço)

495

2800

500

No caso do estágio de uso dos sistemas de aquecimento de água a gás, definiu-se

que o consumo de gás natural e GLP, nos aquecedores a gás, era o valor indicado no

catálogo de um fabricante de aquecedores.

Para o estágio de transporte contabilizaram-se as distâncias entre as minas de

extração e as siderúrgicas e entre as siderúrgicas e a cidade de São Paulo. Desse modo,

definiu-se o gasto de óleo diesel, se o transporte é feito por caminhões, e de energia

elétrica e óleo combustível, no caso de transporte ferroviário. Além disso, foram feitas

as seguintes considerações gerais, baseadas em Teixeira; Bizzo (2000):

• não foram considerados os trajetos de retorno dos meios de transportes;

• não foram considerados os gastos e emissões referentes à manutenção dos meios de

transporte;

• na caracterização do óleo diesel foram adotados os seguintes valores: PC = 45008

kJ/kg – peso específico = 852 kg/m3.

• a frota de caminhões foi homogeneizada como trucks de 14 t;

• o consumo de óleo diesel, no transporte por ferrovias, é de 425 km.t/L;

• para ferrovia a eletricidade, foi adotado o valor de 0,0325 kWh/km.t;

• para o transporte marítimo foi adotado o consumo de 0,20 MJ/km.t;

• o consumo de diesel no transporte rodoviário foi dado pela equação 1, modelo

representando o consumo apresentado por caminhões truck de 20 t rodando em

estradas brasileiras;

CaespC 0096,1*2487,0= (21)

Onde:

Cesp=consumo específico de diesel (L/km);

Ca=carregamento do caminhão (t), sendo o mínimo 0 e o máximo 14.

Para contabilizar a distância percorrida pelos meios de transporte no ciclo de

vida foi necessário estudar quais eram as empresas responsáveis pela extração e

siderurgia de cada matéria prima e onde elas se localizavam. Esses dados foram obtidos

no Sumário Mineral Brasileiro 2000, na ABM (Associação Brasileira de Metalurgia e

Materiais) e nas associações brasileiras de cada matéria prima (ABAL, PROCOBRE,

etc).

Etapa 2 – Cálculo das emissões de poluentes

Nesta etapa forma calculadas as emissões dos principais gases causadores do

efeito estufa (CO2, CH4, N2O). Foi necessário definir uma metodologia diferente para

estudar a emissão fornecida na geração de energia elétrica por hidrelétricas e

termelétricas.

Para uma usina hidrelétrica, primeiramente definiu-se a relação entre a área

alagada para construção dos reservatórios e a capacidade de geração de energia da

maioria das usinas brasileiras. A relação média obtida foi de 0,416 km2/MW. Esse dado

permitiu saber qual a quantidade de terras alagadas para fornecer a energia elétrica

necessária em cada fase do ciclo de vida.

Entretanto, Martins (1999) observa que no caso de geração de energia elétrica,

na maioria dos países é difícil saber exatamente de onde ela vem, já que em um sistema

em rede, todas as geradoras estão interligadas e em alguns casos fica difícil de se

determinar se a energia elétrica com a qual se está trabalhando é proveniente de uma

termelétrica a carvão ou de uma hidroelétrica. Diante desse fato, foi necessário

considerar a contribuição de cada fonte de energia, mostrada na figura 2, para a

contabilização da energia gasta em cada sistema.

Para definir-se a quantidade de CO2 não capturada devido ao alagamento de

áreas verdes para a construção dos reservatórios das hidrelétricas utilizou-se os dados

encontrados em Grace et al. (1995), segundo o qual cada km2 de florestas tropicais

primitivas destruídas deixam de capturar 100 toneladas de carbono por ano4.

As represas das hidrelétricas também podem emitir dióxido de carbono pela

difusão do gás na água em direção à superfície e metano pela difusão e por bolhas

geradas na decomposição do sedimento no fundo do lago. Santos (2000) mediu as taxas

de emissão de CO2 e CH4 nos reservatórios de sete usinas brasileiras Desse modo,

utilizou-se a média desses valores, sendo de 4765 kg CO2/km2.dia e de 91 kg

CH4/km2.dia.

No caso de usinas termelétricas foram considerados como energéticos o carvão,

o gás natural, o óleo combustível e o óleo diesel. Para efeito da contribuição na parcela

de energia elétrica produzida foi utilizada, também, a porcentagem de eletricidade

fornecida em cada tipo de termelétrica, na matriz energética brasileira. Cabe ressaltar

que a quantidade de carbono emitida pelas termelétricas depende do tipo de combustível

utilizado e da eficiência da combustão do energético, sendo que 1 kg de carbono produz

3,67 kg de dióxido de carbono, segundo a secretaria executiva da Petrobrás5. Para a

emissão de carbono por termelétricas, utilizaram-se os dados da tabela 3.

Tabela 3: Emissões de carbono para diversos tipos de termelétricas.

Tecnologia Emissões específicas

(kg carbono/MWh)

Carvão – Ciclo Vapor 360

Óleo Combustível – Ciclo Vapor 238

Gás Natural – Ciclo Combinado 110

Fonte: CENBIO (2000).

4 Nos vegetais o carbono é transformado em carboidrato e incorporado em sua biomassa. Desse modo, florestas jovens capturam mais carbono do que florestas antigas. Para florestas tropicais em crescimento, Flavin (1990) utiliza o valor de 550 toneladas de carbono/ano.km2. 5 Comunicação via correio eletrônico.

Em relação à quantidade de poluentes emitida pelas usinas nucleares considerou-

se que elas não emitem gases que contribuem para o efeito estufa.

As emissões de CH4 obtidas, por escape, na exploração, armazenamento e

transporte do gás natural são chamadas de emissões fugitivas de metano. No entanto,

não se consideram as emissões fugitivas na fase de exploração e produção. Supõe-se

que todo o CH4 que não é reinjetado ou utilizado comercialmente é queimado no

"flare"6, e desta forma se torna CO2. Assim, para efeito de cálculo, considera-se que as

emissões fugitivas acontecem no transporte do gás natural, através de pequenos

vazamentos nas juntas existentes nas tubulações e seus componentes.

Para este trabalho considerou-se 4,7% de emissões fugitivas de metano, valor do

ano de 1999, obtido em dados da CEG7 e que as perdas ocorrem somente no transporte

do gás para ser utilizado como combustível no aquecedor a gás.

Para o estágio de transporte, adotou-se a emissão de 3,198 kg de CO2 por kg de

óleo diesel consumido, Teixeira; Bizzo (2000).

Para o estágio de uso dos sistemas de aquecimento de água a gás adotou-se que a

combustão do GLP emite 0,057 kg de carbono por kg de gás e a combustão do gás

natural, 0,055 kg de carbono por kg de gás.

Não foram consideradas as emissões de N2O porque, apesar dessas emissões

serem significativas devido ao fato do N2O ter um fator potencial de efeito estufa 296

vezes maior do que o do CO2, não há ainda um grande conhecimento sobre as

verdadeiras fontes emissoras desse gás.

3.1.3 Análise de Impactos

Na análise de impactos quantificou-se, por meio do cálculo do indicador de

efeito estufa, a poluição gerada em todas as fases do ciclo de vida de cada sistema de

aquecimento de água.

O indicador de aquecimento global de cada sistema é dado pela seguinte

equação:

6 O “flare” é um dispositivo constantemente aceso que queima gás quando ocorre algum problema durante a produção da refinaria. 7 Companhia Distribuidora de Gás do Rio de Janeiro.

∑=

=ONCHCOi

iiPAGEE mFI242 ,,

. (2)

Em que:

IEE: indicador de efeito estufa (kg equivalente de CO2);

mi: massa do gás (kg), e

FPAG: Fator potencial de aquecimento global, dado a partir da tabela 4.

Tabela 4: Fator de equivalência para o efeito estufa global.

Fórmula Substância FPAG

CO2 Dióxido de carbono 1

CH4 Metano 23

N2O Óxido nitroso 296

Fonte: IPCC (2001).

4. Resultados obtidos

Os dados inicialmente considerados para os sistemas de aquecimento de água

foram:

• vazão da água = 0,20 L/s;

• potência do chuveiro elétrico= 5200 W;

• aquecedor de passagem a gás de 12 L.

• tempo de banho= 7 minutos;

• número de pessoas= 4;

• temperatura inicial da água= 18 °C;

• temperatura final da água= 38 °C;

• potência da resistência elétrica do reservatório de água quente= 2000 W;

• coeficiente de perda de calor no reservatório de água quente= 3,26 W/°C

• porcentagem de uso da resistência elétrica do aquecedor solar= 23%;

• rendimento dos sistemas= 80%, e

• período de tempo analisado= 20 anos.

A tabela 5 mostra os resultados obtidos quanto à energia elétrica utilizada nos

sistemas, a emissão de carbono por termelétricas e a quantidade de carbono que deixa

de ser capturada pelo alagamento de áreas verdes para a construção dos reservatórios

das hidrelétricas.

Tabela 5: Inventário dos ciclos de vida

Tipo de aquecimento de água: chuveiro elétrico Estágio

Energia empregada

(kWh) Emissão de CO2

(kg) Emissão de CH4

(kg) CO2 não capturado

(kg) Mineração 28 43 1 9

Transformação 138 210 4 42 Transporte 0 6.950 0 0

Uso 3.798 10.707 106 1.166 Total 3.964 17.910 111 1.217

Tipo de aquecimento de água: aquecedor a gás natural Estágio

Energia empregada






Uso 0 684 140 0 Total 324 6.387 149 100

Tipo de aquecimento de água: aquecedor a gás GLP Estágio

Energia empregada






Uso 0 1.019 0 0 Total 324 6.722 9 100

Tipo de aquecimento de água: aquecedor solar Estágio

Energia empregada






Uso 874 2.464 24 268 Total 1.416 8.338 39 434

Do mesmo modo, a tabela 6 apresenta os valores do indicador de efeito estufa.

Tabela 6: Indicadores de efeito estufa para os diversos sistemas.

Tipo de aquecimento: chuveiro elétrico Gases de efeito estufa GWP Contribuição (kg eq. de CO2)

CO2 1 17.909 CH4 23 2.534

Indicador de Efeito Estufa (kg eq. de CO2)= 20.443

Tipo de aquecimento: aquecedor a gás natural Gases de efeito estufa GWP Contribuição (kg eq. de CO2)

CO2 1 6.387 CH4 23 3.416


Tipo de aquecimento: aquecedor a gás GLP

Gases de efeito estufa GWP Contribuição (kg eq. de CO2) CO2 1 6.723 CH4 23 207


Tipo de aquecimento: aquecedor solar

Gases de efeito estufa GWP Contribuição (kg eq. de CO2) CO2 1 8.338 CH4 23 905


Com os resultados da tabela 5 é possível verificar que, para os aquecedores a

gás, o estágio que mais consumiu energia foi o processo de transformação, enquanto

que para o chuveiro elétrico e aquecedor solar foi o estágio de uso. Esse fato se deve ao

alto consumo de energia elétrica necessária ao funcionamento do chuveiro elétrico e da

resistência do reservatório de água quente do sistema solar, ocasionando uma taxa

elevada de emissões por meio das termelétricas e hidrelétricas. Por outro lado, o

aquecedor a gás, tanto através de GLP ou gás natural, não utiliza energia elétrica no

estágio de uso pois no modelo utilizado neste trabalho não se considerou o uso de timers

ou ignição eletrônica.

A emissão de dióxido de carbono através do chuveiro elétrico e do aquecedor

solar ocorre pela queima dos combustíveis fósseis (gás natural, óleo e carvão) para a

produção de energia elétrica em termelétricas e por meio da emissão de CO2 pelos

reservatórios das hidrelétricas.

Nos sistemas por aquecedor a gás e solar o estágio que mais emitiu CO2 foi o

transporte, devido ao extenso uso de óleo diesel, tanto para o transporte rodoviário

quanto para o ferroviário. No caso do chuveiro elétrico, o estágio que mais emitiu CO2

foi o uso.

Houve também uma grande emissão de CH4 pelo sistema por aquecedor a gás

natural por causa dos escapes de metano ocorridos na distribuição desse gás.

Os resultados da tabela 6 mostram que o sistema que mais contribui para o efeito

estufa é o tipo de aquecimento por chuveiro elétrico, seguido do aquecimento por

aquecedor a gás natural, aquecedor solar e a gás GLP.

Este fato se deve à alta demanda de energia elétrica necessária ao funcionamento

do chuveiro elétrico, ocasionando uma taxa elevada de emissões por meio das

termelétricas e hidrelétricas.

O sistema por aquecedor a gás natural também teve um indicador de efeito

estufa elevado, justamente devido aos escapes nas tubulações de distribuição de gás, isto

porque o CH4 tem um fator potencial de efeito estufa 23 vezes maior do que o do CO2.

Pode-se perceber, portanto, que o escape do metano proveniente do gás natural é

que têm contribuído para aumentar o efeito estufa desse tipo de aquecimento.

Entretanto, essas perdas têm diminuído ao longo dos anos, o que provavelmente

ocasionará a solução desse problema.

Do mesmo modo, o sistema por aquecedor solar teve um impacto para o efeito

estufa maior do que o gás GLP. Esperava-se que esse fosse o sistema com menor

impacto entre os analisados por haver utilização da energia elétrica somente em dias de

pouca insolação, no estágio de uso. Entretanto, observa-se que, para um maior conforto

de banho, utiliza-se a resistência elétrica durante um certo período de tempo que

contribuiu bastante nos resultados finais. Deve-se levar em consideração, também, que o

sistema por aquecedor solar é um sistema de acumulação que, normalmente, requer

mais energia para seu funcionamento.

Observa-se ainda que nos casos analisados, considerou-se que os aparelhos de

aquecimento funcionam com as mesmas vazões. Entretanto, Prado e Gonçalves [4]

chegaram a valores de vazão de até 0,05 L/s para chuveiros elétricos de 4.4 kW. Desse

modo, se utilizarmos o chuveiro elétrico de 4.4 kW, encontrado geralmente em

habitações populares, veríamos que, com um gasto energético menor, tanto as emissões

quanto o potencial de aquecimento global, diminuiriam. Entretanto, uma vazão menor

também implica numa qualidade de banho inferior. Assim, para chuveiros elétricos com

potências de funcionamento maiores, onde as vazões se assemelham com as dos

aquecedores a gás e solares, o consumo energético e, conseqüentemente, o impacto

ambiental é muito maior do que para os outros sistemas. A figura 3 compara a

quantidade de energia consumida em um banho por dia, durante um ano, utilizando

chuveiro elétrico e aquecedor solar, para diversas vazões de água.

Consumo de energia elétrica

0

200

400

600

800

1000

1200

00,0

20,0

40,0

60,0

8 0,1 0,12

0,15 0,2

Eletricidade (kWh/ano)

Vaz

ão (L

/s)

Sistema por chuveiroelétrico

Sistema poraquecedor solar

Figura 3: Consumo de eletricidade para um banho utilizando chuveiro elétrico e

aquecedor solar.

Essa figura mostra que para uma vazão de 0,05 L/s, utilizada em chuveiros de

habitações populares, o chuveiro elétrico emite aproximadamente a mesma quantidade

de gases de efeito estufa que um aquecedor solar com vazão de 0,20 L/s.

5. Conclusão

Em países que onde a energia hídrica tem grande participação na matriz

energética, como no Brasil, é importante, em avaliações de impacto ambiental,

considerar as emissões dos gases de efeito estufa dos reservatórios das hidrelétricas e o

carbono que deixa de ser capturado pelas árvores após o alagamento de florestas para a

construção dos reservatórios dessas usinas.

Para os aparelhos aquecedores vendidos no mercado brasileiro a vazão obtida

em um aquecedor a gás ou aquecedor solar, geralmente, é maior e resulta em um banho

mais confortável para o usuário.

O metano, proveniente do vazamento do gás natural nas tubulações de

distribuição do gás, tem contribuído para aumentar o efeito estufa provocado pelos

sistemas de aquecimento a gás natural. Esses vazamentos podem ocorrer por acidente

ou por operações de manutenção ou manobra no sistema de transporte e distribuição.

Assim, deve-se dar atenção aos escapes de gás natural nas tubulações, procurando-se

minimizar os vazamentos.

Ressalta-se, ainda, que na adoção de um sistema de aquecimento solar, quanto

mais quente e com menos nebulosidade for a região em que se implantará o sistema,

menos se utilizará a resistência elétrica para a manutenção da temperatura da água,

consumindo menos eletricidade e emitindo menos poluição.

Tanto o sistema de aquecimento de água solar e o a gás são interessantes para o

Brasil, por ser este um país tropical e que está tendo uma maior disponibilidade de

combustível, com o gás natural vindo da Bolívia. O chuveiro elétrico, apesar de ser um

aparelho mais barato que os outros e, em conseqüência, disponível para a maior parcela

da população brasileira, sobrecarrega a rede de energia durante os horários de pico e

provoca um impacto ambiental considerável, quando utiliza a mesma vazão dos outros

tipos de sistemas.

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