Optimização de Sistemas de Propulsão de Veículos para Frotas

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1 UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Optimização de Sistemas de Propulsão de Veículos para Frotas Sérgio Miguel Redondo Faias (Licenciado em Engenharia Electromecânica) Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Orientador: Co-Orientador: Doutor Paulo Manuel Cadete Ferrão Doutor Jorge Manuel Garcia Esteves Presidente: Vogais: Júri Doutor Paulo Manuel Cadete Ferrão Doutor António Rui de Almeida Figueiredo Doutor Jorge Manuel Garcia Esteves Doutor Tiago Alexandre Abranches Teixeira Lopes Farias Fevereiro de 2006

2 Resumo Desenvolve-se o conceito de Optimização de Sistemas de Propulsão de Veículos para Frotas com vista à sua utilização na personalização de sistemas de propulsão de veículos, os quais, durante a sua vida útil, realizem actividades programadas em circuitos previamente definidos. Esta análise é enquadrada no contexto do parque automóvel português e na caracterização dos consumos energéticos e emissões de Gases de Efeito de Estufa em Portugal, em particular os devidos ao sector do transporte rodoviário. Ao longo desta dissertação é desenvolvida uma metodologia que permite efectuar a optimização de sistemas de propulsão para veículos em função da sua utilização. Como exemplo, esta metodologia é aplicada a um circuito urbano habitualmente realizado por um mini-autocarro Eléctrico a Baterias, permitindo reduções no consumo de combustível/energia e nas emissões de Gases de Efeito de Estufa da ordem dos 30%. Esta dissertação inclui ainda a comparação do desempenho energético e ambiental de dois miniautocarros equipados com diferentes sistemas de propulsão, bem como o estudo de viabilidade da introdução de veículos equipados com sistemas de propulsão alternativos na frota de uma empresa de distribuição postal. I

3 Abstract The concept of Vehicle Drivetrain Optimization for Fleets goes through the idea that configuration and dimensioning of a vehicle drivetrain can be defined as a function of the drive cycle and the type of service to be provided by the vehicle, particularly in several professional domains, where vehicles are used along their life-cycle in predefined programmable routine activities. The need of vehicles using alternative and optimized drivetrain is supported by the characterization of the energetic consumption and greenhouse effect gases emissions in Portugal, especially the related with the road vehicle activity. Through this dissertation a vehicle drivetrain optimization methodology is developed and applied to an urban drive cycle usually described by a Battery Electric minibus. Reductions of more than 30% in the fuel/energy consumption and in the greenhouse effect gases emission are obtained. This dissertation also includes a viability study about the implementation of alternative vehicle drivetrain at a postal services company fleet, and an evaluation and comparison of two generalpurpose minibus performances equipped with different type of drivetrain. Those components of the thesis have the objective of presenting the energetic and environmental benefits of the alternative drivetrain use. II

4 Palavras-chave Combustíveis Alternativos, Consumo Energético, Impacto Ambiental, Simulação, Sistemas Propulsão Alternativos, Veículos Rodoviários III

5 Keywords Alternative Drivetrain, Alternative Fuel, Energy Consumption, Environmental Impact, Road Vehicle, Simulation IV

6 Agradecimentos A realização desta dissertação só foi possível graças à contribuição directa e indirecta de um conjunto de pessoas e entidades às quais apresento os meus agradecimentos. Em primeiro lugar, desejo agradecer ao Professor Paulo Ferrão e ao Professor Jorge Esteves por terem posto este projecto em marcha. Agradeço a orientação científica, a disponibilidade que sempre mostraram, o incentivo e o enriquecimento pessoal proporcionado pela relação estabelecida ao longo destes últimos anos. Agradeço ao Professor Elmano Margato e ao Professor João Palma, o incentivo e o apoio. À Associação Portuguesa do Veículo Eléctrico (APVE), agradeço a possibilidade de obtenção dos dados experimentais, fundamentais à realização desta dissertação. Agradeço à Engenheira Inês Santos a colaboração decisiva que teve neste projecto. Ao Engenheiro José Lopes dos Santos e ao Engenheiro José Guilherme da empresa CTT, Correios de Portugal, SA, agradeço a disponibilidade, a colaboração na obtenção de dados e a forma afável como sempre me receberam. Agradeço à empresa CTT, Correios de Portugal, SA, os dados disponibilizados. Ao Professor Jorge Cruz Costa, agradeço a forma como, ao longo dos últimos anos, contribuiu para o meu desenvolvimento científico e pessoal. À minha família, agradeço o apoio, sobretudo naqueles momentos... V

7 Índice Resumo...I Abstract... II Palavras-Chave...III Keywords...IV Agradecimentos...V Índice...VI Índice Figuras...XI Índice Tabelas...XVI 1 Introdução Motivação e Objectivos Caracterização do Consumo de Energia em Portugal Caracterização Geral Contribuição do Sector dos Transportes Caracterização das Emissões de Gases de Efeito de Estufa em Portugal Caracterização Geral Contribuição do Sector dos Transportes Caracterização do Parque Automóvel Português Evolução do Número de Veículos do Parque Distribuição Etária dos Veículos do Parque Caracterização das Vendas Perspectivas para o Futuro Organização da Dissertação Análise dos Sistemas de Propulsão Automóvel Função do Sistema de Propulsão...22 VI

8 2.2 Sistemas de Propulsão Propulsão Convencional Funcionamento e Principais Parâmetros Potencialidades e Limitações Propulsão Gás Natural Comprimido Funcionamento e Principais Parâmetros Potencialidades e Limitações Propulsão Eléctrica a Baterias Funcionamento e Principais Parâmetros Potencialidades e Limitações Sistema de Propulsão Híbrido Eléctrico Sistema de Propulsão Híbrido Eléctrico Série Funcionamento e Principais Parâmetros Potencialidades e Limitações Sistema de Propulsão Híbrido Eléctrico Paralelo Funcionamento e Principais Parâmetros Potencialidades e Limitações Grau de Hibridação Grau de Hibridação Térmica Grau de Hibridação Eléctrica Consumo de Energia Primária e Emissões de Gases de Efeito de Estufa dos Diferentes Sistemas de Propulsão Determinação do Consumo de Energia Primária Consumo de Energia Primária Associado ao Consumo de Gasóleo Consumo de Energia Primária Associado ao Consumo de Gás Natural Comprimido Consumo de Energia Primária Associado ao Consumo de Energia Eléctrica Determinação das Emissões de Dióxido de Carbono Emissões de Dióxido de Carbono Associadas à Combustão de Gasóleo Emissões de Dióxido de Carbono Associadas à Combustão de Gás Natural Determinação do Poder Calorífico Inferior do Gás Natural Emissões de Dióxido de Carbono Associadas à Produção de Energia Eléctrica...47 VII

9 3 Análise Comparativa do Desempenho de Sistemas de Propulsão Produzidos em Série Aquisição de Dados para Caracterização do Circuito e do Serviço Acção de Demonstração da Introdução de Veículos Eléctricos em Frotas de Transporte Público Urbano Primeira Fase Segunda Fase Aquisição dos Dados Experimentais Caracterização dos Veículos Comparados Veículo de Propulsão Eléctrica a Baterias Veículo de Propulsão Diesel Convencional Validação do Modelo do Veículo Eléctrico a Baterias Ferramenta de Simulação para Avaliação do Desempenho dos Sistemas de Propulsão Apresentação Potencialidades e Limitações Funcionamento Utilização da Ferramenta de Simulação Validação do Modelo Base Aérea de Tancos Primeiro Ensaio - Vento Posterior Segundo Ensaio - Vento Frontal Vila de Oeiras Comparação do Desempenho dos Sistemas de Propulsão Consumos de Combustível / Energia Emissões de Gases de Efeito de Estufa Cenário com Totalidade de Energia Eléctrica Proveniente de Centrais a Gás Natural de Ciclo Combinado...70 VIII

10 4 Optimização de Sistemas de Propulsão para Frotas Metodologia Caracterização de um Circuito e de um Serviço Requisitos Mínimos do Sistema de Propulsão Dimensionamento Sistema Propulsão Diesel Sistema Propulsão Gás Natural Comprimido Sistema Propulsão Eléctrico a Baterias Sistema Propulsão Híbrido Eléctrico Série Sistema Propulsão Híbrido Eléctrico Paralelo Caracterização dos Sistemas Propulsão Optimizados Análise dos Resultados e Selecção do Sistema a Utilizar Comparação das Performances Consumos de Combustível / Energia Emissões de Gases de Efeito de Estufa Selecção do Sistema de Propulsão a Utilizar Sistemas de Propulsão Alternativos na Frota dos CTT Rede de Recolha e Distribuição Postal Caracterização da Frota Caracterização dos veículos disponíveis no mercado português Análise da Capacidade Operacional Análise da Viabilidade Económica Determinação dos Custos Custos Fixos Custos de Aquisição Outros Custos Fixos Custos Fixos Anuais Custos Variáveis Custos de Manutenção Custos em Combustível Custos Variáveis Totais IX

11 5.6.2 Comparação dos Custos Condições para Viabilidade Económica do VEB e VGNC Emissões Gasosas Poluentes Gases de Efeito de Estufa Gases Responsáveis pela Acidificação Gases Tóxicos para o Ser Humano Conclusões Conclusões e Perspectivas Referências Bibliográficas X

12 Índice Figuras Página Figura 1.1 Evolução do consumo de Energia Primária em Portugal... 4 Figura 1.2 Evolução do consumo de Energia Primária em Portugal por sector de actividade... 5 Figura 1.3 Comparação das quotas de consumo energético por sector... 5 Figura 1.4 Evolução do consumo de Energia Primária no sector dos Transportes... 6 Figura 1.5 Variação percentual dos investimentos em infra-estruturas de Transportes Terrestres... 7 Figura 1.6 Previsão da evolução das emissões de GEE num cenário Business as Usual... 8 Figura 1.7 Previsão da evolução das emissões de GEE considerando os efeitos da implementação de medidas de redução... 9 Figura 1.8 Previsão da evolução das emissões de GEE por sector económico... 9 Figura 1.9 Previsão da evolução das emissões de GEE até Figura 1.10 Evolução do parque automóvel português de 1970 a Figura 1.11 Densidade populacional dos vários distritos de Portugal, no ano de Figura 1.12 Distribuição dos veículos ligeiros pelos distritos de Portugal Continental no ano de Figura 1.13 Distribuição dos veículos pesados pelos distritos de Portugal Continental no ano de Figura 1.14 Distribuição etária dos veículos ligeiros em Portugal no ano Figura 1.15 Distribuição etária dos veículos pesados em Portugal no ano Figura 1.16 Evolução das vendas de veículos automóveis em Portugal de 1980 a Figura 1.17 Evolução dos veículos automóveis vendidos versus abatidos Figura 1.18 Comparação da percentagem de veículos vendidos por gamas de potência Figura 1.19 Evolução da venda de veículos ligeiros de passageiros por tipo de combustível Figura 2.1 Representação esquemática das resistências ao deslocamento do veículo Figura 2.2 Influência da forma da carroçaria na perturbação das linhas de corrente Figura 2.3 Determinação da área frontal A, de um veículo Figura 2.4 Influência da velocidade de deslocamento do veículo no coeficiente de atrito fr Figura 2.5 Percentagem de resistência aerodinâmica na resistência total ao deslocamento Figura 2.6 Fluxo de energia através do Sistema de Propulsão Convencional Figura 2.7 Exemplo de um conjunto de êmbolos e cambota de um motor de combustão interna Figura 2.8 Representação esquemática de uma embraiagem de fricção XI

13 Figura 2.9 Diagramas de força de tracção e de velocidade para um veículo ligeiro equipado com uma caixa manual de cinco velocidades Figura 2.10 Exemplos de conjuntos de transmissão para diferentes layouts do sistema de propulsão Figura 2.11 Fluxo de energia através do Sistema de Propulsão a Gás Natural Comprimido Figura 2.12 Fluxo de energia no Sistema de Propulsão Eléctrico a Baterias, quando em tracção Figura 2.13 Fluxo de energia com funcionamento em regeneração Figura 2.14 Exemplo de uma bateria de Iões de Lítio utilizada em veículos de tracção eléctrica, composta por 8 células Figura 2.15 Exemplo de um Chopper para veículos de tracção eléctrica e respectivo esquema de ligações Figura 2.16 Exemplo de um motor eléctrico de corrente contínua de magnetos permanentes utilizado em veículos de tracção eléctrica Figura 2.17 Fluxo de energia através do sistema de propulsão Híbrido Série Figura 2.18 Fluxo de energia quando a potência solicitada pelo motor eléctrico ultrapassa a fornecida pelo grupo gerador Figura 2.19 Fluxo de energia durante desaceleração, travagem e descida, com o sistema em regeneração Figura 2.20 Fluxo de energia através do sistema de propulsão Híbrido Eléctrico Paralelo em condições de aceleração ou em plano de subida Figura 2.21 Fluxo de energia durante tracção e carregamento das baterias Figura 2.22 Fluxo de energia durante tracção exclusivamente eléctrica Figura 2.23 Fluxo de energia em condições de regeneração Figura 2.24 Exemplo de um acoplamento mecânico para um sistema de propulsão Híbrido Eléctrico Paralelo Figura 2.25 Eficiência dos processos de obtenção do gasóleo Figura 2.26 Eficiência dos processos de obtenção do gás natural comprimido Figura 2.27 Contribuição de cada central para o sistema electroprodutor nacional em Figura 2.28 Eficiência dos processos de obtenção dos combustíveis utilizados no sistema electroprodutor português Figura 3.1 Mini-autocarro eléctrico a baterias, Gulliver Figura 3.2 Autocarro híbrido eléctrico série, Oreos Figura 3.3 Identificação do percurso do autocarro numa zona pedonal, através da linha azul XII

14 Figura 3.4 Esquema do equipamento montado a bordo do veículo para obtenção dos dados experimentais Figura 3.5 Ficheiro informático com os dados registados ao longo do ensaio Figura 3.6 Perfil da velocidade instantânea do veículo, obtido a partir do ensaio Figura 3.7 Valores instantâneos da corrente eléctrica fornecida pela bateria de tracção aos restantes elementos do sistema de propulsão Figura 3.8 Tensão eléctrica aos terminais da bateria de tracção ao longo do ensaio Figura 3.9 Número de passageiros ao longo do ensaio Figura 3.10 Obtenção do perfil topográfico a partir da planta da zona do circuito percorrido Figura 3.11 Perfil topográfico obtido a partir da planta do circuito Figura 3.12 Inclinação da estrada ao longo do circuito Figura 3.13 Descrição esquemática do funcionamento da ferramenta de simulação Figura 3.14 Modelo de veículo eléctrico a baterias Figura 3.15 Página de construção do modelo do veículo e do sistema de propulsão Figura 3.16 Página de definição da simulação a realizar Figura 3.17 Página de apresentação dos resultados da simulação realizada Figura 3.18 Perfil de velocidade com vento posterior Figura 3.19 Potência requisitada à bateria Figura 3.20 Energia requisitada à bateria Figura 3.21 Perfil de velocidade com vento frontal Figura 3.22 Potência requisitada à bateria Figura 3.23 Energia requisitada à bateria Figura 3.24 Potência requisitada à bateria Figura 3.25 Energia requisitada à bateria Figura 3.26 Consumo de energia primária dos vários sistemas de propulsão Figura 3.27 Emissões específicas de dióxido de carbono Figura 3.28 Consumo de energia primária num cenário onde a totalidade da energia eléctrica fosse produzida em centrais térmicas a gás natural de ciclo combinado Figura 3.29 Emissões específicas de dióxido de carbono num cenário onde a totalidade da energia eléctrica fosse produzida em centrais térmicas a gás natural de ciclo combinado Figura 4.1 Circuito descrito pelos mini-autocarros na cidade de Oeiras Figura 4.2 Perfil de velocidade do circuito XIII

15 Figura 4.3 Distribuição do tempo despendido na realização do circuito por intervalos de velocidade Figura 4.4 Perfil topográfico do circuito Figura 4.5 Teste para determinar a capacidade de arranque em plano inclinado Figura 4.6 Binário requisitado pelo eixo final das rodas do veículo ao longo do circuito Figura 4.7 Velocidade de rotação do eixo final das rodas do veículo ao longo do circuito Figura 4.8 Potência solicitada pelo eixo final das rodas do veículo ao longo do circuito Figura 4.9 Característica mecânica do motor Diesel de 35 kw Figura 4.10 Característica mecânica do motor de combustão equipado com caixa de velocidades. 80 Figura 4.11 Relação entre as velocidades de rotação do motor e velocidade do veículo Figura 4.12 Característica do motor, binário e potência máximos requisitados Figura 4.13 Característica mecânica do motor gás natural comprimido de 40 kw Figura 4.14 Característica mecânica do motor de combustão equipado com caixa de velocidades. 83 Figura 4.15 Relação entre as velocidades de rotação do motor e velocidade do veículo Figura 4.16 Característica do motor, binário e potência máximos requisitados Figura 4.17 Binário requisitado ao veio das rodas do sistema de propulsão eléctrico a baterias Figura 4.18 Potência requisitada ao sistema de propulsão ao longo do circuito Figura 4.19 Característica mecânica do motor eléctrico Figura 4.20 Relação entre velocidade linear do veículo e velocidade de rotação do motor eléctrico Figura 4.21 Representação da potência e binário máximos requisitados na característica mecânica disponibilizada no veio das rodas Figura 4.22 Potência requisitada à bateria ao longo do circuito Figura 4.23 Energia requisitada à bateria ao longo do circuito Figura 4.24 Potência requisitada pelo motor eléctrico durante a realização do circuito Figura 4.25 Energia requisitada pelo motor eléctrico durante a realização do circuito Figura 4.26 Característica mecânica do gerador, curvas de rendimento e ponto de funcionamento Figura 4.27 Característica mecânica do motor Diesel, curvas de rendimento e ponto de funcionamento Figura 4.28 Ponto de funcionamento do gerador com a introdução do sistema de transmissão Figura 4.29 Ponto de funcionamento do motor Diesel com a introdução do sistema de transmissão Figura 4.30 Fluxo de potências nos vários órgãos do sistema de propulsão Figura 4.31 Perfil de energia nos vários órgãos do sistema de propulsão XIV

16 Figura 4.32 Representação esquemática do acoplamento mecânico do sistema de propulsão Figura 4.33 Combinações entre os motores Diesel e eléctrico que garantam a aceleração imposta Figura 4.34 Característica mecânica disponibilizada pelo acoplamento para diferentes graus de hibridação Figura 4.35 Consumos específicos de combustível em função do grau de hibridação eléctrico Figura 4.36 Curvas de binário disponibilizado pelo acoplamento mecânico e pontos de funcionamento Figura 4.37 Perfis da potência solicitada aos vários órgãos do sistema de propulsão Figura 4.38 Perfis de energia nos vários órgãos do sistema de propulsão ao longo do circuito Figura 4.39 Consumo de energia primária dos vários sistemas de propulsão optimizados Figura 4.40 Emissões específicas de dióxido de carbono dos sistemas de propulsão optimizados 100 Figura 5.1 Representação esquemática do transporte de correspondência através das redes primária e secundária Figura 5.2 Representação esquemática da rede terciária; exemplo da recolha de correspondência 104 Figura 5.3 Percentagem de cada categoria de veículos na frota dos CTT Figura 5.4 Distribuição do número de veículos por gama de distâncias diárias realizadas Figura 5.5 Evolução do custo total por km em função da distância percorrida diariamente Figura 5.6 Distâncias percorridas diariamente e viabilidade económica dos veículos Figura 5.7 Emissões específicas de gases de efeito de estufa por veículo XV

17 Índice Tabelas Página Tabela 1.1 Emissões de GEE para o Sector dos Transportes (kton CO 2 eq) Tabela 1.2 Intensidade Carbónica para o transporte de passageiros Tabela 1.3 Intensidade Carbónica para o transporte de mercadorias Tabela 2.1 Eficiência dos processos de obtenção de combustíveis Tabela 2.2 Rendimento médio das centrais térmicas do sistema electroprodutor português Tabela 2.3 Emissões correspondentes ao consumo final de electricidade Tabela 3.1 Caracterização do veículo eléctrico a baterias Tabela 3.2 Caracterização do veículo Diesel Tabela 3.3 Consumos de combustível e energia dos sistemas de propulsão Tabela 4.1 Requisitos mínimos ao dimensionamento do sistema de propulsão Tabela 4.2 Caracterização da caixa de velocidades Tabela 4.3 Caracterização dos sistemas de propulsão optimizados Tabela 4.4 Performances dos diferentes sistemas de propulsão Tabela 4.5 Consumos de combustível e energia dos sistemas de propulsão Tabela 5.1 Categorias existentes e número de veículos por categoria na frota dos CTT Tabela 5.2 Características técnicas do Citroën Berlingo Eléctrico Tabela 5.3 Características técnicas do Fiat Doblò Gás Natural Tabela 5.4 Características técnicas do Citroën Berlingo Diesel Tabela 5.5 Custos de aquisição dos veículos e baterias Tabela 5.6 Outros custos fixos Tabela 5.7 Custos anuais fixos Tabela 5.8 Custos de manutenção dos veículos Tabela 5.9 Custos de consumo de combustível por veículo Tabela 5.10 Custos variáveis totais por veículo Tabela 5.11 Emissões específicas de gases poluentes por veículo XVI

18 Capítulo

19 Capítulo 1 Introdução 1 Introdução O presente capítulo, tendo em conta que se trata de um capítulo introdutório, pretende fazer o enquadramento do tema tratado nesta dissertação. Para além da apresentação da motivação e principais objectivos que levaram à realização desta dissertação, deste capítulo fazem ainda parte uma breve caracterização dos consumos energéticos em Portugal e das emissões de Gases de Efeito de Estufa que lhes estão associados. Nessa caracterização será dado um maior ênfase ao sector dos transportes, principalmente ao transporte rodoviário, temática sobre a qual esta dissertação se debruça. Deste capítulo fazem ainda parte a caracterização do parque automóvel português e uma breve descrição da forma como a dissertação se encontra organizada. 1.1 Motivação e Objectivos A necessidade do Homem em se fazer transportar levou a que, desde há muito, exista uma preocupação em desenvolver diferentes soluções de mobilidade. Nos últimos séculos várias alternativas foram sendo desenvolvidas. No entanto, uma houve que nos últimos 100 anos, por diversas razões, se popularizou e se expandiu de uma forma imensurável: o automóvel. Os veículos automóveis são hoje uma presença constante na maioria das actividades desenvolvidas pelo Homem. Seja sob a forma de veículo para transporte de mercadorias, de transporte de passageiros, particular, público, individual ou colectivo, o veículo automóvel está sempre presente. Autonomia, rapidez, versatilidade e conforto são alguns dos adjectivos mais utilizados na sua descrição. No entanto, a utilização intensiva e sem critério que se lhe tem dado, levou a que a balança do lado dos inconvenientes tenha vindo a ganhar um peso cada vez maior. As principais desvantagens desta utilização excessiva, para além da questão do congestionamento de trânsito, que leva a situações de ansiedade e de mal-estar por parte dos utilizadores deste meio de transporte, prendem-se ainda com a utilização de energia de forma pouco eficiente e com as emissões gasosas poluentes que daí resultam. Em Portugal, a quase totalidade dos veículos automóveis funciona através da queima de combustíveis derivados do petróleo. Segundo a Agência Internacional de Energia, a extracção desta matéria-prima atingirá o seu máximo no ano 2008, enquanto que a sua procura continuará a aumentar. Este facto, para além de prever um esgotamento das reservas desta fonte de energia num futuro não muito distante, cria um desequilíbrio entre a oferta e a procura que levará a um insuportável aumento dos preços. A actividade dos transportes rodoviários é actualmente responsável por mais de 30% do total de energia primária consumida em Portugal, com a agravante de cerca de 90% do total dessa energia primária ser importada. A queima de combustíveis fósseis é um dos maiores responsáveis pela emissão de gases poluentes para a atmosfera. Esses gases poluentes dão origem a consequências como a intensificação do efeito de estufa, que tem provocado um aumento da temperatura média do planeta (levando ao descongelamento dos pólos, ao consequente aumento do nível da água do mar e a graves alterações climáticas), a acidificação dos solos e dos recursos aquíferos (originando a morte de espécies animais e vegetais), e o aparecimento de problemas respiratórios e cancerígenos nas populações que estão mais expostas a essas emissões. A presente dissertação tem como objectivo traçar um entre vários caminhos que conduzam à minimização de algumas das principais implicações resultantes da intensa utilização dada aos veículos automóveis. No desenrolar deste trabalho, o ênfase será dado à procura de soluções que permitam uma redução do consumo de energia e das emissões gasosas poluentes. Nesse sentido, propõe-se uma progressiva substituição dos combustíveis e sistemas de propulsão convencionais, 2

20 Capítulo 1 Introdução por um conjunto de soluções alternativas e ainda uma aposta na personalização e optimização dessas soluções, em função da aplicação a que se destinam. Existe hoje um conjunto variado de combustíveis e sistemas de propulsão alternativos aos convencionais, que se encontram viabilizados tecnologicamente. O que acontece entretanto, é que nem todos eles se adaptam ao mesmo tipo de serviço ou aplicação. Pretende-se mostrar ao longo desta dissertação que para diferentes aplicações, uma cuidada selecção e dimensionamento do tipo de combustível e do tipo de sistema de propulsão a utilizar, pode trazer consideráveis benefícios. Pretende-se assim, introduzir aos sistemas de propulsão, um conceito que começa a ter cada vez maior aplicação na arquitectura dos veículos automóveis, a modularidade. Este conceito, que contraria a tendência da produção de grandes séries de veículos, tem como base a utilização de uma plataforma comum para o veículo, podendo depois o mesmo ser equipado com diferentes chassis e diferentes layouts interiores, personalizados em função das necessidades de cada cliente. No caso dos sistemas de propulsão, estes seriam dimensionados em função do tipo de utilização a ser dada ao veículo. A implementação do conceito de modularidade e personalização de veículos, implica uma transferência de um conjunto de competências, que cabem actualmente às grandes linhas de montagem, para os distribuidores de veículos, de modo a poderem responder aos requisitos de cada cliente. Esta mudança da forma de produção de um veículo, como qualquer personalização de um produto, dá origem a maiores custos. Estes custos podem ser insuportáveis para um cliente que adquira um veículo único. No entanto, a perspectiva de aplicação desta filosofia a uma frota de veículos poderia torná-la viável. Os veículos automóveis disponibilizados actualmente no mercado são, na sua maioria, produtos estandardizados, fabricados em grandes séries, com o objectivo de reduzir o seu custo de produção. Daí resulta que o sistema de propulsão desses veículos se encontre habitualmente sobredimensionado face às necessidades reais a que vai estar sujeito. Ao longo da vida útil do veículo, este sobredimensionamento leva a consumos energéticos excessivos que se reflectem em elevados custos operacionais e importantes implicações ambientais. O facto de existirem veículos que no decorrer da sua vida útil realizam percursos e serviços programados permite que o seu sistema de propulsão possa ser dimensionado e optimizado para essas condições de serviço. Esta situação verifica-se principalmente em frotas de empresas que se dedicam ao transporte de pessoas e bens. Apesar de se considerar que os custos de aquisição de veículos equipados com sistemas de propulsão optimizados à sua utilização, venham a ser superiores aos das soluções estandardizadas e produzidas em grandes séries. Ao longo da sua vida útil, o sistema de propulsão personalizado permitirá uma importante poupança no consumo de combustível/energia que se traduzirá num benefício económico. 3

21 Capítulo 1 Introdução 1.2 Caracterização do Consumo de Energia em Portugal A energia é uma das matérias-primas mais importantes na sociedade actual, sendo o seu controlo a causa para alianças estratégicas entre países ou o foco de conflitos. O crescimento económico dos países chamados desenvolvidos tem-se feito, na maior parte dos casos, à base de um elevado consumo energético. Grande parte desse consumo depende de recursos não renováveis ou é feito a uma velocidade tal que a sua reposição natural jamais será possível. Nas próximas décadas prevêse que os conflitos relacionados com esta matéria-prima se agudizem face à escassez que se adivinha. Portugal não é uma excepção. O desenvolvimento que se tem verificado no país nas últimas décadas tem levado a um aumento considerável do consumo energético. Este facto é ainda mais preocupante quando se verifica que mais de 90% dessa energia é importada. Em seguida será feita uma caracterização dos consumos energéticos em Portugal, da qual faz parte a identificação dos sectores económicos que mais têm contribuído para o aumento desses consumos. O sector dos Transportes será tratado separadamente de modo a obter uma análise mais detalhada Caracterização Geral Portugal é um país extremamente dependente do exterior a nível energético, baseando o seu desenvolvimento quase exclusivamente em energia importada. No ano de 2002 a energia importada pelo nosso país representou 93% do total de energia primária consumida [1]. Na última década, o desenvolvimento económico e a consequente melhoria do nível e qualidade de vida da população levaram a que o consumo energético em Portugal tenha aumentado. Como se pode ver na figura 1.1, a evolução do consumo geral de energia primária aumentou 58 % de 1990 a 2002, com uma taxa média de crescimento de 4,7% ao ano [1] ^6 TEP Anos Figura 1.1 Evolução do consumo de Energia Primária em Portugal Apesar de na última década se ter verificado um aumento significativo do consumo de energia, esse aumento não foi uniforme nos diferentes sectores da economia. Alguns sectores desenvolveram-se mais e tiveram maior responsabilidade no aumento do consumo geral de energia do que outros. Na figura 1.2 apresenta-se a evolução do consumo energético dos vários sectores do ano 1990 ao ano 2002, podendo destacar-se o sector dos Serviços com um crescimento de 174%, do sector da Construção e Obras Públicas com um crescimento de 131% e o dos Transportes com um crescimento de 89%. Por outro lado a Agricultura e Pescas diminuiu os seus consumos em 12% [1]. 4

22 Capítulo 1 Introdução CONSUMO DO SECTOR ENERGÉTICO AGRICULTURA E PESCAS INDÚSTRIAS EXTRACTIVAS INDÚSTRIAS TRANSFORMADORAS CONSTRUÇÃO E OBRAS PÚBLICAS TRANSPORTES SECTOR DOMÉSTICO SERVIÇOS (incluíndo Forças Armadas) 10^6 TEP Anos Figura 1.2 Evolução do consumo de Energia Primária em Portugal por sector de actividade A evolução do consumo de energia por sector é representativo da forma como o país se desenvolveu em termos económicos nos últimos anos, em que o sector Terciário tem tido cada vez maior expressão, nomeadamente os Serviços, em detrimento do sector Primário, onde medidas como a redução da frota pesqueira, impostas pela Comunidade Europeia, se têm feito notar. Relativamente às quotas da energia primária total consumida verifica-se que em 1990, o maior responsável era o sector da Indústria Transformadora com uma quota de 32%, seguido dos Transportes com 28% e do sector Doméstico com 18 %. A partir de 1993 dá-se uma inversão nos dois sectores principais, passando o sector dos Transportes a ser o principal consumidor. Como é possível ver na figura 1.3, em 2002, os Transportes apresentam uma quota de 33% e a Indústria Transformadora, 27% CONSUMO DO SECTOR ENERGÉTICO AGRICULTURA E PESCAS 18% 6% 9% 4% 0% 32% 15% 10% 8% 2% 1% 27% INDÚSTRIAS EXTRACTIVAS INDÚSTRIAS TRANSFORMADORAS CONSTRUÇÃO E OBRAS PÚBLICAS TRANSPORTES 28% 3% 33% 4% SECTOR DOMÉSTICO SERVIÇOS Figura 1.3 Comparação das quotas de consumo energético por sector Contribuição do Sector dos Transportes Os Transportes e a Mobilidade, componentes essenciais da vida e da economia modernas, têm um importante impacto no consumo de energias fósseis, tornando-se um dos maiores contribuintes para a dependência energética de Portugal. O sector dos Transportes apresentou uma taxa de crescimento médio anual de 5,4 %, de 1990 a No entanto, como se pode ver na figura 1.4, essa evolução não se fez uniformemente em todos os modos de transporte, verificando-se que o maior responsável pela elevada taxa de crescimento foi o modo Rodoviário, que aumentou os seus consumos energéticos em 101%. A esse 5

23 Capítulo 1 Introdução crescimento está associada a evolução do parque automóvel em Portugal, que passou de uma taxa de motorização de 198 veículos/1000 habitantes em 1987, bastante inferior à média europeia, para 450 veículos/1000 habitantes em 1999, praticamente igualando a média europeia. Este crescimento acompanhou a evolução da conjuntura económica nacional das últimas duas décadas e foi função do consumo privado e rendimento das famílias [2]. O modo Marítimo tem perdido expressão a nível nacional, com uma diminuição dos consumos que lhe estavam associados em 53%, entre 1990 e Esta diminuição deve-se ao facto do tráfego com bandeira nacional ter, só entre 1990 e 1995, decrescido 42%, enquanto pelo contrário o tráfego com bandeira estrangeira ter tido um crescimento de cerca de 21 %, durante o mesmo período [3]. O modo Ferroviário, de 1990 a 2002 diminuiu ligeiramente os seus consumos em cerca de 6%, resultado do aumento da sua utilização em meios urbanos nos quais é actuado quase exclusivamente por motorização eléctrica, mais eficaz em termos energéticos, tendo a quota total de consumo de energia eléctrica no modo Ferroviário passado de 28% em 1990 para o dobro, 56% em 2002 [1]. O consumo energético do modo Aéreo aumentou 59% de 1990 a 2002, reflexo da cada vez maior motivação das pessoas para a utilização de meios de transporte rápidos e confortáveis. Apesar dos acontecimentos de 2001 nos EUA, prevê-se que a redução do preço dos bilhetes e a banalização deste modo de Transporte levem a que o tráfego nos aeroportos nacionais cresça mais de 100% entre 1990 e 2010 [3] Aéreo Marítimo Ferroviário Rodoviário 10^6 TEP Anos Figura 1.4 Evolução do consumo de Energia Primária no sector dos Transportes A evolução do transporte Rodoviário nas últimas duas décadas está intimamente relacionada com o plano de reconversão das infra-estruturas de transporte que se verificou a nível nacional, após a entrada de Portugal na Comunidade Europeia. Como se pode ver na figura 1.5, a opção estratégica recaiu essencialmente nas infra-estruturas rodoviárias em detrimento dos restantes modos. Esta opção decorreu devido ao reduzido número de auto-estradas existentes relativamente à média europeia e dos desequilíbrios regionais em termos de acessibilidades verificados no território nacional. 6

24 Capítulo 1 Introdução Figura 1.5 Variação percentual dos investimentos em infra-estruturas de Transportes Terrestres [3] 7

25 Capítulo 1 Introdução 1.3 Caracterização das Emissões de Gases de Efeito de Estufa em Portugal As emissões de Gases de Efeito de Estufa (GEE) para a atmosfera têm sido responsáveis pelas alterações climatéricas verificadas nas últimas décadas e pela deterioração da qualidade do ar que é respirado nos grandes centros urbanos. A nível mundial têm-se multiplicado os esforços com vista a tomar medidas que levem à redução dessas emissões. Antes de ser possível propor qualquer medida para a redução é necessário caracterizar as emissões actuais e detectar as suas principais fontes. Pretende-se, em seguida, realizar uma caracterização geral das emissões de GEE em Portugal, bem como analisar detalhadamente a contribuição do Sector dos Transportes nestas emissões Caracterização Geral A evolução do nível e da qualidade de vida das populações leva inevitavelmente a um acréscimo do consumo de bens e ao consequente aumento da produção de resíduos. Portugal não tem sido excepção, tendo-se verificado nos últimos anos um preocupante aumento das emissões de GEE para a atmosfera. Em compromissos internacionais, nomeadamente no protocolo de Quioto, foram estabelecidos tectos com o objectivo de reduzir as emissões nas próximas décadas, devendo cada país implementar um conjunto de políticas tendo em vista atingir esse objectivo. A necessidade de crescimento económico em Portugal levou a que não fossem tomadas medidas suficientemente ambiciosas, não se evitando assim que o tecto estabelecido não venha a ser ultrapassado. Este poderá vir a ter consequências económicas negativas, já que cada país, a partir de 2008, passará a pagar o excesso de emissões relativamente à quota lhe estava destinada. Na figura 1.6 pode ver-se a previsão de evolução das emissões num cenário Business as Usual, tendo em conta o desenvolvimento recente da economia portuguesa, com cenários demográficos, sectoriais e os preços da energia a médio-longo prazo. O cenário Alto corresponde a uma perspectiva optimista do desempenho económico do país, em oposição ao cenário apresentado como Baixo [4]. 110 Tg CO2 eq Alto Baixo Quioto Anos Figura 1.6 Previsão da evolução das emissões de GEE num cenário Business as Usual [4] O compromisso assumido no protocolo de Quioto de até 2010 as emissões de GEE não ultrapassarem 27% do valor do ano de referência, 1990, está comprometido em ambos os cenários. Verifica-se que, mesmo no cenário Baixo, esse valor é ultrapassado ainda em 22%. 8

26 Capítulo 1 Introdução Com o objectivo de reduzir as emissões de GEE foi implementado um conjunto de medidas que vão desde a promoção da produção de electricidade a partir de fontes renováveis, ao aumento da eficiência energética de edifícios, ao desenvolvimento sustentável da floresta portuguesa, passando até pela construção do Metro do Porto, do Metro do Mondego e do Metro do Sul do Tejo, entre outras medidas. Tendo em conta os resultados esperados da implementação das medidas atrás referidas é apresentada na figura 1.7 a previsão da evolução das emissões de GEE para o ano Confirmase o facto do conjunto de medidas ser pouco ambicioso, já que mesmo considerando os seus resultados, o tecto estabelecido pelo protocolo de Quioto será ultrapassado. Considerando o cenário Baixo verificam-se ainda níveis de emissões 15% acima do compromisso assumido nesse protocolo. 110 Tg CO2 eq Alto Baixo Quioto Anos Figura 1.7 Previsão da evolução das emissões de GEE considerando os efeitos da implementação de medidas de redução [4] O aumento previsto das emissões não vai estender-se equitativamente a todos os sectores da economia, como se pode ver na figura 1.8. Nesta figura representa-se a evolução da quota de emissões de GEE de cada sector económico, tendo em conta as previsões para o cenário Alto, considerando os efeitos da implementação de medidas de redução de emissões. 35 Sector Energético % Total Emissões CO 2 eq Indústria e Constr Civil Transportes Doméstico e Serviços Agricultura, Florestas e Pescas Resíduos Anos Figura 1.8 Previsão da evolução das emissões de GEE por sector económico [4] O sector dos Transportes é o que mais se destaca em termos de crescimento da sua quota, prevendo-se que em 2010 seja a maior fonte de GEE em Portugal, representando cerca de 28% do total das emissões. O maior responsável pelo aumento deste sector será o modo Rodoviário, devido essencialmente à tendência de utilização exaustiva do transporte individual em detrimento dos diferentes modos de transportes colectivos. 9

27 Capítulo 1 Introdução O sector da Indústria e Construção Civil espera um ligeiro aumento da quota de emissões, sendo que nos os últimos anos os sub-sectores que maior responsabilidade tiveram nas emissões foram o Cimento, o Vidro e Cerâmica e ainda o Papel, Pasta e Artes Gráficas. O sector Doméstico e de Serviços apresenta também um aumento da sua quota de emissões. Este está relacionado com o crescimento do consumo de energia, resultado grande parte da procura de maior conforto devido ao ineficiente comportamento térmico dos edifícios. O sector Energético deixará de ser o maior contribuinte para as emissões de GEE, aparecendo em 2010 em segundo lugar. Apesar da quota de emissões diminuir o seu valor absoluto vai continuar a crescer. O sector da Agricultura, Florestas e Pescas é aquele em que mais se nota uma descida da quota de emissões. A diminuição da actividade da Pesca e o previsto aumento das áreas florestais são os principais responsáveis por esta descida. No sector dos resíduos está também prevista uma diminuição da quota de emissões totais que se deve a políticas de tratamento que têm sido adoptadas nos últimos anos Contribuição do Sector dos Transportes Pretende-se neste ponto caracterizar a contribuição dos Sector do Transportes nas emissões de Gases de Efeito de Estufa (GEE) em Portugal, sendo que este representa mais de 25% das emissões nacionais, estando estas directamente associadas à estrutura de consumo energético apresentada em 1.2. O desenvolvimento sócio-económico do país tem levado a um aumento da mobilidade, originando maiores consumos de energia e do nível de emissões de GEE. Como se pode ver na Figura 1.9, as emissões de GEE relacionadas com o Sector dos Transportes aumentaram 24 %, de 1990 a 1995, prevendo-se que, até 2010, estas emissões ultrapassem o dobro do valor de kton CO2 eq Anos Figura 1.9 Previsão da evolução das emissões de GEE até 2010 [5] O aumento esperado das emissões não será constante em todos os modos de transporte, sendo que o modo Rodoviário, como se pode verificar na tabela 1.1, será o que mais crescerá, em termos absolutos. Prevê-se que, em 2010, este modo seja responsável por 84% das emissões, representando um crescimento de cerca de 120% em relação ao valor de Também no modo Aéreo se prevê crescimento, passando a sua proporção de 8% em 1990 para 10% em 2010, o que representará um impressionante aumento absoluto de aproximadamente 180%. 10

28 Capítulo 1 Introdução Tabela 1.1 Emissões de GEE para o Sector dos Transportes (kton CO 2 eq) [5] 1990 % 1995 % 2010 % Rodoviário Aéreo Marítimo Ferroviário Total Taxa de crescimento médio anual - 4,5% 7% Os modos Marítimo e Ferroviário têm, por outro lado, diminuído a sua proporção no total de emissões resultantes do Sector dos Transportes. Esta redução da quota de emissões está associada a um fraco crescimento, ou mesmo diminuição no caso do transporte Marítimo, da sua utilização a nível nacional. Este facto torna-se preocupante já que estes modos são os mais eficientes energeticamente e, consequentemente, os que menos emissões específicas de GEE têm associadas. Na tabela 1.2 é apresentada a comparação da Intensidade Carbónica (emissão de GEE por passageiro quilómetro) de alguns modos de transporte de passageiros, verificando-se que os veículos ligeiros apresentam os valores de Intensidade Carbónica mais elevados em qualquer local de funcionamento. No meio urbano/suburbano o transporte ferroviário é o que apresenta menor Intensidade Carbónica. No entanto, a sua performance diminui quando se tratam de viagens de longo curso devido a taxas de ocupação habitualmente distantes da máxima. O transporte colectivo rodoviário para além de apresentar evidentes vantagens em zonas urbanas quando comparado com os veículos ligeiros, mostra-se bastante competitivo para circulação fora dessas zonas. Tabela 1.2 Intensidade Carbónica para o transporte de passageiros [5] (gco 2 /pkm) Autocarros Circulação em AE Circulação Rural Circulação Urbana Ligeiros Passageiros Circulação em AE Circulação Rural Circulação Urbana Ferrovia Urbano / Suburbano Médio / Longo Curso No caso do transporte de mercadorias, apresentado na tabela 1.3, o modo ferroviário é notoriamente o mais vantajoso, apresentando uma Intensidade Carbónica (emissão de GEE por tonelada quilómetro) cerca de três vezes e meia inferior ao modo rodoviário utilizando veículos pesados. A desvantagem do modo ferroviário prende-se com o facto da linha férrea não poder chegar a todas as localidades e de não existir possibilidade de carga e descarga de mercadoria pesada na maior parte das estações, deixando assim em aberto o frequente recurso aos veículos rodoviários pesados. Os veículos rodoviários ligeiros de mercadorias apresentam a mais elevada Intensidade Carbónica, no entanto, a sua utilização é bastante intensiva nomeadamente em logística no interior de localidades devido, principalmente, à sua facilidade de manobra. 11

29 Capítulo 1 Introdução Tabela 1.3 Intensidade Carbónica para o transporte de mercadorias [5] (gco 2 /tkm) Rodoviários Ligeiros Rodoviários Pesados Ferroviário Nas tabelas 1.2 e 1.3 deve-se ainda notar que as previsões de Intensidade Carbónica dos vários meios de transporte para 2010 são na generalidade relativamente inferiores aos valores de Este facto deve-se ao conjunto de medidas propostas pela União Europeia com o objectivo de honrar os compromissos assumidos no Protocolo de Quioto. Essas medidas vão desde o aumento da taxa de utilização dos veículos, passando pela sensibilização dos condutores para uma condução económica, renovação do parque automóvel, até à concepção de veículos mais eficientes em termos energéticos e menos poluentes (no caso dos veículos ligeiros de passageiros pretende-se que até 2010 seja atingida a meta de emissões específicas médias de 120gCO 2 /km). 12

30 Capítulo 1 Introdução 1.4 Caracterização do Parque Automóvel Português A mobilidade tem cada vez maior importância no modo de vida das pessoas, procurando estas, soluções que respondam da melhor forma às suas exigências. O transporte Rodoviário, nomeadamente, o veículo automóvel individual, tem sido uma das soluções que maior procura tem apresentado nos últimos anos. No entanto, a sua massificação e utilização indiscriminada têm-se traduzido em problemas graves de tráfego nos grandes aglomerados populacionais, elevados consumos de combustíveis fósseis e emissões de gases poluentes, tendo chegado o momento de minimizar essas implicações. A tomada de quaisquer medidas que influenciem o futuro do transporte Rodoviário, deve passar por uma caracterização do parque automóvel existente, pela análise das vendas verificadas nos últimos anos e pela identificação das tendências do sector, sendo essa a análise que se propõe realizar em seguida Evolução do Número de Veículos do Parque O parque automóvel português sofreu uma notável evolução nas últimas três décadas, tendo no geral aumentado cerca de nove vezes e meia. De 1970 até à primeira metade da década de 80, como se pode ver na figura 1.10, o crescimento fez-se de forma constante a uma taxa média anual de 6,8%. A partir dessa data, coincidente com a adesão de Portugal à Comunidade Económica Europeia, a melhoria das condições económicas do país fez com que o parque tenha verificado um impressionante crescimento médio anual de 16,2% até ao ano de Desde 1999, o crescimento do parque automóvel tem desacelerado, devido à entrada num ciclo de contracção económica e também ao facto de se ter atingido um estado de maturidade que se traduz na aquisição de veículos que vão substituindo outros que, entretanto, vão sendo abatidos. O segmento que reúne os veículos ligeiros e todo-o-terreno cresceu mais de 8 vezes nas últimas três décadas, representando em 2003 cerca de 76% do total de veículos existentes em Portugal. Este facto é representativo do aumento do nível de vida das famílias. Os veículos comerciais ligeiros apresentam, também, um notável crescimento associado uma vez mais ao crescimento da economia e do número de empresas, considerando-se que uma parte importante destes veículos se destina precisamente para funcionar ao serviço de empresas, inseridos ou não em frotas. De registar que nos últimos anos, devido ao reduzido preço dos veículos comerciais ligeiros, quando comparado com o dos ligeiros de passageiros, a sua utilização a nível particular tornou-se bastante expressiva, principalmente nas camadas mais jovens da população. 5.5 Milhões Veículos Lig Passag + TT Com Lig Pesados Total Ano Figura 1.10 Evolução do parque automóvel português de 1970 a 2003 [6] 13