Estudo preliminar para a utilização de veículos híbridos na frota do transporte público do Distrito Federal

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1 Estudo preliminar para a utilização de veículos híbridos na frota do transporte público do Distrito Federal Leonel L. D. Morales 1, Messias Januário de Oliveira Júnior 2 1. leonel.morales@udf.edu.br RESUMO: A preocupação com o desenvolvimento deve fazer parte de toda sociedade, mas ele deve ser precedido de uma estruturação. O desenvolvimento desestruturado traz consigo consequências, em sua maioria ambientais. O trabalho tem o objetivo de apresentar o veículo híbrido como solução ao desenvolvimento do meio de transporte coletivo, apontando as características principais do veículo, comparando-os com veículos convencionais a Diesel e dimensionando taxas de emissões de CO2, CO, HC, MP, NOx para ambos. Utilizando-se de métodos simplificados para o dimensionamento de taxas de emissões de frotas especificas para o cálculo de emissão. Palavras-chave: Veículo Híbrido, Tecnologia híbrida, Transporte Limpo, Meio Ambiente. ABSTRACT: With the evolution of human means of transport to public passenger transport. The concern with the development should be part of every society, but it must be preceded by a structure. The unstructured development brings with it consequences in its environmental majority. The paper aims to present the hybrid vehicle as a solution to the development of means of public transport, pointing out the main features of the vehicle, comparing them with conventional diesel vehicles and scaling rates of CO2, CO, HC, PM, NOx for both. Using simplified methods for the emission rates and specific fleet sizing for calculating emissions. Keywords: Hybrid Vehicle, Hybrid technology, Clean Transportation, Environment. 26

2 INTRODUÇÃO O desenvolvimento do mundo é fundamental para a população global, pois com ele várias áreas são valorizadas, gerando empregos, diminuindo a fome, diminuindo fronteiras, entre vários outros benefícios. O desenvolvimento global traz várias transformações que resultam, também, em consequências às vezes irreversíveis, como ocorre com o meio ambiente. O aquecimento global e a saúde humana é uma grande preocupação para o mundo desenvolvido, mundo este que sofre as consequências de um desenvolvimento desestruturado. O desenvolvimento de uma sociedade deve ser precedido de um planejamento que tenha como principal objetivo, e que leve em conta, os recursos que são utilizados. É importante dimensionar a expansão das atividades da sociedade, de acordo com necessidades ambientais, sociais, econômicas entre outras. O mundo atual tenta amenizar as consequências futuras. Atualmente tem-se apostado em formas de evolução mais sustentáveis, evitando com que a degradação do meio ambiente e do homem sejam o preço a ser pago por sua evolução. A renovação de fontes para alimentação de veículos automotores, que estão no grupo de vilões devido à quantidade de gases poluentes despejados no meio ambiente, é uma das preocupações do mundo moderno. A preocupação com o amanhã tomou conta das montadoras de veículos. Elas, em todo mundo, buscam maneiras para se não acabar ao menos diminuir a emissão de gases poluentes na atmosfera terrestre. O veículo elétrico chega ao mercado automobilístico com a missão de operar uma grande batalha contra a degradação do meio ambiente, e sendo a favor da saúde humana. O veículo traz características importantes para reduzir vários pontos que afetam o mundo, são eles: a redução à zero dos gases poluentes e a redução de ruídos (PIETRO, 2010; BARAN, 2010). O veículo elétrico, apesar das características animadoras quanto ao desenvolvimento limpo, é uma tecnologia ainda complexa para ser embarcada. O elevado custo para aquisição de um veículo elétrico é um dos pontos bastante decisivos ao se pensar nesse tipo de veículo. Os pontos de recarga trazem outro ponto negativo do veículo. Hoje ele tem uma autonomia inferior à necessidade dos usuários de veículos sejam públicos, sejam individuais. Dessa forma necessita de uma administração da autonomia do veículo para evitar a pane seca ou a falta de eletricidade (BARAN, 2010). Os veículos híbridos surgem como um atravessar de fronteira entre os veículos movidos a combustíveis fósseis e os movidos à eletricidade. Eles são a soma das características dos dois tipos de veículos (VOLVO, 2014). Trazendo o torque eficiente em baixas rotações dos motores elétricos somados a autonomia dos motores a combustão interna. 27

3 MÉTODO O estudo das emissões de gases nocivos à saúde humana e ao meio ambiente tem uma abordagem mista. A pesquisa traz uma forma de exploração do tema explicativa. O estudo baseia-se no levantamento bibliográfico sobre o assunto, levantamento de informações de empresas do seguimento de transporte público, o levantamento de teores de emissão e o cálculo de emissão dos veículos que compõe uma frota. Com a finalidade de apresentar a comparação entre os veículos convencionais e os veículos híbridos e de uma forma fortalecer a necessidade de redução dos gases poluentes, este trabalho está divido de uma forma bem explicativa, onde se apresenta o problema a ser solucionado e o método de uma possível solução. A pesquisa consiste em seis etapas principais para o fundamento do tema abordado. A sequência inicia-se com o tema transporte e suas emissões, com o intuito de introduzir o leitor a importância desse seguimento na degradação do meio ambiente. Na segunda etapa é apresentado o combustível utilizado pela frota de transporte coletivo, que é o Diesel, trazendo suas principais características. A terceira etapa do trabalho apresenta de forma bem explicativa como é dimensionado os elementos nocivos ao meio ambiente resultantes do Óleo Diesel. A quarta etapa introduz os veículos convencionais a Diesel e os veículos híbridos, mostrando as principais características de cada um. Na quinta etapa apresenta-se a metodologia de dimensionamento dos gases poluentes e seus elementos nocivos ao meio ambiente. Na sexta, e última, etapa aborda-se a análise dos resultados, trazendo a comparação entre os veículos e mostrando os possíveis ganhos ao utilizar qualquer um deles em uma frota operacional. Obtenção da Emissão de Gases Para comparação entre os veículos convencionais e os híbridos é necessário que se tenha um dimensionamento dos teores de emissão de cada um deles. Utilizando a distância percorrida mensal da frota poderemos estabelecer a base da comparação. O cálculo do teor de emissão de cada elemento produzido pela queima do Diesel pode ser determinado pelo método proposto pelo Ministério do Meio Ambiente em seu 1º Inventário Nacional de Emissões Atmosféricas por veículos automotores Rodoviários Relatório Final Elaborado pelo Grupo de Trabalho instituído pela Portaria Ministerial nº 366, de 22 de setembro de 2009, onde foram levantados o quantitativo de veículos rodoviários que emitem gases poluentes, e assim dimensionado a emissão gerada por essa frota. Para uma comparação entre a utilização de veículos convencionais e os veículos híbridos é necessário estabelecer o consumo do diesel de uma determinada frota, seja ela nacional, seja uma frota 28

4 pequena. Como o objetivo é a comparação entre as duas plataformas de veículos, serão consideradas apenas as emissões causadas pela operação da STCB na sua função típica de transporte de passageiros (BRASIL, 2011). A tabela 1 fornece o consumo mensal de óleo diesel consumido pela STCB, sendo necessário para a utilização como base de cálculo de emissão de gases poluentes e será proposta a substituição desses veículos por veículos híbridos. Tabela 1. Relatório de consumo mensal (Anexo I) - março de 2012, Fonte: Sociedade de transportes Coletivos de Brasília TCB QTD. Distância Percorrida Consumo de Consumo VEÍCULOS no mês (km) Combs. Mês (l) (Km/l) , ,90 1, médio O relatório de consumo foi obtido por meio de levantamento de dados técnicos da empresa STCB - Sociedade de Transportes Coletivos de Brasília e encontra-se nos arquivos técnicos da mesma. A importância do cálculo de emissão dos gases poluentes gerados pelos veículos movidos a Diesel se dá pelo fato de obedecer às normas estabelecidas pelo PROCONVE, e para o trabalho de correção para que a emissão entre na margem estabelecida pelo mesmo (BRASIL, 2011). O cálculo de emissão dos gases poluentes, neste trabalho terá a finalidade de um levantamento da emissão dos veículos relacionados na tabela 1 para que sejam demonstrados os resultados e para uma posterior comparação ao substituir esses veículos por veículos híbridos. A tabela 2 mostra o consumo de óleo Diesel baseada em testes feitos na fabricada da Mercedes-Benz por meio de simulação em dinamômetro (simulação esta, que embora seja bastante complexo conseguir um consumo real do motor, pois é impossível simular os meios e estrutura nas quais o veículo irá operar (MCT, 2001)) é feita para que chegue aos fatores de emissão de cada elemento presentes no óleo diesel. Após os testes de consumo específico, foram estabelecidos os fatores de emissão do CO, NMHC, NOx e MP para os motores por fases do PROCONVE. Podemos visualizar na tabela 3 que a diminuição do consumo específico tabela 2 de óleo diesel não é linear quando relacionado a queda nos fatores de emissão dos gases, pois quando o consumo é menor, ou seja, menos combustível no interior do cilindro, o motor tende a ser mais eficiente de forma que a diminuição da má-queima do combustível diminui em grande porcentagem a emissão do material particulado (MP) visto que a principal causa do MP é a má-queima do combustível (BRUNETTI, 2012b). 29

5 Tabela 2. Consumo específico de combustível de motores Diesel por fase do PROCONVE (BRASIL, 2011). Fase Consumo específico de combustível (g/diesel/kwh) P-1/P P P P P Tabela 3. Fatores de emissão de CO, NMHC, NOx e MP para motores Diesel por fase do PROCONVE (BRASIL, 2011) Fatores de Emissão para motores Diesel (g/kwh) Fase CO HC NOx MP P-1/P-2 8,27 3,02 47,56 2,933 P-3 7,43 2,48 30,05 1,459 P-4 4,05 1,38 29,33 0,571 P-5 3,77 0,73 21,23 0,355 P-7 3,95 0,76 8,57 0,086 A média de consumo específico segundo a fornecedora do teste, Mercedes Benz, leva em consideração o consumo médio do veículo para obtenção dos fatores de emissão. O resultado obtido com os dados apurados pela STCB foi de 1,89 quilômetros por litro de combustível consumido. O estipulado pelo relatório do PROCONVE foi de 2,3 quilômetros percorridos por litro de Diesel consumido (BRASIL, 2011). Isso mudaria nos resultados obtidos e nos fatores de emissão real. Com o propósito de estipular a diferença entre o veículo híbrido e o veículo convencional à Diesel, utilizaremos a média estipulada pelo PROCONVE, já que foi esse o referencial para a obtenção dos limites de teores. A quilometragem percorrida pela frota da STCB servirá para o dimensionamento da emissão dos gases poluentes emitidos pela mesma. Na tabela 4, com os parâmetros utilizados pelo PROCONVE, aqui relacionados, foram obtidos os seguintes resultados expressos em g/km para ônibus urbano. Determinados os teores de cada elemento, presente no óleo Diesel, e nocivos direta ou indiretamente aos seres humanos, poderemos calcular os níveis de emissões da frota relacionada na tabela 1. 30

6 Tabela 4. Fatores de emissão de CO, NOx, NMHC e MP para motores Diesel, em g/km (BRASIL, 2011) Fatores de Emissão para motores Diesel Ônibus Urbano Fase CO HC NOx MP P-1/P-2 3,06 1,12 17,57 0,023 P-3 2,75 0,92 11,1 1,084 P-4 1,5 0,51 10,84 0,539 P-5 1,39 0,27 7,84 0,211 P-7 1,46 0,28 3,17 0,131 O método de cálculo utilizado será o do PROCONVE, descrito em seu 1º inventário Nacional de Emissões Atmosféricas por veículos automotores Rodoviários Relatório Final Elaborada pelo Grupo de Trabalho instituído pela Portaria Ministerial nº 366, de 22 de setembro de Para o cálculo utilizou-se a seguinte equação: E Fr Lu Fe A taxa anual de emissão do poluente é representada por E. O fator de emissão do poluente é expresso em g/km e representado por Fe. A frota relacionada na Tabela 1 é representada por Fr. A intensidade de uso do veículo é a quantidade de quilômetros percorridos no ano e é representado por Lu (BRASIL, 2011). Para o cálculo do teor de emissão dos veículos, relacionados na Tabela 1, será utilizado como referência a taxa mensal e não anual, como o modelo de cálculo do PROCONVE estabelece, pois, os dados da frota relacionada é mensal, como também, a quilometragem percorrida dos veículos que serão estipulados pelo mês referido da Tabela. Assim, inicialmente o cálculo será mensal e posteriormente será estipulado por 12 meses: E mensal Fr Lu mensal Fe Os resultados obtidos foram em valores aproximados da emissão dos gases poluentes, pois utilizando o resultado obtido mensal multiplicou-se por 12 meses assim obtendo a taxa anual de emissão. Ocorre que a empresa tem um contrato a cumprir, portando, tendo ou não passageiro ele deverá operar a mesma distância nos 12 meses do ano. Os valores calculados para a frota de veículos existentes no distrito federal são mostrados na tabela 5.Os resultados obtidos foram em valores aproximados da emissão dos gases poluentes, pois utilizando o resultado obtido mensal multiplicou-se por 12 meses assim obtendo a taxa anual de emissão. Ocorre que a empresa tem um contrato a cumprir, portando, tendo ou não passageiro ele deverá operar a mesma distância nos 12 meses do ano. Estipulados os valores das taxas de emissão de cada elemento nocivo ao meio ambiente e à saúde da população iremos compara-los com as taxas de emissão dimensionada para frota de veículos híbridos. 31

7 CO Tabela 5. Resultados obtidos para frota de 53 ônibus que operam no Distrito Federal. Nº de Veículos Km percorrido/mês FONTE: Própria. Teor de emissão Taxa de emissão g/mês Taxa de emissão Kg/mês Taxa de Emissão Anual (kg/ano) 1, ,00 236, ,98 HC 0, ,00 45,28 543, ,00 NOx 3, ,00 512, ,07 MP 0, ,70 21,18 254,19 Cálculo de poluentes emitidos por veículo híbridos. Neste item serão dimensionadas as emissões dos gases poluentes emitidos pelos veículos híbridos, de forma a determinar a comparação entre esses veículos com os convencionais. O veículo híbrido utilizado para o teste é o modelo 7700 fabricado pela Volvo e faz parte dos veículos dentro da fase 7 do PROCONVE denominados veículo Euro V. O veículo utiliza o sistema em paralelo, descrito no item 5.2, ou seja, combina um motor a Diesel de 210 cv com um motor elétrico de 160 cv (AEA, 2014). Possui um sistema de refrigeração das baterias para controle da temperatura para o armazenamento de mais energia (VOLVO, 2014). O veículo da Volvo reduz 50% da emissão de material particulado (MP) em comparação aos veículos convencionais (AEA, 2014), cerca de 90% da emissão de hidrocarbonetos (HC) e nitrogênio (NOx), e ainda 50% na redução do monóxido de carbono (CO). Com essas estimativas podemos iniciar o dimensionamento das emissões dos veículos híbridos. Na tabela 6 temos a estimativa da dimensão da taxa de emissão dos veículos híbridos em substituição da frota convencional da empresa STCB. Tabela 6. Fatores de emissão veículo híbrido (g/km). Fonte: Própria Fatores de Emissão para motores Diesel (g/km) Fase CO HC NOx MP Ônibus Urbano P-7 1,46 0,28 3,17 0,131 Fatores de Emissão veículo Híbrido Reduções 50% 90% 90% 50% Ônibus Urbano Considerando a Fase P-7 0,73 0,028 0,317 0,

8 Para obter o resultado da média de consumo do veículo foi utilizada a seguinte equação: Onde: é a media de consumo de combustível dada em quilômetros por litro Km/L; é a distância percorrida pelo veículo dada em quilômetros (Km); é o consumo específico de combustível dado em litros (L). Dessa forma podemos estabelecer uma média total, relacionando toda operação da frota de veículos e chegando a uma média de consumo mensal total, assim temos: Sendo: estabelece o consumo de óleo diesel total da frota e; é a quantidade de veículos que compõe a frota. Considerando que o veículo híbrido consuma 35% menos litros de combustível para mesma quilometragem percorrida do veículo convencional (ARIOLI, 2009). Utilizando esse fator e as equações acima foram estimados os valores de consumo para veículos convencionais e híbridos, os valores podem ser observados na tabela 7. Tabela 7. Média de consumo entre os veículos convencionais e veículos híbridos. Fonte: Própria. Veículo Convencional à Diesel Veículo Híbrido (redução de 35% no consumo de combustível) Nº de veículos Distância percorrida/mês (Km) , ,00 Combustível (l) , ,63 Média de Consumo (km/l) 1, , Segundo a ANP (Agência Nacional do Petróleo) em seu 1º Inventário Nacional de Emissões Atmosféricas por Veículos Automotores Rodoviários Relatório Final Elaborado pelo Grupo de Trabalho instituído pela Portaria Ministerial nº 366, de 22 de setembro de 2009, para o dimensionamento do Dióxido de Carbono foi considerado que para cada litro de óleo Diesel consumido o veículo emite aproximadamente 2,671 quilogramas. A tabela 8 mostra a dimensão da taxa de CO2 fornecido ao meio ambiente ao se utilizar óleo Diesel como combustível em veículos híbridos. Considerando que o veículo irá operar durante 12 meses pôde estabelecer a dimensão da taxa anual. 33

9 Tabela 8. Dimensão mensal da Taxa de CO2 para veículos híbridos. Fonte: Própria Fase Consumo de Comb. (L) Fator de Emissão de CO2 (kg) Taxa mensal de Emissão de CO2 (kg) Taxa anual de Emissão de CO2 (kg) Ônibus Urbano P ,63 2, , ,28 RESULTADOS Com os resultados dos dimensionamentos dos gases nocivos provenientes dos veículos convencionais e híbridos foram estabelecidas as comparações das taxas de emissão para os veículos híbridos e convencionais. O dimensionamento da quantidade de gases poluentes fornecidos pelos veículos convencionais à Diesel e veículos híbridos já mostram uma grande vantagem da tecnologia híbrida. Para reforçar esta vantagem, iremos a uma análise quantitativa dos pontos principais que os veículos híbridos possuem melhores que os veículos convencionais. fixa e de melhor eficiência térmica, eliminando as rotações variáveis responsáveis pela sobrecarga no motor. Desse modo diminui-se a emissão de MP, o emissor mais visível dos gases, a fumaça que sai do escape, pode diminuir até 50% desse gás tão nocivo para a sociedade (SCHWOB, 2011). O monóxido de carbono tem uma redução de 50%, como visto na tabela 12. Uma redução de significativa de 90% em hidrocarbonetos emitidos pelo escape. Utilizando o veículo híbrido para operarem em sua frota, a STCB reduziria em quase um milhão de quilos anuais de CO2 na atmosfera. Esse número é animador e traz uma grande característica do veículo híbrido sobre o veículo convencional. A redução da emissão de gases poluentes já é uma grande vantagem do veículo híbrido sobre o veículo convencional, pois o motor a combustão está em uma rotação Tabela 9. Comparação das Taxas de emissão dos veículos convencionais e veículos híbridos. Elementos do Diesel CO Nº de Veículos Distância percorrida (Km) Veículos Convencionais a Diesel (kg/ano) Veículos Híbridos (kg/ano) Redução anual (Kg) 2.832, , ,49 HC 543,31 54,33 488,98 NOx , ,07 615, ,96 MP 254,19 127,1 127,09 CO , , ,25 34

10 CONCLUSÃO Soluções em desenvolvimento de tecnologias no setor de veículos automotores têm criado frentes de pesquisa quanto à responsabilidade social no controle de emissão de gases poluentes. A pesquisa no dimensionamento dos gases nocivos ao meio ambiente e à saúde da população é um meio de identificar os principais pontos causadores e de uma forma de serem reduzidos deforma eficiente. O dimensionamento das taxas de emissões dos veículos mostra uma grande diferença ao utilizar veículos híbridos como frota operante. A diminuição do consumo de combustível e da utilização de MCI que trabalha sem grandes cargas mostra um resultado animador à diminuição dos gases de efeito estufa e da poluição sonora. O dimensionamento executado confirma a previsão de benefícios ao substituir veículos convencionais por veículos híbridos. Os resultados mostram uma redução de CO2 bastante satisfatório, pois a emissão desse gás é um dos principais causadores do efeito estufa e mostra um caminho promissor a ser seguido como medida de redução de gases poluentes. A utilização de teores de emissão estipulados pelo PROCONVE foi fundamental para o dimensionamento dos gases poluentes, consequentes da utilização do óleo Diesel. A etapa principal do trabalho foi o de buscar esses números e utiliza-los como base no cálculo e dimensionamento dos gases emitidos pela frota operante, descrita no anexo I. A falta de teores de emissão para veículo híbridos foi um grande obstáculo para o objetivo principal do trabalho que é a comparação entre os dois tipos de veículos. Dessa forma foi necessário utilizar as porcentagens de redução garantida por fabricantes de veículos híbridos e afirmada por usuários dessa tecnologia. REFERENCIAS BARAN, Renato; LEGEY, Luiz Fernando Loureiro. Veículos elétricos: história e perspectivas no Brasil. In: XIII Congresso Brasileiro de Energia, Brasil ÁLVARES JR, O. de M.; LINKE, R. R. A. Metodologia simplificada de cálculo das emissões de gases do efeito estufa de frotas de veículos no Brasil. São Paulo: CETESB, v. 182, VE. Veículos Elétricos a Bateria, Híbridos e de Célula a Combustível. Disponível em:< ds/associacao_brasileira_veiculo_eletrico_ Constituida_Rio_de_Janeiro.doc>, acesso em: 11 de novembro de MCT (2001). Inventário da emissão de gases de efeito estufa: setor de transporte rodoviário veículos leves Brasil. Ministério da Ciência e Tecnologia, Brasília, DF. 35

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