O Energia, Primária, Final, Útil e
Equivalente e Atividade Econômica

Carlos Feu Alvim        
feu@ecen.com
Omar Campos Ferreira
omar@ecen.com
Frida Eidelman           
frida@ecen.com
José Goldemberg         

Introdução

Energia é insumo indispensável às atividades do homem . A correlação entre energia e produção é um postulado da época industrial em que energia é um dos insumos básicos.

A evolução do consumo após os choques de petróleo da década de setenta colocou em cheque esta correlação quase linear entre atividade econômica e uso da energia já que os países centrais conseguiram, durante mais de uma década, crescimento econômico sem o correspondente crescimento da energia consumida.

A evolução nos métodos de produção tornaram evidente que havia ganhos de eficiência notáveis a serem alcançados seja por providências de conservação (evitar perdas) seja na mudança do processo de produção.

Ficou também evidente que a política de conservação ou de redução do conteúdo de energia por produto produzia melhores resultados práticos em países desenvolvidos onde havia recursos financeiros para serem mobilizados. Isto é natural uma vez que a conservação implica, depois de uma fase inicial de otimização do uso, investimentos em máquinas, equipamentos e processos, além do progresso gerencial.

Na comparação Energia X Atividade Econômica, houve um progresso metodológico importante para tornar comparável as moedas de diversos países de uma maneira que não se ficasse limitado à da taxa de câmbio entre as moedas, freqüentemente distorcida ou manipulada pelos governos ou regidas por mercados imperfeitos.

Por exemplo, se for utilizada simplesmente a taxa de câmbio o PIB do Brasil teria se reduzido de 40% em poucos meses do início deste ano de 1999. Esse inconveniente é evitado trabalhando-se com metodologias que procuram apurar o poder de compra da moeda local.

Falta ainda, na área energética, uma medida conveniente para levar em conta a diferença de rendimento dos diferentes energéticos nos diferentes usos. Algum progresso foi alcançado quando se passou a medir não somente a energia primária mas a energia final, em condição de ser consumida.

Expressando a energia ofertada e consumida em termos de energia final se encontrava o justo meio de comparação entre, por exemplo, a energia hidráulica e o gás natural na geração de eletricidade.

Mas, ainda sob a forma de energia final, o mesmo gás é utilizado para aquecimento de água, concorrendo com a eletricidade em usos domésticos, sem que suas eficiências relativas fossem consideradas.

O conceito de energia útil aprofunda a consideração do fator eficiência ao levar em conta, para cada uso, a eficiência dos diferentes energéticos. Foi necessário, para elaborar balanços de energia útil, esquematizar os usos de uma maneira a tornar prática a aplicação deste conceito.

Embora o conceito de energia útil não seja, sem jogo de palavras, inútil e permita comparar os diferentes energéticos para cada uso - a soma da energia expressa nesta forma, apresenta dificuldades de generalização que não são menores que as encontradas na soma da energia primária ou final.

A solução ótima estaria na elaboração de uma análise exergética do uso da energia em um país ou atividade. A generalização dessa metodologia é possível e desejável mas teria que passar por um trabalho desenvolvimento metodológico – em parte já realizado – e principalmente de um trabalho didático. Esse trabalho poderia ter êxito, uma vez que, o conceito de exergia não é, a rigor, menos intuitivo que o de energia.

Se aprendemos nas escolas que a energia se conserva na natureza e apenas muda de forma seguimos falando de "gastar energia" e, até os técnicos na área, falamos - como acabamos de fazer - em conservar e consumir energia…. Isto sem falar na conversão de massa em energia (na área nuclear) que é "perfeitamente compreendida" pelos que sempre consideram que a massa da lenha que viram queimar em sua infância convertia-se na energia sob a foma mais facilmente percebida como tal – o calor.

Uso anterior do conceito de Energia Equivalente

O conceito de energia equivalente foi utilizado por um grupo inter-ministerial coordenado pelo MME-Brasil na elaboração da matriz energética brasileira como evolução do conceito de energia útil. [Metodologia de Projeção de Demanda de energia a partir da Energia Equivalente de Substituição Carlos Feu Alvim et al. – Reunião brasil/EUA de Planejamento energético – Washington 4 a 6/12/1990]

Ele consiste em tomar para cada uso um energético equivalente. No caso tomou-se "óleo combustível equivalente" para os usos de calor de processo e aquecimento direto e de "diesel equivalente" na área de transporte como já vinhamos utilizando nas análises do "Programa do Álcool" brasileiro.

Note-se ainda que, levando em conta a maior eficiência da energia hidráulica na geração de energia elétrica comparada a outras fontes - e atendendo o um desejo político de enfatizar a participação da energia doméstica no balanço energético brasileiro – a energia hidráulica é valorizada no Brasil como energia primária considerando sua capacidade de gerar eletricidade. Tratamento similar chegou a receber o álcool combustível para valorizá-lo em relação à gasolina.

Ou seja, o que se busca com o conceito de energia equivalente é sistematizar, de uma maneira facilmente assimilável pelo analista externo, o "consumo" de energia em energia equivalente. Tentaremos também passar todas as equivalências pelo menor número de combustíveis de referência e, se possível, por um único.

Conceitos

Torna-se conveniente rever alguns conceitos. Normalmente o "conteúdo energético" de fontes primárias são consideradas contabilizando sua capacidade de dissipação de calor no ambiente. Usa-se normalmente para os combustíveis o "poder calorífico superior".

As fontes primária são menos aptas ao uso direto e recorre-se a uma operação de transformação que converte o petróleo em seus derivados para usos diversos, o carvão em coque, a lenha em carvão, etc. Diversos combustíveis, primários ou secundários, são convertidos em eletricidade para usos, em geral, mais nobres.

Nos balanços energéticos isto é tratado pela relação

Energia Primária = Energia Final + Perdas na Transformação

Nos balanços de energia útil considera-se, para cada uso j, a eficiência do combustível i de tal forma que

Energia Útil(i,j) = Energia Final (i,j) * Eficiência(i,j)

Ou

UE(i,j) = FE(i) * E (i,j)

Os usos considerados no Balanço de Energia Útil brasileiro são: força motriz, aquecimento direto, calor de processo, iluminação, eletroquímica e outros.

Como os balanços energéticos não subdividem por uso a energia final, para calcular a energia final usada em cada setor é necessário conhecer ainda a distribuição D(i,j) de cada energético por tipo de uso. Isso é feito, por amostragem para cada setor econômico, e vale para uma determinada região ou país.

Usando-se a mesma tecnologia espera-se que esta distribuição varie pouco entre os países. Como, na realidade, existem diferentes graus de evolução tecnológica esta distribuição pode, em alguns setores, divergir consideravelmente.

Tem-se

FE(i,j) = FE(i) * D(i,j)

Considerando-se a eficiência (sempre para um determinado setor) do energético i no uso j como E(i,j) teremos a energia útil definida como

UE(i,j) = FE(i,j) * E(i,j)

Para cada uso específico faz sentido, por exemplo, tratar o consumo de energia útil por unidade de produção. Esta relação é notavelmente mais estável que a relação energia final / produto quando energéticos de diferentes eficiências são utilizados. Para esse fim. faz sentido apurar a energia útil, para o mesmo uso, proveniente de diversos energéticos.

Pode ainda haver interesse em apurar, para cada setor, a eficiência média com que um energético é utilizado obtendo-se

A somatória à direita é o fator de conversão de energia útil em final para o energético i dadas as distribuições D(i,j) e as eficiências E(i,j).

A Energia Equivalente é definida como

Energia Equivalente(i,j) = UE(i,j)/E(io,j)

Onde E(io,j) é eficiência no setor considerado do combustível io de referência.

Ou

EE(i,j) = UE(i,j)/E(io,j) = FE(i,j) * E (i,j) / E(io,j)

Eleito um energético io de referência teremos, por definição,

Gera-se, para cada setor e cada energético, um coeficiente de conversão de energia final em equivalente que resulta da média das eficiências relativas ponderada pela destinação da energia final no setor. Na expressão para a energia útil obteve-se, da mesma forma, um coeficiente de conversão para cada energético para cada setor. Será visto, através de um exemplo prático, a maior conveniência de usar a energia equivalente.

Coeficientes de Equivalência – Energia Útil

Foram consideradas, para cada setor especificado no balanço energético eficiências de referência para as quais deveria tender o uso de cada energético fornecidas pelo Balanço de Energia Útil 1993 - MME/Brasil), Essas eficiências são as usadas para avaliar o potencial de conservação no Brasil usando-se tecnologias existentes. Como se pretende usar as eficiências médias para a intercomparação entre vários países estas eficiências foram consideradas mais significativas que as atualmente praticadas no Brasil onde os esforços de conservação de energia ainda são bastante limitados. A distribuição por uso de cada energético em cada setor usada foi a considerada para o Brasil no ano de 1993.

Como os dados dos balanços utilizados são mais agregados que os disponíveis no Balanço Energético Brasileiro e como o objetivo deste trabalho é obter uma primeira aproximação foram obtidos os coeficientes de conversão médios, considerados os usos dos energéticos em cada setor, para três agregados a saber: industrial, transportes e outros. Os coeficientes foram obtidos fazendo-se, para cada energético, e os diferentes setores k da economia que compõem cada agregado

Fazendo-se o mesmo para energia final obtem-se para cada energético e por agregado a:

UCa(i) = UEa(i)/FEa(i)

Analogamente, para energia equivalente obtem-se coeficientes

CEa(i) = EEa(i)/FEa(i)

Coeficientes médios de conversão de Energia Final para Energia Útil

O presente trabalho pretende fazer, em uma primeira aproximação, uma comparação entre o uso de energia, primária, final, útil e equivalente expressa em função da atividade econômica expressa em paridade de poder de compra. Para esta aproximação usou-se a estrutura agregada mostrada na tabela e uma agregação de energéticos conforme aparecem nos balanços energéticos divulgados pela OCDE para vários países. Na estrutura utilizada chega-se, tomando-se uma estrutura de uso da energia final como a do Brasil, à seguinte tabela de equivalência

Esta tabela surge da anterior onde os diversos energéticos são agrupados e ponderados em função de seu uso (soma dos valores em energia útil / soma de valores em energia final).

Nas duas tabelas anteriores ficam aparentes alguns inconvenientes do uso deste tipo de equivalência quando considerados os totais. Os derivados de petróleo, na última coluna que especifica o total, aparecem com eficiência relativamente baixa quando comparado com carvão e gás nessa coluna. A explicação é facilmente compreensível quando se olha na coluna indústria – onde as equivalências são as esperadas – e compara-se com a coluna transportes, onde as equivalências também são as esperadas mas com eficiências mais baixas, já que se está medindo a conversão energia química em motriz, enquanto, na indústria, o predominante é a conversão dessa energia em calor de processo ou de aquecimento direto. Logicamente como os derivados de petróleo são predominantes no uso energia no transporte eles aparecem, na média, com baixa eficiência.

Comentários análogos podem ser feitos para as fontes na primeira tabela ressaltando-se as baixas eficiências da gasolina e do álcool quando comparados com o óleo combustível ou o carvão mineral em suas diversas formas.

Coeficientes para Energia Equivalente

Na obtenção da energia sob a forma de energia equivalente é necessário escolher, para cada tipo de uso, um tipo de combustível de referência. Para força motriz foi escolhida a gasolina, para calor de processo e aquecimento direto foi escolhido o gás natural. Para iluminação, eletroquímica e outros foi usada a eletricidade que é exclusiva ou praticamente exclusiva nestes usos.

Em seguida esses valores foram unificados para equivalente em gás natural usando-se a equivalência 1 (razão entre as eficiências) entre gás natural e gasolina apontada para o uso em força motriz pelo Balanço de Energia Útil brasileiro. Por fim, tomou-se como equivalência entre eletricidade e gás natural o valor de 3,57 que a eficiência de geração de eletricidade a partir de gás natural (28%). Este procedimento permitiu expressar todos os energéticos em função de energia equivalente em gás natural. O resultado é mostrado na tabela seguinte.

Os valores relativos nas diversas colunas são menos discrepantes entre si o que conduz a valores totais mais compatíveis. A única surpresa parece ser uma eficiência do carvão metalúrgico, 6% superior a do gás natural, que tem uso muito específico na siderurgia, em direto contacto com o material a que é fornecido o calor (parte se incorporando ao mesmo).

Coeficientes médios de conversão de Energia Final para Energia Equivalente

Para a estrutura agregada dos balanços da OCDE usamos as seguintes equivalências

Os resultados são os esperados intuitivamente com exceção do carvão cuja explicação foi apresentada anteriormente. Este fator, para uso em outros países, deveria estar mais próximo do encontrado na tabela anterior para o carvão vapor já que, no caso do Brasil, sua utilização na indústria é praticamente nula na geração de calor.

Entretanto, como o carvão ousado no Brasil é de má qualidade o valor do coeficiente a ser usado deveria ser superior ao de 0,87. Além disto, seria necessário considerar o uso na siderurgia nos outros países que também apresentaria alta eficiência relativa.

Os resultados preliminares que apresentaremos usam os coeficientes encontrados para o Brasil. Em trabalhos futuros, deve-se considerar setores e energéticos em uma maior desagregação o que evitaria os inconvenientes da análise agregada que estamos apresentando.

Energia e Atividade Econômica

No que se segue, apresenta-se o resultado da comparação dos valores do consumo energético para países em uma vasta gama de desenvolvimento comparadas as atividades econômica medidas pelo poder de compra (metodologia PPP). Os valores foram também obtidos nos balanços energéticos da OCDE. Todos os valores referem-se ao ano de 1996.

Os países estão ordenados por ordem de PIB per capita sendo o PIB medido em paridade do poder de compra (metodologia PPP) expresso em dólares de 1990.

Países, população, Energia Equivalente e intensidade de uso de Energia Primária (PE), Final(FE), Útil (UE) e Equivalente (EE) por produto medido em paridade de poder de compra (GDP PPP – Gross Domestic Product, Purchase Power Parity)

Na Figura 1 estão representados os países, em ordem de PIB/hab, o valor do produto per capita, e os coeficientes Energia Final/PIB. Pode-se notar que os países mais pobres apresentam maior índice de energia final por produto que os países mais ricos. Quando se observa esta relação em termos de energia útil e energia equivalente esta diferença praticamente desaparece como pode-se observar nas figuras 2 e 3

Figura 1: Energia Final por dólar de produto para países ordenados por PIB/hab.

Figura 2: Energia Equivalente por dólar de produto para países ordenados por PIB/hab.

Figura 3: Energia Útil por dólar de produto para países ordenados por PIB/hab

Da análise preliminar dos gráficos pode-se notar que países com baixa renda apresentam alto consumo de energia final em relação ao produto. Isto se deve fundamentalmente a baixa eficiência do tipo de energéticos usados (eficiências para cada país não foram aqui consideradas). Com exceção do Haiti, cujo consumo relativo é elevado em qualquer critério considerado, os países mais pobres não se destacam da média quer nos coeficientes de energia útil quer no de energia equivalente. A relação Energia Final / Energia Equivalente mostrada na Figura 4 deixa isto bastante explícito.

Figura 4: Os países mais pobres apresentam alta relação Energia Final / Energia Equivalente assinalando a baixa eficiência dos processos usados.

Outro fato interessante é que a pequena dispersão dos valores de Energia Final / Energia Equivalente torna claro que a vantagem de se trabalhar com energia equivalente - e não energia final - são maiores para países de baixa e média renda. No caso de paises ricos, se a modificação não produz melhoras, também não produz distorções o que a torna de uso mais geral.

Mesmo para países com PIB per capta superiores pode-se notar a tendência de uso de energéticos mais eficientes quando aumenta a renda, como mostra a Figura 5.

Figura 5: Valores da figura anterior para países com PIB per capta superior a 10 000 dólares anuais

Energia x Produto

A relação positiva entre o produto e energia continua a existir, qualquer que seja a forma de computar a energia, como é demonstrado no gráfico da Figura 6 onde estão representadas as energias primária, final, equivalente e útil em função do PIB.

Figura 6: Valores Energia X PIB para os diversos países estudados (gráfico logarítimico)

Em termos de coeficientes Energia/Produto a serem utilizados é fácil perceber na Figura 7 que as energias primária e final apresentam valores bastante diferentes entre países ricos e pobres.

Figura 7: Coeficientes Energia/Produto para diferentes países para energia primária, final, útil e secundária

Ajustes de retas aos pontos da Figura 7 mostram inclinações negativas para as curvas referentes aos coeficiente para energia primária e final, menor inclinação para energia útil e inclinação praticamente nula para energia equivalente.

Em termos de dispersão os resultados da tabela abaixo mostram que, muito embora o coeficiente de energia útil possa ser usado nas diferentes faixas de energia, ele introduz uma maior dispersão relativa em relação a todos os países. a menor dispersão é encontrada no coeficiente de energia equivalente.

Na Figura 8 mostra os valores de Energia Equivalente per capta em função do GDP PPP per capta para os diferentes países estudados.

Figura 8: Energia Equivalente/habitante em relação ao consumo por habitante.

Conclusão

Assim como os índices de atividade econômica necessitam de uma correção que minimize os efeitos da taxa de câmbio os dados de energia necessitam alguma correção que leve em conta as diferentes eficiências nos diversos usos.

Para um mesmo tipo de uso (força motriz, calor de processo, aquecimento direto, iluminação, etc ) o conceito de energia útil parece satisfatório para se lidar com diferentes tipos de energia. O conceito de Energia Equivalente, aqui sugerido, parece adequado para estudo das relações energia com produto. Aconselha-se que, em trabalhos adicionais, uma melhor determinação dos coeficientes a partir de um aperfeiçoamento das eficiências utilizadas e da distribuição da energia por uso em cada país.

Os resultados preliminares mostram que os países mais pobres usam fontes de energia normalmente usadas com menor eficiência. Note-se que quase não existem tecnologias adequadas a melhoria dessa eficiência, apesar de estudos em laboratório haverem indicado possibilidade de incrementar substancialmente essas eficiências com baixo custo. Citamos, como exemplo, o trabalho desenvolvido em 1984/85 pela Fundação Christiano Ottoni para o Plano de Contingência de Combustíveis, da Comissão Nacional de Energia, em que foram obtidos ganhos de 300 e 200% respectivamente, para o uso de lenha e carvão vegetal em fogões domésticos de projeto melhorado.