Economia & Energia
Ano IX -No 52:
Outubro-Novembro 2005 
ISSN 1518-2932

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Artigo:

Balanço de Carbono nas Emissões Causadoras do Efeito Estufa
e no Uso e Transformação de Energia no Brasil:
Comparação das Emissões nas Metodologias
 “Top-Down” Estendida e “Button-Up”
– Análise de Resultados e Conclusões.
Carlos Feu Alvim, Frida Eidelman e Omar Campos Ferreira

Texto para Discussão:

Alternativa ao Protocolo Adicional a
Acordos de Salvaguardas Nucleares com a AIEA
Carlos Feu Alvim

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Artigo

Balanço de Carbono nas Emissões Causadoras do Efeito Estufa e no Uso e Transformação de Energia no Brasil:

Comparação das Emissões nas Metodologias “Top-Down” Estendida e “Bottom-Up” – Análise de Resultados e Conclusões

Carlos Feu Alvim, Frida Eidelman e Omar Campos Ferreira

Introdução

A Organização Economia e Energia realizou, em Convênio com o Ministério de Ciência e Tecnologia, estudo sobre o balanço de carbono nas emissões no uso e transformação da energia. A divulgação dos resultados desse estudo vem sendo feita pela revista e&e. Assim já foram divulgados:

● O Balanço de Carbono na Produção, Transformação e Uso de Energia no Brasil – Metodologia e Resultados no Processo “Top-Bottom” para 1970 a 2002 (e&e N 48).

● O Balanço de Carbono nos Centros de Transformação de Energia (e&e N 50).

● Resultados correspondentes ao processo de contabilidade adotado que compreende a extensão da abordagem “top-down” e o uso de coeficientes apurados no inventário nacional do Brasil para os anos 1990 a 1994 para estimar, pelo processo “Bottom-Up” as emissões de 1970 a 2002 (e&e Nº 51).

Na presente edição são comparados os resultados dos dois métodos e apontados alguns desvios encontrados que devem gerar correções na apuração do balanço de carbono e correções na apuração do inventário de emissões. As sugestões para efetuar as correções são apresentadas e deverão ser objeto de uma análise complementar.

Comparação das Emissões pelos dois Métodos

O programa benemis, elaborado para apurar as emissões, permite obter tabelas sintéticas agrupando energéticos e setores da economia. No caso da versão benemis_c_eee os dados de carbono contido, emissões pelos dois processos e comparação entre elas também podem ser obtidos para cada ano.

A Tabela 1 mostra os valores do carbono contido, sem descontar as emissões, para os principais setores de consumo e fontes de energia agrupadas por origem[1].

Nas tabelas seguintes as emissões apuradas pelos métodos “Top-Down” (Tabela 2) e “Bottom-Up” (Tabela 3) são comparadas na forma agregada. A Tabela 4 ilustra o procedimento usado para a comparação: as discrepâncias relativas das duas apurações são indicadas por cores com limiares fixados pelos percentuais dos desvios (branco para discrepâncias inferiores a 0,1% ou valores nulos, verdes para diferenças entre 0,1% e 10%, amarelo entre 10 e 30% e vermelho acima de 30%). A aplicação nas tabelas agregadas adiciona uma dificuldade a mais, que é o critério de agregação por combustível de origem. No caso de gases, por exemplo, o “de cidade” teve, ao longo do tempo diferentes origens e na estrutura usual do BEN ele é apresentado juntamente com o gás de coqueria. Na alocação por origem atual do programa ele é registrado como de carvão mineral.

1: Carbono Contido nos Combustíveis Utilizados em Gg/ano, Ano 1990

                           (*) Exclui Transformação

2: Emissões de Carbono em Gg/ano (1990) – Método “Top_Down”

3: Emissões por Setor e por Grupo de Combustíveis -
Ano:1990 - Gg /ano “Bottom-Up”

A identificação dos problemas fica mais fácil quando se examinam as diferenças por combustível e em uma maior desagregação de contas. Isto será feito em seguida. Preliminarmente, vale observar que na Tabela 4 as casas em vermelho para o carvão mineral identificam problemas de alocação ao combustível de origem, notadamente o gás. Alguns desvios assinalados para a biomassa devem advir de dificuldades já detectadas na transformação.

A Figura 1 mostra as emissões, por setor e por combustível de origem, obtidas a partir de coeficientes gerados no processo “Bottom-Up” O Setor de Transportes é o maior responsável pela emissão de carbono originário de fontes fósseis.

As tabelas seguintes ilustram as saídas obtidas para apuração do balanço de carbono (ano 1990) e são usadas para analisar os problemas existentes.

As duas primeiras (Tabela 5 e Tabela 6) mostram o conteúdo de carbono original dos combustíveis usados para as transformações e consumo. Nas transformações, as massas negativas assinalam (como no BEN) a absorção de um energético que é transformado em outro assinalado com entrada positiva na mesma linha. Para os centros de transformação onde as emissões não são computadas (Refinarias de Petróleo, Plantas de Gás natural, Usinas de Gaseificação, Coquerias, Destilarias e Outras Transformações), a coluna “Total” da direita assinala as imperfeições no balanço de carbono. Mais adiante, usando os resultados contidos das tabelas que se seguem será possível completar o balanço de carbono das demais unidades de transformação.

4: Comparação dos Resultados pelos dois Processos,         
 a. diferença percentual referida aos dados “Bottom-Up” (cores classificam os desvios)

1: Valores de carbono emitido por setor e por combustível de origem.

A Tabela 7 apresenta as emissões obtidas pela reconstituição da apuração “Bottom-Up” e a Tabela 8 as obtidas através do processo “Top-Down”. A Tabela 9 apresenta a crítica dos resultados obtidos indicando os valores percentuais do desvio encontrado entre os dois processos (valores relativos ao valor “Bottom-Up”). 

5 – Conteúdo de Carbono por Atividade e por Energético
 (Consumo Final) – Ano 1990 – Gg/ano

6: Conteúdo de Carbono por Atividade e por Energético
(Transformação) – Ano 1990 - Gg /ano

7: Emissões por Atividade e por Energético (Consumo Final e
Transformação) – Método “Bottom-Up” - 1990 - Gg /ano

8 Emissões por Atividade por Energético (Método Top-Down”)  1990 - Gg /ano

9: Balanço de Carbono: Comparação “Top-Down” X “Bottom-Up”
(valores relativos ao 2º)

.A crítica do balanço é feita pelo processo já descrito de código de cores. Na Tabela 9 as cores indicam a magnitude das discrepâncias entre os valores apurados pelas duas abordagens. Foi possível com os dados coletados completar a análise dos centros de transformação.

Tendo em vista que o objetivo é a apresentação de diagnóstico e não uma revisão dos coeficientes, foram destacados alguns energéticos cuja análise pode ajudar neste propósito. Para facilitar esta análise, foi deduzida a relação entre os coeficientes de emissão e de conteúdo de carbono que surge da conservação da massa de carbono para a gasolina, a lenha e o álcool carburante. Também foram destacados os casos do diesel e carvão vegetal para permitir uma comparação com os três combustíveis identificados como merecedores de maior atenção.

Balanço de Carbono na Transformação

O resultado dos balanços de carbono para os centros de transformação é mostrado na Tabela 10.

Tabela 10: Balanços de Carbono nas Unidades de Transformação para o Ano de 1990 computando as emissões pelos processos Bottom-Up” e “Top-Down”

Com a inclusão, na Tabela 10, das emissões pelas duas metodologias usadas, os balanços de carbono apresentam resultados satisfatórios para a maioria das unidades de transformação. Nas centrais elétricas autoprodutoras foram detectadas diferenças importantes nos resultados das duas metodologias que podem ser atribuídas à apuração das emissões no uso de “outras primárias” e alcatrão (Cf.Tabela 9). Nas carvoarias as emissões estão subestimadas, mas o problema maior parece estar localizado na metodologia “Bottom-Up”. Na tentativa de equacionar o assunto, a lenha, que apresenta desvios na comparação entre os métodos, será analisada a seguir. O caso das destilarias já foi comentado anteriormente, existindo problemas nos coeficientes massa de carbono/ energia tanto para o álcool (que será analisado a seguir) como para a matéria prima (caldo de cana e melaço), para as quais um coeficiente genérico para líquidos de biomassa é aplicado.

Os Coeficientes de Emissão e a Conservação do Carbono

Os coeficientes de emissão usados pelo programa benemis partem dos resultados da apuração de emissões realizada pelo processo “Bottom-Up” Como a massa de carbono se conserva, esses coeficientes devem guardar uma relação entre si de maneira que se, por exemplo, um automóvel passa a emitir menos monóxido de carbono (CO), a quantidade de dióxido (CO2) ou outro composto de carbono deve aumentar. A relação entre os coeficientes é demonstrada no quadro abaixo.

A relação entre o fator de emissão e o de massa de carbono no combustível será usada para analisar os coeficientes de emissão.

Análise das emissões da Gasolina e Diesel

A gasolina apresenta uma das discrepâncias mais importantes entre a emissão de carbono avaliada pelos dois métodos. Com efeito, no ano de 1990 a massa de carbono apurada pelo processo “Bottom-Up” é 8050 Gg e 5863 gG a apurada pelo “Top-Down” com uma diferença de 37% relativa à massa obtida pelo segundo método.

No ano de 1990 tínhamos, segundo o BEN:

7485 mil tep de gasolina ou 313 mil TJ e 5922 Gg (ou mil t) de Carbono;

usando-se os fatores de 0,04186 tC/tep e 18,9 tC/TJ e supondo-se 99% do carbono oxidável (não retido) teremos 5863 Gg de carbono pelo processo “Top-Down”.

O consumo de gasolina em 1990 no Brasil foi de 7485 mil tep (9606 mil m3), o que corresponde a uma massa de 7041 mil t[2] Essa massa contém 6125 mil t (Gg) de C, usando o teor de carbono obtido em parte anterior deste trabalho[3] deste trabalho que difere em apenas de 3,4% da massa de carbono obtida usando o fator do IPCC.

Deste modo, a massa de carbono calculada a partir das emissões no processo “Bottom-Up” (8050 Gg) excede a da própria gasolina. A massa dos gases de carbono e do carbono contido (dos gases e total) é mostrada na Tabela 11. Os dados são comparados com os divulgados na Declaração Brasileira, diferindo destes apenas para o NMVOC cuja emissão deve ter sido reavaliada após o fornecimento, pelo MCT, dos coeficientes aqui utilizados.

Tabela 11: Emissões de Gases e Massas de Carbono Contidas  para a Gasolina (ano de 1990) e obtenção de fator carbono/energia implícito nos coeficientes de emissão usados.

O fator massa de carbono / energia para corresponder aos fatores de emissão para a gasolina seria 27,1 tC/TJ ao invés de 18,9 conforme IPCC que, entretanto, se revelou adequado no balanço de carbono das refinarias.

A diferença encontrada é atribuída a um procedimento sugerido pelo IPCC em que para o CO₂ seria indicada toda a massa de carbono obtida. Mesmo assim, parece conveniente, para o futuro, evitar este tipo de dupla contagem das emissões. Pelo menos seria prudente explicitar o procedimento adotado e advertir que toda a massa de carbono emitida está considerada nas emissões de CO₂. Uma observação adicional é que em um processo do tipo “Bottom-Up”,  o que se esperaria é que as emissões se baseassem em valores experimentais (no caso medidas em veículos representativos da frota).

Uma modificação deverá ser introduzida no programa benemis no futuro para que também possa ser obtida uma emissão coerente com o balanço de carbono (evitando dupla contagem).

O mesmo tipo de avaliação das emissões foi feito para o diesel (Tabela 12). Os resultados foram comparados com os do inventário. Na metodologia “Top-Down” foram avaliados o carbono contido (17789 Gg na Tabela 6) e as emissões de carbono (17531 Gg na Tabela 8) e que não são muito diferentes da apurada no processo ‘Bottom-Up” (17955 Gg Tabela 7).  Também o valor apurado para fc (20,7 tC/TJ) não é muito diferente do recomendado pelo IPCC (20,2 tC/TJ) e a pequena diferença pode ser causada pela importância relativa das emissões menores que correspondem a apenas 2,3% da emissão total.

Tabela 12: Emissões de Gases e Massas de Carbono Contidas para o Diesel (ano de 1990) e obtenção de fator carbono/energia implícito nos coeficientes de emissão usados

Análise das emissões para a Lenha

A lenha é outro energético (além da gasolina e álcool) para o qual a participação do monóxido de carbono nas emissões é importante e é um caso cuja análise é interessante.

O valor do carbono contido pelo método “Top-Down (17210 Gg) é inferior ao obtido pelo “Bottom-Up” (19341 Gg), como no caso da gasolina. Os coeficientes utilizados, no entanto, são muito menos confiáveis que o da gasolina e, em conseqüência, a determinação da massa de carbono contida também é menos confiável. O valor obtido para fc (25,5 tC/TJ) é inferior ao indicado pelo IPCC e usado na aproximação “Top-Down” (fc=29,9 tC/TJ). Sua obtenção é mostrada na Tabela 13.

Tabela 13: Emissões para a lenha (ano de 1990) e obtenção do coeficiente fc (massa de carbono / energia) correspondente às emissões

Já os valores para o carvão vegetal fornecem (Tabela 14) um coeficiente massa de carbono/ energia compatível com o recomendado pelo IPCC (fc=29,9 tC/TJ) e apresentam uma diferença nas emissões de carbono de apenas 2,6%.

Tabela 14: Emissões para o Carvão Vegetal (ano de 1990) e obtenção do coeficiente fc (massa de C/ energia) correspondente às emissões

Análise das emissões para o Álcool

No caso do álcool o coeficiente massa de carbono / energia na apuração “Top-Down” é incoerente com o obtido a partir dos dados do etanol puro. Os valores das emissões foram transferidos para a tabela15. A massa de carbono apurada nas emissões (4333 Gg) supera a massa avaliada no processo “Top-Down” (3652 Gg) que deve estar subestimada em virtude do fator massa C / energia utilizado (14,81 tC/TJ) também estar subestimado.

O valor da massa de carbono é, entretanto, coerente com o valor esperado a partir do conteúdo de carbono do etanol. Com efeito, a massa de álcool (anidro + hidratado) é de 9063 mil t de álcool, que corresponde a cerca de 8900 t de etanol puro. A partir da fórmula química do etanol e das massas atômicas envolvidas, tem-se que 24/46 da massa de etanol é constituída de carbono,  Disto resulta uma massa de aproximadamente 4600 mil t desse elemento no álcool consumido em 1990. Esta estimativa é também coerente com o valor da massa de carbono dos gases emitidos, Ou seja, neste caso a aproximação “Bottom-Up” parece confiável e o valor encontrado para fc ( 17,9 tC/TJ) é coerente com o esperado para o etanol.

 Tabela 15: Emissões para o Álcool (ano de 1990) e obtenção do coeficiente fc (massa de C/ energia) correspondente às emissões

6. Conclusões

O Balanço de Carbono aqui realizado revelou-se um excelente instrumento de diagnóstico do Inventário das Emissões. Nele os resultados das metodologias “Top-Down” e “Bottom-Up” são confrontados, possibilitando uma análise crítica dos resultados e a identificação de erros.

Os programas de cálculo desenvolvidos propiciam, além disto, uma estimativa das emissões entre 1970 e 2002, estendendo os resultados do inventário (na área energética) compilados pelo MCT para cinco anos (1990 a 1994).

No aspecto metodológico, os destaques foram:

·          Extensão do método “Top-Down” aos centros de transformação e consumo em uma aproximação foi chamada de “Top-Bottom”;

·          Levantamento do Balanço de Carbono e de Energia nos centros de transformação;

·          Demonstração da correlação dos coeficientes de emissão e teores de carbono dos gases produzidos com o fator massa de carbono / energia do combustível;

·          Identificação e avaliação da dupla contagem nos procedimentos “Bottom-Up” onde o volume de carbono de alguns combustíveis pode ser superestimado em até 30%;

·          Metodologia de cálculo do teor de carbono e hidrogênio de combustíveis a partir dos poderes caloríficos inferior e superior dos hidrocarbonetos.

No aspecto de instrumentos de cálculo destacam-se:

·          Programa capaz de gerar as emissões pelo processo “Top-Down” diretamente dos dados de um balanço energético estendido em metodologia equivalente à do IPCC. (ben_eec);

·          Programa que avalia as emissões de carbono a partir dos dados energéticos e de coeficientes de emissão por tipo de uso dos combustíveis que compõem o BEN (benemis_eee_c);

·          Programa que fornece, na estrutura de “contas” e energéticos do BEN, os resultados das emissões de carbono calculadas pelas duas metodologias e as diferenças encontradas na mesma abertura (benemis_eee_c);

·          Comparação entre os resultados das duas metodologias de apuração de emissões usando-se tabelas resumo com codificação de cores (benemis_eee_c).

No aspecto resultados – que não era o objetivo principal do trabalho - cabe destacar:

·          Avaliação pelo processo “Top-Down”das emissões no uso e transformação de energia entre 1970 e 2002;

·          Extensão da avaliação das emissões, usando-se coeficientes extraídos da metodologia “Bottom-Up” para o período 1970 a 2002.

No aspecto diagnóstico cabe assinalar os seguintes pontos:

·          Identificação de que os poderes caloríficos inferior e superior apresentam problemas de coerência e deveriam ser revistos[4]; o caso mais notório no BEN é o do gás natural;

·          Os balanços de carbono em alguns centros de transformação revelam diferenças importantes entre as massas de carbono de entrada e de saída que são mais acentuadas na biomassa; o mais notório é o que resulta (segundo o diagnóstico) de coeficiente massa de carbono / energia incorreto para o álcool; também foram detectadas diferenças no balanço energético que podem advir de valores inadequados dos poderes caloríficos;

·          Os balanços de carbono mostram saldos importantes para combustíveis onde é maior a emissão de outros gases contendo carbono em relação ao gás carbônico em razão da dupla contagem existente na apuração; a maior diferença refere-se à gasolina, sobretudo em anos onde a emissão de monóxido era mais acentuada;

·          Identificação de imprecisões na alocação de energia por combustível de origem, que podem ter influência na contabilidade das emissões (biomassa X combustíveis fósseis).

Recomendações para trabalhos futuros:

·          Elaboração de programa (a partir do ben_eec) capaz de gerar gráficos e tabelas para o inventário na metodologia “Top-Down”;

·          Estudo dos coeficientes de conteúdo de carbono para a biomassa, notadamente na produção de álcool e de carvão vegetal;

·          Análise de consistência dos poderes caloríficos inferior e superior do BEN e estudo dos mesmos a partir de dados existentes na Petrobrás e em outras fontes;

·          Desenvolvimento do procedimento de avaliação de teor de hidrogênio (e carbono) de um combustível a partir da diferença entre os poderes caloríficos superior e inferior;

·          Sugestão de um conjunto coerente de coeficientes de emissão e de teor de carbono a partir da análise dos saldos nos balanços de carbono e energético.

Lista de Anexos ao Relatório ao MCT:

Anexo 1:Carbono Contido, Energia Equivalente e Balanço Energético 49 X 46 -                Programa ben_eec - Manual do Usuário

Anexo 2: Tabelas de carbono Contido nos Combustíveis para Anos Selecionados

Anexo 3: Resultados do Balanço de Carbono para Anos Selecionados

Anexo 4: Relatório Meta 1 do Projeto Balanço de Carbono

Graphic Edition/Edição Gráfica:
MAK
Editoração Eletrônica

Revised/Revisado:
Wednesday, 18 January 2012.