avaliaÇÃo do uso do etanol em substituiÇÃo ao...

AVALIAÇÃO DO USO DO ETANOL EM SUBSTITUIÇÃO AO

ÓLEO DIESEL EM ÔNIBUS URBANOS

Raí Mariano Quintas

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte

dos requisitos necessários à obtenção do título de

Engenheiro.

Orientadores: Alexandre Salem Szklo e David

Alves Castelo Branco

Rio de Janeiro

Dezembro de 2016

iii

Quintas, Raí Mariano

Avaliação do Uso do Etanol em Substituição ao Óleo Diesel

em Ônibus Urbanos/ Raí Mariano Quintas – Rio de Janeiro:

UFRJ/Escola Politécnica, 2016.

Orientadores: Alexandre Salem Szklo e David Alves Castelo

Branco

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso

de Engenharia Mecânica, 2016.

Referências Bibliográficas: p. 75 - 81

1.Óleo Diesel. 2. Etanol. 3. Emissões I. Szklo, Alexandre e

Castelo Branco, David. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,

Escola Politécnica, Programa de Engenharia Mecânica. III

Avaliação do Uso do Etanol em Substituição ao Óleo Diesel em

Ônibus Urbanos.

iv

AGRADECIMENTOS

A meus orientadores, Alexandre Salem Szklo e David Alves Castelo Branco, que

mesmo diante de suas diversas responsabilidades, foram sempre muito solícitos, dando

o apoio essencial ao desenvolvimento desse projeto final.

Ao Professor Sílvio Carlos Anibal de Almeida que, mesmo não sendo meu orientador,

cedeu seu tempo para me atender e contribuir para a construção desse trabalho.

À minha família, por estar sempre ao meu lado, me dando forças para continuar, mesmo

nas horas mais difíceis.

Aos meus amigos de faculdade, que acompanharam todo o processo de

desenvolvimento desse projeto final me incentivando e torcendo por mim.

v

Resumo do Projeto de Graduação à Escola Politécnica/ UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção de grau de Engenheiro

Mecânico.

Avaliação do Uso do Etanol em Substituição ao Óleo Diesel em Ônibus

Urbanos


Dezembro/2016

Orientadores: Alexandre Salem Szklo e David Alves Castelo Branco

Curso: Engenharia Mecânica

Nesse estudo são avaliados, do ponto de vista técnico, alternativas

tecnológicas com a finalidade de promover a substituição do óleo diesel pelo etanol

nas frotas de ônibus urbanos.

Apesar do óleo diesel apresentar ótimas características combustíveis e de já

possuir um mercado consolidado, sua utilização está relacionada a sérios problemas

para a sociedade.

Primeiramente, vale lembrar que o Brasil não é autosuficiente na produção de

óleo diesel, por isso parte do total consumido tem que ser importado, afetando

negativamente a balança comercial externa do país. Além disso, a combustão de óleo

diesel nos motores está associada à poluição sonora e atmosférica, agravando

problemas relativos ao aquecimento global e de saúde publica.

Por conta dessas questões, é proposto como potencial substituto do óleo diesel

o etanol, que além de ser um combustível limpo e renovável, tem grande importância

vi

estratégica para o país.

Baseadas no uso do etanol como combustível, três possíveis soluções de

configuração motor/combustível são propostas: Motor Otto com alta razão de

compressão, motor Diesel bicombustível e motor Diesel utilizando etanol aditivado.

Essas alternativas são simuladas pela ferramenta PAMVEC e têm suas

performances energéticas comparadas com a de um motor Diesel movido a óleo diesel,

configuração ususal das frotas de ônibus no Brasil.

Os resultados mostram que as alternativas apresentadas são viáveis e que sua

implantação pode representar uma redução relevante no consumo de óleo diesel.

vii

Abstract of Undergraduate Project presented for POLI/UFRJ as a part of

the requirements for obtaining the degree of Mechanical Engineer.

Evaluation of the Use of Ethanol in Substitution to Diesel in Urban Buses


December/ 2016

Advisors: Alexandre Salem Szklo and David Alves Castelo Branco

Department: Mechanical Engineering

In this study, technological alternatives are evaluated, from a technical point

of view, in order to promote the replacement of diesel by ethanol in the urban buses

fleet.

Although diesel presents excellent characteristics as a fuel and holds a

consolidated market, its use is related to serious problems for society.

First of all, it is worth remembering that Brazil is not self-sufficient in diesel

production, so part of the total amount consumed has to be imported, negatively

affecting the country’s external trade balance. In addition, combustion of diesel oil in

engines is associated with noise and atmospheric pollution, worsen problems related

to global warming and public health.

Because of these issues, ethanol is proposed as a potential substitute for diesel,

as, besides being clean and renewable, it also has a great strategic importance for the

country.

Based on the use of ethanol as a fuel, three possible engine / fuel configuration

viii

solutions are proposed: Otto engine with high compression ratio, Dual Diesel engine

and Diesel engine using additivated ethanol.

These alternatives are simulated in PAMVEC tool and have their energetic

performances compared to that of a Diesel engine powered by diesel, usual bus fleets

configuration in Brazil.

Results shown that the presented alternatives are viable and that their

implementation may represent a relevant reduction in diesel consumption.

ix

Sumário

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 14

1.1 O Problema .................................................................................................................... 18

1.1.1 Insuficiência na produção de óleo diesel ................................................................ 18

1.1.2 Poluição atmosférica .............................................................................................. 19

1.1.2.1 Gases de efeito local (GELs) ........................................................................... 20

1.1.2.2 Gases de efeito estufa (GEEs) ......................................................................... 22

1.1.3 Poluição sonora ...................................................................................................... 23

1.2 O Objetivo ..................................................................................................................... 24

1.3 A Estrutura do Projeto Final .......................................................................................... 25

2 REVISÃO DA LITERATURA .................................................................................. 27

2.1 Combustíveis ................................................................................................................. 27

2.1.1 Óleo Diesel ............................................................................................................. 27

2.1.1.1 O Proconve ...................................................................................................... 27

2.1.1.2 A evolução do óleo diesel ............................................................................... 28

2.1.1.3 Tecnologia atual .............................................................................................. 29

2.1.2 Etanol ...................................................................................................................... 31

2.1.2.1 A produção de etanol ....................................................................................... 32

2.1.2.2 A evolução do etanol no Brasil ....................................................................... 38

2.1.2.3 O mercado atual .............................................................................................. 40

2.1.2.4 O etanol como alternativa ao óleo diesel ......................................................... 41

2.2 Motores de Combustão Interna ..................................................................................... 43

2.2.1 Motores do ciclo Otto ............................................................................................. 44

2.2.2 Motores do ciclo Diesel .......................................................................................... 45

2.3 Adaptações Tecnológicas Necessárias para a Utilisação do Etanol como Combustível46

2.3.1 Motor Otto com alta razão de compressão ............................................................. 48

2.3.2 Motor Diesel bicombustível .................................................................................... 49

2.3.2.1 Injeção de mistura etanol/óleo diesel .............................................................. 49

2.3.2.2 Fumigação de etanol no coletor de admissão .................................................. 50

2.3.2.3 Dupla injeção................................................................................................... 50

2.3.2.4 Injeção de etanol no cilindro do motor no início do tempo de compressão .... 50

2.3.3 Motor Diesel com etanol aditivado ......................................................................... 51

3 METODOLOGIA ....................................................................................................... 51

3.1 A Ferramenta PAMVEC ............................................................................................... 52

x

3.2 Cálculos e Modelagens.................................................................................................. 53

3.2.1 Potência de tração .................................................................................................. 53

3.2.2 Potência dissipada nos freios ................................................................................. 55

3.2.3 Potência dissipada pelo sistema de transmissão .................................................... 56

3.2.4 Potência requerida pelo motor de combustão ........................................................ 56

3.2.5 Massa total do veículo ............................................................................................ 56

3.2.6 Consumo de energia ............................................................................................... 57

3.2.7 Rendimento veicular ............................................................................................... 57

3.2.8 Consumo de combustível ........................................................................................ 58

4 SIMULAÇÕES ............................................................................................................ 59

4.1 Dados de Entrada Gerais ............................................................................................... 60

4.2 Caso 1 ............................................................................................................................ 62

4.2.1 Dados de entrada específicos ................................................................................. 62

4.2.2 Resultados ............................................................................................................... 63

4.3 Caso 2 ............................................................................................................................ 63


4.3.2 Resultados ............................................................................................................... 64

4.4 Caso 3 ............................................................................................................................ 64


4.4.2 Resultados ............................................................................................................... 66

4.5 Caso 4 ............................................................................................................................ 66


4.5.2 Resultados ............................................................................................................... 67

4.6 Comparação de Resultados ........................................................................................... 67

4.6.1 Potência requerida pelo motor ............................................................................... 68

4.6.2 Consumo de energia ............................................................................................... 68

4.6.3 Eficiência veicular .................................................................................................. 69

4.6.4 Consumo de combustível ........................................................................................ 70

4.6.5 Economia de óleo diesel ......................................................................................... 71

5 CONCLUSÕES ........................................................................................................... 72

5.1 Considerações Finais ..................................................................................................... 72

5.2 Sugestão de Trabalhos Futuros ..................................................................................... 73

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................... 75

xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Rotas tecnológicas para a produção do etanol. Fonte: Horta (2008). ....................... 33

Figura 2: Fluxograma da produção de açúcar e etanol de cana. Fonte: Seabra (2008). .......... 38

Figura 3: Fases do funcionamento de um motor do ciclo Otto. Fonte: Milhor (2002). ........... 45

Figura 4: Fases do funcionamento de um motor do ciclo Diesel. Fonte: Gonçalves (2016). .. 46

Figura 5: Modelo ilustrativo do funcionamento do PAMVEC. Fonte: Castro (2013). ........... 53

Figura 6: Representação gráfica do ciclo de condução Manhattan Bus Cycle. Fonte: Barlow et

al. (2009). ................................................................................................................................. 61

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Comparação entre o etanol produzido a partir da cana-de-açúcar e do milho.

Elaboração própria com base em Manochio (2014). ............................................................... 35

Tabela 2: Demanda de fertilizantes. Fonte: Lascala (2011). ................................................... 35

Tabela 3: Descrição resumida das análises realizadas no PAMVEC ...................................... 59

Tabela 4: Dados de entrada gerais – Plataforma veicular ........................................................ 60

Tabela 5: Dados de entrada gerais – Objetivos de performance .............................................. 60

Tabela 6: Dados de entrada gerais – Ciclo de condução ......................................................... 61

Tabela 7: Dados de entrada gerais – Sistema de transmissão .................................................. 62

Tabela 8: Dados de entrada específicos – Motor – Caso 1 ...................................................... 62

Tabela 9: Dados de entrada específicos – Combustível – Caso 1............................................ 63

Tabela 10: Resultados – Caso 1 ............................................................................................... 63

Tabela 11: Dados de entrada específicos – Motor – Caso 2 .................................................... 64

Tabela 12: Dados de entrada específicos – Combustível – Caso 2.......................................... 64








xiii

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1: População brasileira e projeções. Fonte: ONU ([s.d].). .......................................... 14

Gráfico 2: Evolução dos principais modais no transporte coletivo do Rio de Janeiro em 2013.

Fonte: Fetranspor (2013).......................................................................................................... 17

Gráfico 3: Evolução das vendas nacionais, pelas distribuidoras, dos principais derivados de

petróleo – 2005-2014. Fonte: ANP (2015). ............................................................................. 18

Gráfico 4: Comparação dos resultados de potência requerida pelo motor em relação ao caso

base (100%). ............................................................................................................................ 68

Gráfico 5: Comparação dos resultados de consumo de energia em relação ao caso base

(100%)...................................................................................................................................... 69

Gráfico 6: Comparação dos resultados de eficiência do veículo em relação ao caso base

(100%)...................................................................................................................................... 70

Gráfico 7: Comparação dos resultados de consumo de combustível em relação ao caso base

(100%)...................................................................................................................................... 71

Gráfico 8: Comparação dos resultados de consumo de óleo diesel e etanol em base

energética. ................................................................................................................................ 72

14

1 INTRODUÇÃO

Ao longo das últimas décadas, o Brasil tem experimentado um crescimento significativo de

sua população urbana. Historicamente, a partir do começo do século XX, famílias passaram a

abandonar a vida no campo em busca de melhores oportunidades que começavam a surgir nas

cidades, principalmente por conta da intensificação da industrialização (BRITO, 2006;

BRITO; HORTA; AMARAL, 2001; MARTINE, 1994).

Com o passar dos anos, o acúmulo desse fenômeno, somado ao crescimento urbano natural1,

originou regiões de intensa concentração urbana. Apesar de a uma menor taxa, previsões

indicam que esse fenômeno tende a continuar pelos próximos anos, como mostram os dados

apresentados no Gráfico 1 (BRITO, 2006; BRITO; HORTA; AMARAL, 2001; MARTINE,

1994).

Gráfico 1: População brasileira e projeções. Fonte: ONU ([s.d].).

Inevitavelmente, esse aumento da população nos grandes centros urbanos pressiona as

cidades a evoluírem no sentido de proporcionar a infraestrutura de serviços necessária para

1 Crescimento líquido advindo da diferença entre a taxa de natalidade e a de mortalidade no meio urbano.

15

absorver tal crescimento. Nesse contexto, é preciso que a oferta e a qualidade dos serviços

públicos acompanhem esse consequente aumento da demanda, evitando assim um colapso no

sistema público como um todo, o que afetaria de forma negativa a economia e o bem-estar da

população.

Frente a esse cenário, um dos serviços detém um papel fundamental na integração das

cidades com seu crescimento: o sistema de transporte público. É imprescindível que esse

serviço acompanhe o ritmo de crescimento e desenvolvimento das cidades. Assim, o aumento

dos investimentos em transporte público torna-se indispensável na promoção do

desenvolvimento sustentável das metrópoles, oferecendo boa qualidade de vida para todos

(GROSTEIN, 2001; IPTD, 2016).

Diante deste desafio, a população tem intensificado, nos últimos anos, os debates sobre a

mobilidade urbana no Brasil. Na maior parte das grandes cidades do país, ainda encontram-se

muitas dificuldades envolvendo o sistema de transporte público. Má qualidade, falta de

conectividade entre os modais, altos tempos de deslocamento, tarifas elevadas, dentre outros

fatores compõem o portfólio de problemas existentes no sistema nacional de transporte

coletivo (SILVEIRA; COCCO, 2013).

Esses problemas aliados ao aumento da renda média do brasileiro nos últimos anos e aos

incentivos fiscais aprovados pelo governo com o objetivo de baratear o preço de automóveis,

como a redução do IPI (Imposto Sobre Produto Industrializado), contribuíram para uma das

principais causas dos problemas de mobilidade urbana no Brasil: O aumento do uso de

transportes individuais, em especial os automóveis, em detrimento da utilização de

transportes coletivos. Esse cenário desfavorável tem contribuído para o agravamento das

condições de congestionamentos nas metrópoles que afetam não só a população mas também

o meio ambiente (CARVALHO; PEREIRA, 2012).

Outro fator que fez com que fosse desenvolvida essa situação é o investimento acumulado

durante décadas em políticas rodoviaristas. A partir da década de 1950, com a iniciativa do

presidente Juscelino Kubitschek, maciços investimentos com o intuito de expandir a malha

rodoviária no Brasil foram realizados (FERREIRA; MALLIAGROS, 1999). A ideia era criar

um ambiente que incentivasse as grandes montadoras automobilísticas a se estabelecerem no

país. Essa estratégia perpetuou-se tempo suficiente para que hoje a herança estrutural do setor

16

de transportes no Brasil seja desproporcionalmente favorável ao segmento rodoviário.

Essa questão se agrava quando considerado o fato de que, de modo geral, os modais

compreendidos nessa categoria dependem da energia proveniente dos combustíveis fósseis

para alimentar seus sistemas propulsores. Dessa forma, ao considerar um crescimento do

setor de transportes do país, entende-se que necessariamente um aumento no consumo de

derivados do petróleo estará associado e, portanto, um aumento no volume de emissões de

poluentes.

De acordo com o Balanço Energético Nacional de 2015 (EPE, 2015), o segmento de

transporte, em valores absolutos, liderou o crescimento do consumo de energia final no ano

de 2014, com uma taxa de crescimento anual de 3,8% e sendo responsável por consumir

32,5% de toda a energia final no país. A matriz energética do setor é composta por

aproximadamente 81% de combustíveis fósseis.

Analisando-se especificamente agora o âmbito dos transportes coletivos, tem-se que, no

Brasil, o transporte público ainda se baseia principalmente no transporte por ônibus

municipais; aproximadamente 69% das viagens são feitas por ônibus municipais, de acordo

com dados de 2014 da Associação Nacional de Transporte Público.

Na região metropolitana do estado do Rio de Janeiro, por exemplo, apesar da variedade de

modais que compõem o sistema de transporte público, dados de 2013 do relatório de

atividades da FETRANSPOR, apresentados no Gráfico 2, mostram que os ônibus ainda são o

principal meio de transporte público utilizado pela população.

17

Gráfico 2: Evolução dos principais modais no transporte coletivo do Rio de Janeiro em

2013. Fonte: Fetranspor (2013).

Diante dessas estatísticas, compreende-se que o aumento na demanda por transporte público

reflete-se essencialmente em um crescimento no número de viagens realizadas por ônibus

urbanos. Tendo em vista que a frota nacional de ônibus depende basicamente do óleo diesel

como fonte de combustível, esse crescimento tem alavancado as vendas desse combustível no

país, o que é comprovado pelos dados da ANP, apresentados no Gráfico 3.

18

Gráfico 3: Evolução das vendas nacionais, pelas distribuidoras, dos principais derivados de

petróleo – 2005-2014. Fonte: ANP (2015).

Surgem daí algumas questões importantes a serem levantadas acerca do uso do óleo diesel

como o principal combustível alimentando as frotas de ônibus do país, que serão destacadas

nas próximas seções.

1.1 O Problema

1.1.1 Insuficiência na produção de óleo diesel

Apesar de ser um dos grandes produtores de petróleo no mundo, a atual produção de óleo

diesel do Brasil é insuficiente para atender a demanda doméstica total. Entre os produtos

importados, o óleo diesel é um dos que mais tem contribuído para o déficit na balança

comercial externa do setor energético brasileiro (CAETANO, 2013; RODRIGUES;

LOSEKANN, 2015). A evolução na dependência das importações dos últimos anos tem

gerado efeitos negativos sobre a balança comercial do país.

Apesar dos grandes investimentos na construção de novas refinarias e no aumento da

19

capacidade de produção dos parque de refino atuais, como a implementação do Promega

(programa iniciado em 2013 cujo objetivo era o de aumentar a produção de QAV, óleo diesel

e gasolina nas refinarias já existentes), a expansão da oferta não foi suficiente para suprir a

demanda por óleo diesel (RODRIGUES; LOSEKANN, 2015).

Em 2014, segundo levantamento do Anuário Estatístico Brasileiro do Petróleo, Gás Natural e

Biocombustíveis, a produção de óleo diesel foi de aproximadamente 49,6 milhões de metros

cúbicos, enquanto que sua venda totalizou 60,0 milhões. Além disso, consta também no

anuário que, dentre os derivados energéticos do petróleo, o importado em maior volume foi o

óleo diesel, cerca de 11 milhões de metros cúbicos, 9,05% a mais que em 2013, o que

representou um déficit de 8,725 milhões de dólares FOB2 na balança comercial do país (ANP,

2015).

Os números acima foram apresentados apenas para reiterar a ideia de que o aumento do

consumo de óleo diesel no país pode representar um problema relevante para a sua economia.

Outra questão a ser levantada, também referente ao uso óleo diesel como combustível, é a da

poluição atmosférica decorrente da emissão de gases poluentes e/ou do efeito estufa gerados

a partir da sua combustão nos motores.

1.1.2 Poluição atmosférica

Com o aumento da poluição atmosférica nas últimas décadas, tornam-se mais explícitos os

consequentes impactos sofridos pelo meio ambiente e a sociedade. Nos grandes centros

urbanos, esses impactos são ainda mais pronunciados, resultado de concentrações elevadas da

poluição atmosférica. Isso explica a ocorrência de fenômenos como a inversão térmica3 e o

smog4 acontecerem com mais frequência e maior intensidade.

2 Free On Board – Quando a responsabilidade do exportador termina após a mercadoria estar dentro do navio

para o despacho, no porto indicado pelo comprador.

3 Condição meteorológica que ocorre quando uma camada de ar quente se sobrepõe a uma camada de ar frio,

impedindo o movimento ascendente do ar, uma vez que, o ar abaixo dessa camada fica mais frio, portanto, mais

pesado, fazendo com que os poluentes se mantenham próximos da superfície (GALVANI; LIMA; FALCÃO,

2010).

4 O efeito smog é formado quando há condensação de vapor d’água, porém, em associação

com a poeira, fumaça e outros poluentes, o que dá um aspecto acinzentado ao ar (DRUMM et al., 2014).

20

Um dos principais responsáveis por isso são os veículos automotores. A queima de

combustíveis fósseis, usados na sua propulsão, lança na atmosfera diversas substâncias

nocivas ao meio ambiente e ao ser humano. Teixeira et al. (2008) cita que dentre as questões

nas metrópoles responsáveis por agravar esse cenário estão os congestionamentos de grandes

extensões em horários de pico, a redução da velocidade média do trânsito nos corredores de

tráfego e o maior gasto de combustível. Esses fatores têm contribuído para a degradação da

qualidade do ar nas cidades, o que atinge de forma negativa sua população como um todo.

Segundo dados do Balanço Energético Nacional de 2015 (BEN, 2015), em 2014 o setor de

transportes foi o responsável pelo maior volume de emissões, contabilizando 221,9 milhões

de toneladas de dióxido de carbono equivalente, o que representa 45,7% do total de emissões

nesse ano.

Os poluentes oriundos dessas emissões podem ser classificados de acordo com a sua

abrangência e com os impactos causados por eles. Os gases de efeito local (GELs)

compreende o grupo de poluentes que causam impactos nas áreas próximas da atuação dos

serviços de transporte ou em regiões mais afastadas, deslocados pela ação de ventos e

correntes de ar. Os gases de efeito estufa (GEEs) são poluentes que, lançados na atmosfera,

acabam impactando todo o planeta pelo aquecimento global.

1.1.2.1 Gases de efeito local (GELs)

Os gases de efeito local são aqueles que afetam especificamente as regiões onde há grande

ocorrência das operações de transporte, degradando a qualidade do ar (CARVALHO, 2011a).

Analisando os impactos relacionados à exposição intensa e à longo prazo da população a

esses gases, constata-se que eles representam um sério risco à saúde pública.

Dados da Organização Mundial de Saúde (OMS) mostram que a poluição atmosférica reflete

uma grande ameaça à saúde humana, causando, por ano, mais de 7 milhões de mortes em

todo o mundo. Além disso, esses mesmos dados comprovam que a exposição a um ar de

baixa qualidade aumenta significativamente o risco de acidentes vasculares cerebrais,

doenças cardíacas, câncer de pulmão e doenças respiratórias crônicas e agudas (OMS, 2015).

Diversos estudos recentes comprovam a influência negativa dessa poluição na saúde pública.

21

Nardocci et al. (2013) avaliam os impactos da poluição do ar nas internações por doenças

respiratórias e cardiovasculares. Pereira e Limongi (2015) fazem uma revisão de diversos

artigos sobre os efeitos da poluição atmosférica na saúde humana. Miraglia e Gouveia (2014)

mensuram os custos sobre a saúde pública decorrentes de casos relacionados à poluição do ar.

Cesar et al. (2013) estudam a associação entre internação de crianças por doenças

respiratórias e as emissões veículares.

Os principais poluentes responsáveis por essas enfermidades são o monóxido de carbono

(CO), os hidrocarbonetos (HC), os materiais particulados (MP), os óxidos de nitrogênio

(NOx) e os óxidos de enxofre (SOx). Cada um deles atuando de forma particular na

fragilização da saúde humana.

O monóxido de carbono é um gás venenoso e incolor produzido principalmente por veículos

automotores. Ele apresenta uma afinidade pela hemoglobina 240 vezes maior que o oxigênio.

Dessa forma, uma pequena quantidade de CO pode saturar uma grande quantidade de

moléculas de hemoglobina, diminuindo a quantidade de oxigênio nos órgãos e tecidos, o que

pode gerar diversas sequelas (PEREIRA et al., 2001). Vale lembrar que a longa exposição a

esse composto pode levar à morte.

Os hidrocarbonetos são gerados a partir da combustão incompleta de combustíveis fósseis.

Eles são precursores da formação do gás ozônio (O3) que é um potente gás oxidante para as

células. Além disso, são responsáveis pela formação do smog e também são compostos

cancerígenos (CARVALHO, 2011a; DRUMM et al., 2014; PEREIRA et al., 2001;

QUINTANILHA, 2009; TEIXEIRA; FELTES; DE SANTANA, 2008).

Os materiais particulados são uma mistura de pequenas partículas em suspensão no ar. Por

conta do seu tamanho minúsculo, podem passar imperceptíveis pelos principais mecanismos

de defesa do organismo e penetrar o trato respiratório podendo causar irritações, asma,

bronquite e câncer de pulmão (CARVALHO, 2011a; DRUMM et al., 2014; PEREIRA et al.,

2001; QUINTANILHA, 2009).

As principais fontes emissoras de óxidos de nitrogênio são os motores de veículos

(QUINTANILHA, 2009). Durante a combustão, o oxigênio reage com o nitrogênio formando

principalmente óxido nítrico (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2). Esses compostos são

22

extremamente reativos e, na presença do oxigênio atmosférico e da luz solar, podem gerar o

gás ozônio (O3). São responsáveis pela formação do smog e da chuva ácida. Quando inalados,

por conta da sua reatividade, atuam como agentes oxidantes dentro do organismo

(CARVALHO, 2011a; DRUMM et al., 2014; PEREIRA et al., 2001; QUINTANILHA,

2009).

Por fim, completam essa categoria os óxidos de enxofre que, ao serem lançados na atmosfera,

reagem com as partículas de água formando ácidos, substâncias que por conta da alta acidez,

quando inaladas, causam irritações no trato respiratório. Outro fator a ser considerado é que

essas substâncias também são responsáveis pela formação de chuvas ácidas (CARVALHO,

2011a; DRUMM et al., 2014; PEREIRA et al., 2001; QUINTANILHA, 2009).

1.1.2.2 Gases de efeito estufa (GEEs)

Os últimos anos marcaram a intensificação das discussões em todo o mundo sobre os gases

do efeito estufa e sua relação com o aquecimento global. A partir da era industrial,

incentivada pelos crescimentos demográfico e econômico, as emissões antropogênicas desses

gases atingiram níveis nunca antes vistos e seu acúmulo na atmosfera têm aumentando a

captação da energia solar, na forma de calor, resultando nesse aumentando generalizado da

temperatura da atmosfera do planeta (IPCC, 2014)

O aquecimento aumenta a probabilidade de mudanças climáticas que resultariam em

impactos graves e irreversíveis para os ecossistemas. A continuidade de elevados níveis de

emissões desses gases implica em consequências negativas para os cenários futuros como, a

degradação da biodiversidade dos ecossistemas, recessões econômicas e a amplificação dos

riscos de surtos globais de fome e sede (IPCC, 2014).

Diante do alcance global dos efeitos do aquecimento do planeta, países têm se reunido em

busca de soluções e metas a fim de reduzir a emissão dos gases responsáveis por esse

fenômeno. Um dos exemplos mais expressivos dessas iniciativas foi a assinatura do

Protocolo de Quioto por 39 países, em 1997. Por meio dele, estabeleceram-se metas sobre a

redução das emissões dos GEEs com o intuito de alcançar níveis seguros, do ponto de vista

ambiental, das concentrações desses gases na atmosfera.

23

Os gases que compõem essa categoria são representados basicamente pelo metano (CH4),

pelo óxido nitroso (N2O) e pelo dióxido de carbono (CO2), sendo esse último o mais

importante dentre eles e cuja principal causa de emissões antrópicas recai sobre a queima de

combustíveis fósseis no mundo. Nas grandes cidades, entre todos os setores que consomem

combustíveis fósseis, o setor de transportes, principalmente o rodoviário, é o mais relevante

ao se considerar a produção desses gases (MOTTA et al., 2011).

O setor de transporte responde por cerca de 20% das emissões globais de CO2 e por 9% das

emissões nacionais, a segunda maior fonte emissora depois das queimadas (CARVALHO,

2011a). Além disso, entre as fontes de emissão de gases de efeito estufa, esse setor é o que

cresce mais rapidamente, muitas vezes em uma taxa superior que a do produto interno bruto

de países em desenvolvimento (MOTTA et al., 2011).

1.1.3 Poluição sonora

Com relação ao tipo do motor usado nas frotas de ônibus do país, o motor Diesel, existe um

outro problema: a poluição sonora. Apesar de muitas vezes não ser encarada com a devida

importância, trata-se de um grave problema para a população urbana.

A exposição contínua a níveis sonoros elevados pode causar desde pequenos incômodos até a

perda auditiva induzida por ruído (PAIR), que é irreversível. Esse risco é proporcional tanto à

intensidade do nível sonoro quanto ao tempo de exposição a ele (MINISTÉRIO DA SAÚDE,

2006).

Berglund et al. (2000) apontam que o nível confortável de pressão sonora, sem induzir

nenhum efeito negativo no corpo humano, é de até 50 dB e de acordo com a norma ABNT

NBR 10151, os níveis aceitáveis de poluição sonora estão compreendidos até 60 dB nos

centros comerciais para o período diurno e 55 dB para o período noturno.

Porém, frequentemente nas grandes cidades, a população é exposta a níveis de ruídos mais

elevados do que esses, principalmente em regiões com vias que apresentam grandes

concentrações de veículos automotores. Isso acontece porque a principal causa da poluição

sonora urbana contemporânea recai sobre o trânsito de veículos motorizados (CARVALHO,

2011a; NUNES, 2013; SMT; SVMA, 2011), sendo que dentre esses veículos, os ônibus são

24

os que mais contribuem para a poluição sonora nas cidades (CALIXTO, 2002; NUNES,

2013).

O ruído total emitido por um veículo pode ser divido em três categorias: ruído oriundo do

sistema de propulsão, da interação entre o pneu e o solo, e o ruído aerodinâmico. Para baixas

velocidades, o ruído do sistema de propulsão é o predominante. Por isso, na análise de ruídos

emitidos por ônibus urbanos, essa categoria é a mais relevante (MELOROSE; PERROY;

CAREAS, 2015a).

Diante dessa circunstância, é importante ressaltar que o ruído emitido pelos motores,

principal componente do sistema de propulsão, é, usualmente, mais grave para motores do

ciclo Diesel. Devido à quantidade de gases emitidos, à sua maior taxa de compressão e ao

aumento de pressão mais abrupto, os motores do ciclo Diesel são responsáveis por uma maior

poluição sonora em comparação a outros motores. disso, especialmente no caso de veículos

pesados, os motores são ainda mais ruidosos, o que agrava a questão da poluição sonora

emitida pelos ônibus urbanos (MELOROSE; PERROY; CAREAS, 2015a).

1.2 O Objetivo

Diante dos problemas sociais, econômicos e ambientais apresentados no capítulo anterior que

caracterizam o cenário atual do setor de transportes coletivos nas grandes metrópoles, urge a

necessidade de mudanças com a finalidade de atenuar, ou até mesmo extinguir, as questões

mencionadas acima.

Nesse contexto, esse trabalho tem como o objetivo propor alternativas tecnicamente viáveis

de modo a atender a reivindicação da comunidade de forma eficiente. A ideia é atuar no

modal dos ônibus urbanos, o mais relevante na área dos transportes públicos nacional,

sugerindo a mudança do combustível usado como base nas frotas nacionais.

A alternativa então proposta refere-se à adoção do etanol como tal substituto ao óleo diesel.

Essa escolha foi tomada com base primeiramente no potencial de redução das emissões que

representaria o uso do etanol, intervindo positivamente na restauração da qualidade do ar nas

cidades e na diminuição de emissões relativas dos gases do efeito estufa. Além disso, frente

ao domínio da tecnologia de produção do etanol e à elevada produtividade da cana de açúcar ,

25

esse combustível detém de uma grande importância estratégica para o país (CGEE; BNDES,

2008).

Essa mudança implica, contudo, em adaptações, seja no blend do combustível, seja no motor

Diesel, para viabilizar sua compatibilidade técnica. Por isso, também será contemplada nesse

trabalho a análise de diferentes tecnologias de arquiteturas veiculares e composições de

combustíveis, tendo o etanol como base, com o fim de definir soluções tecnicamente viáveis.

Por fim, busca-se mensurar as tecnologias propostas quanto à eficiência energética,

comparando-as com os resultados dos mesmos parâmetros avaliados para a tecnologia atual

adotada nos ônibus. A partir dessas comparações, será determinado se opção do etanol ao

óleo diesel é realmente viável para aplicações operacionais.

1.3 A Estrutura do Projeto Final

Esse projeto final foi organizado em 5 capítulos. Esse capítulo, o capítulo 1, tem o objetivo

de introduzir o leitor aos principais desafios a serem superados no cenário atual que

motivaram o presente trabalho, assim como aos objetivos do mesmo e à sua disposição de

capítulos.

No capítulo 2, busca-se expor de forma mais detalhada os conceitos técnicos relacionados aos

principais protagonistas desse trabalho, os combustíveis e as arquiteturas veiculares. Será

apresentado a evolução tecnológica do diesel até os tempos atuais, bem como sua

comparação ao etanol nos aspectos técnicos. Também serão introduzidos a tecnologia e o

funcionamento das arquiteturas veiculares que fazem parte desse estudo, assim como outros

trabalhos relacionados a elas.

No capítulo 3, inicia-se a apresentação da metodologia na qual foram baseadas as simulações

referentes a esse trabalho. Importantes conceitos relacionados às simulações são introduzidos,

bem como a plataforma usada para realizar tais simulações e a descrição dos parâmetros

necessários para a realização das análises.

O capítulo 4 é o responsável por exibir os dados de entrada considerados e os resultados das

simulações para cada uma das configurações ensaiadas. Os resultados serão baseados na

26

avaliação de parâmetros relacionados ao rendimento energético para cada uma das

arquiteturas veiculares que compõem o trabalho.

Finalmente, no capítulo 5, serão apontadas as conclusões referente aos resultados do capítulo

anterior, ao mesmo tempo que são comparados esses resultados com o intuito de responder a

questão principal desse projeto final quanto a viabilidade da adoção do etanol como

combustível base nas frotas nacional de ônibus. Nesse capítulo também são propostas

recomendações para trabalhos futuros.

27

2 REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Combustíveis

2.1.1 Óleo Diesel

O óleo diesel é um combustível derivado do refino do petróleo bruto na faixa de temperaturas

entre 200 e 360°C (BRUNETTI, 2012). Sua composição é uma mistura, predominantemente,

de hidrocarbonetos5 e de outras substâncias em menores quantidades. Dessas substâncias,

duas são particularmente importantes: a água, seu principal contaminante, cuja presença pode

danificar componentes dos motores, e o enxofre que, por um lado, melhora a lubricidade do

combustível, mas, por outro, é precursor de poluentes nocivos ao meio ambiente

(BRUNETTI, 2012).

A utilização do óleo diesel é limitada basicamente aos motores de combustão interna de

ignição por compressão (ciclo Diesel). Entretanto, essa limitação não significa que o óleo

diesel seja pouco consumido, pelo contrário, ele é o combustível mais consumido no país.

Isso porque os motores do ciclo Diesel possuem uma diversificada gama de aplicações nos

veículos de transporte terrestre, como ônibus e caminhões, nos veículos marítimos, como

navios e submarinos, ou em geradores de eletricidade.

A consolidação dos motores do ciclo Diesel nessa variedade de aplicações deve-se em grande

parte à popularidade do combustível que ele utiliza. A maior eficiência e densidade

energética e o menor preço do óleo diesel comparado aos outros combustíveis do mercado,

justificaram a difusão do par combustível-motor nesses diferentes setores. Entretanto, apesar

de suas qualidades, ainda existem muitos problemas relativos às emissões produzidas pela

queima desse combustível (BRAUN; APPEL; SCHMAL, 2004; LASCALA, 2011).

2.1.1.1 O Proconve

Mediante ao crescimento da frota de veículos automotores no país, e o consequentemente

aumento no nível de emissões de poluentes, tornava-se necessária a adoção de medidas do

5 Compostos orgânicos formados por átomos de carbono e de hidrogênio.

28

governo que estabelecessem especificações para os combustíveis a fim de controlar a questão

da degradação da qualidade do ar.

Nesse contexto, em 1986, o Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) criou o

Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores (Proconve), responsável

por estabelecer prazos e limites máximos de emissões com o objetivo de reduzir e controlar a

poluição atmosférica, respeitando os padrões de qualidade do ar; promovendo o

desenvolvimento de tecnologias capazes de reduzir o nível de poluentes; aprimorando a

qualidade técnicas dos combustíveis existentes; criando programas de fiscalização para

veículos automotores em uso; e conscientizando a população acerca dos perigos da poluição

do ar (MME, 2011).

A legislação brasileira usou como base para definir os padrões de emissão de veículos

pesados, ou seja, com massa total máxima maior que 3.856 kg, as normas da Europa

(EURO). Porém, por conta de sua implantação mais tardia, a regulamentação definida no

Brasil encontra-se defasada em relação à europeia (FETRANSPOR, 2010).

Para os veículos pesados, o principal desafio está associado à redução de três tipos de

poluentes: materiais particulados, óxidos de nitrogênio e óxidos de enxofre. Os dois primeiros

estão relacionados ao processo de combustão no motor e o último à concentração de enxofre

no óleo diesel. Por isso, a grande dificuldade quanto à redução dos níveis de emissão de gases

poluentes reside tanto na qualidade do combustível quanto na tecnologia do motor, sendo

necessário, além de avanços nas tecnologias envolvidas na combustão e no pós-tratamento de

gases nos motores, o desenvolvimento de combustíveis mais limpos (FETRANSPOR, 2010).

2.1.1.2 A evolução do óleo diesel

Após a implantação do Proconve, definindo padrões mais rígidos para as emissões veiculares,

foi preciso que as refinarias brasileiras se adequassem para produzir os combustíveis com

características de melhor qualidade. Antes, só existia um tipo de óleo diesel, o 13.000 ppm

(partes por milhão) de enxofre, comercializado no Brasil inteiro, mas a partir de 1994,

passaram a existir dois tipos: o óleo diesel metropolitano e o óleo diesel de interior

(FETRANSPOR, 2010).

29

O óleo diesel metropolitano passou a abastecer os grandes centros urbanos e possuía um

menor teor de enxofre (5.000 ppm) em relação ao óleo diesel de interior (10.000 ppm),

comercializado no resto do país. Essa medida visava reduzir a poluição do já degradado ar

das regiões metropolitanas, em decorrência da grande concentração de veículos (LASCALA,

2011).

Para tal, o óleo diesel metropolitano precisa passar por um processo especial de

dessulfurização nas refinarias. A dessulfurização consiste em promover uma reação entre o

óleo e o hidrogênio, com auxílio de catalisadores, onde o hidrogênio reage com os átomos de

enxofre presentes no óleo formando sulfeto de hidrogênio (H2S), que posteriormente é

removido da mistura. Esse processo torna, naturalmente, o óleo diesel metropolitano mais

caro (OLIVEIRA, 2015).

Em janeiro de 2009, estava prevista a implantação da fase P6 do Proconve estabelecendo o

limite máximo de até 50 ppm de enxofre para o óleo diesel metropolitano e de até 1800 ppm

para o de interior. Porém, um atraso na especificação do S50 (denominação do óleo diesel 50

ppm), impossibilitou as metas definidas na fase P6 de serem atingidas dentro do prazo.

Diante disso, um termo de ajustamento de conduta entre as partes envolvidas estabeleceu uma

implantação gradual da fase P6 e, em consequência disso, o adiantamento da fase P7, em

vigor desde 1º de janeiro de 2012 (FETRANSPOR, 2010; IBAMA, 1998).

2.1.1.3 Tecnologia atual

O Proconve teve um papel essencial na diminuição dos níveis de teor de enxofre do óleo

diesel nos últimos anos, contribuindo significativamente para uma melhoria na qualidade do

ar das metrópoles brasileiras. A alta concentração óxidos de enxofre na atmosfera traz

prejuízos para o meio ambiente, por meio da acidificação de lagos e do solo, devido as

chuvas ácidas, e para as pessoas, em consequência do acúmulo de ácidos no corpo humano

(OLIVEIRA, 2015).

Por efeito dessa tendência de redução da concentração do enxofre no óleo diesel, a resolução

ANP nº31, publicada em 15/10/2009, regulamentou a especificação do óleo diesel com 10

ppm de enxofre, cuja comercialização passou a ser obrigatória a partir de 1º de janeiro de

2013, em substituição ao diesel metropolitano S50 (ANP, 2013).

30

Essa medida, que já era prevista para a atual fase do Provonve (P7), foi um marco nacional

importante na trajetória das reduções de emissões veículares, colocando a qualidade dos

combustíveis brasileiros no mesmo patamar tecnológico que a de países desenvolvidos6. Com

a produção do óleo diesel S10, o Brasil conclui o ciclo de aperfeiçoamento do óleo diesel em

relação à concentração de enxofre, alcançando os níveis mínimos especificado em qualquer

outra parte do mundo.

Diante da introdução do diesel S10 no mercado, além dos impactos positivos na questão das

emissões de poluentes por veículos automotores, outras consequências são esperadas na

capacidade brasileira de refino. Frente a restrição de parâmetros na especificação do óleo

diesel, a indústria do refino passa a consumir mais energia na sua produção, aumentando,

assim, a queima de combustível em suas instalações e, consequentemente, a emissão de

gases do efeito estufa (MELOROSE; PERROY; CAREAS, 2015; SZKLO; SCHAEFFER,

2007).

Além disso, outro impacto a ser destacado sobre à produção do óleo diesel S10 seria o

aumento dos custos de refino, resultando em aumento do preço de venda do combustível.

Para o óleo diesel S10 apresentar tais proporções de enxofre, ele precisa passar por processos

de hidrotratamento severo ou de hidrocraqueamento (BONFÁ, 2011). Esses processos

englobam diversos custos relacionados à modernização da tecnologia, à adaptação de

infraestrutura e a um maior consumo de energia. Consequentemente, a produção desse óleo

diesel torna-se mais cara, pressionando as distribuídoras à aumentarem o preço final de

revenda ao consumidor.

Por fim, outra questão a ser avaliada é a perda de rendimento associada à produção do óleo

diesel S10 nas refinarias. A imposição de especificações mais rígidas para o óleo diesel,

influencia diretamente o volume final produzido. A limitação de parâmetros em termos de

teor de enxofre, cortes de destilação, densidade e número de cetano, inviabiliza várias frações

6 Os padrões de qualidade do ar especificados pela atual fase do Proconve (P7) são similares à lesgislação em

vigor na Europa (Euro 5) (ROBERTO et al., 2014).

31

da destilação do petróleo de incorporarem o pool do diesel7, diminuindo o volume efetivo

desse combustível produzido nas refinarias (BONFÁ, 2011).

Em um mercado nacional já deficitário em óleo diesel, essa perda de rendimento na produção

das refinarias representa um impasse delicado para o país. Mesmo com a expansão da

infraestrutura do processamento de petróleo no Brasil, com o ajuste da faixa de destilação e o

consequente desvio de frações do refino, antes destinadas ao óleo diesel, para produtos menos

nobres, o país pode presenciar uma situação de oferta interna limitada de óleo diesel S10

(BONFÁ, 2011).

Vale ressaltar que mesmo recorrendo ao mercado internacional, esse déficit na produção de

óleo diesel S10 não seria simples de suprir, tendo em vista que a tendência mundial do

consumo desse combustível é aumentar, porém poucos países teriam capacidade de produzir

grandes quantidades em excedente para destinar ao mercado externo (BONFÁ, 2011).

2.1.2 Etanol

O etanol, ou álcool etílico, cuja fórmula molecular é C2H6O, é uma substância produzida a

partir da aplicação de uma cadeia de processos químicos sobre qualquer biomassa que

contenha quantidades significativas de açúcares, como a cana-de-açúcar, o milho, a beterraba,

a mandioca, dentre outras, sendo que, no Brasil, destaca-se como sua fonte de matéria-prima

a cana-de-açúcar (ANP, 2016).

O etanol é produzido com a finalidade de ser usado como combustível para motores de

combustão interna. Comparado aos tradicionais combustíveis de origem fósseis, destaca-se

por ser considerado renovável (sua matéria-prima é naturalmente reabastecida) e limpo (suas

emissões de CO2 são consideradas neutras, uma vez que já foram ou serão absorvidas no

plantio de sua matéria-prima).

Enquanto combustível, o etanol pode ser usado de duas maneiras: diretamente como

combustível na sua forma pura (etanol hidratado), disponível logo após ser destilado nas

usinas, com um teor mássico máximo de água de 4%, ou como aditivo (etanol anidro), em

7 Pool do diesel é composto pelas correntes intermediárias de uma refinaria que são misturadas em determinadas

proporções para compor o diesel entregue às distribuidoras de combustíveis.

32

mistura com outros combustíveis derivados do petróleo, após passar por um processo de

desidratação para eliminar o excesso de água, resultando em um concentração mássica

máxima de água de 0,7%, de acordo com a resolução ANP Nº 19, de 15 de abril de 2015.

Para a utilização do etanol hidratado é necessário o uso de tecnologias de motores dedicados

ou adaptados especificamente para esse fim. Diante das suas diferentes propriedades, são

inevitáveis alterações nos sistemas de alimentação de combustível e de ignição. Além disso,

devido ao alto teor de água misturado ao etanol, é fundamental que componentes do motor

em contato direto com o combustível recebam um revestimento anticorrosivo em suas

superfícies metálicas (CGEE; BNDES, 2008).

Com o avanço da tecnologia de motores dedicados ao etanol, esses impasses foram

superados e, portanto, o uso desses motores é uma realidade viável do ponto de vista técnico.

Contudo, o uso do etanol anidro ainda continua a ser a forma mais simples da utilização do

etanol como combustível no país, eliminando a necessidade de modificação dos motores

(CGEE; BNDES, 2008).

2.1.2.1 A produção de etanol

Em virtude da variedade de cultivos disponíveis como fonte de matéria-prima, foram

desenvolvidas diferentes rotas tecnológicas para a fabricação do bioetanol. Existem três rotas

principais cuja base da cadeia produtiva é fundamentada nos grupos de biomassa usados para

alimentá-las:

Produção à base de biomassa rica em amido; representada essencialmente pelos

Estados Unidos com culturas à base de milho;

Produção à base de biomassa rica em açúcar; cujo destaque é o Brasil, com base na

cultura da cana-de-açúcar;

Produção à base de biomassa rica em celulose, ainda não tão expressiva frente às

outras duas rotas (CGEE; BNDES, 2008; LARSEN; JOHANSEN; SCHRAMM,

2009).

Um resumo da cadeia produtiva dessas diferentes rotas é apresentado na Figura 1.

33

Figura 1: Rotas tecnológicas para a produção do etanol. Fonte: Horta (2008).

Ao se selecionar uma cultura como fonte de matéria-prima para a produção do etanol, é

importante levar alguns fatores em consideração. Primeiramente, mesmo se a produção for

tecnicamente viável para um cultivo, ela não será posta em prática, caso não haja viabilidade

econômica. A matéria-prima representa entre 60% e 70% do custo final do bioetanol (CGEE;

BNDES, 2008). Tal fato justifica a busca por culturas que minimizem esse custo.

Além disso, é pertinente fazer uma análise de Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) das cadeias

produtivas relacionadas a cada biomassa usada na produção do bioetanol para contabilizar

seus diferentes impactos na sociedade e no meio ambiente. O ciclo de vida pode ser

entendido como o conjunto de processos envolvidos na fabricação de um produto. Logo, a

avaliação de um ciclo de vida busca quantificar tudo o que foi consumido e o que foi

produzido ao longo do processo em questão. Os resultados dessa análise fornecem

importantes indicativos de eficiência para a otimização do consumo de insumos, como

energia final, terra e água, e para a definição das cadeias que menos prejudicam o ambiente

no qual estão inseridas (GRISOLI, 2011; LASCALA, 2011).

Outro fator a se destacar é a possibilidade da existência de coprodutos e subprodutos com

34

valor agregado no mercado. Tal fato pode conferir à produção uma certa flexibilidade,

associando a disponibilidade de biocombustíveis a outras fontes de valor econômico e

protegendo os produtores de possíveis crises no setor (CGEE; BNDES, 2008).

Por fim, num cenário onde o etanol aparece como alternativa “limpa” para combustíveis

fósseis quanto às emissões de gases poluentes, é fundamental avaliar o potencial de redução

de emissões associado a cada rota de produção, isto é, o saldo líquido entre as emissões

realizadas e as evitadas durante as etapas de produção e uso do etanol (LARSEN;

JOHANSEN; SCHRAMM, 2009; SOARES et al., 2009).

Com base nos fatores citados acima, duas culturas se destacaram na produção do bioetanol: o

milho e a cana-de-açúcar. Dos 25,68 bilhões de galões produzidos no mundo em 2015, a

produção norte-americana, que usa principalmente o milho como matéria-prima, e a

brasileira, essencialmente a base de cana, representaram uma fração de 85% (RFA, 2016).

Por conta de sua enorme importância no contexto da produção do bioetanol, serão

comparados, a seguir, aspectos das tecnologias de produção envolvendo a cana-de-açúcar e o

milho.

Apesar das tecnologias de produção de etanol pela cana e pelo milho já estarem bem

desenvolvidas, atualmente, a rota via cana-de-açúcar é a forma mais eficiente de se produzir

etanol em termos econômicos e energéticos (LARSEN; JOHANSEN; SCHRAMM, 2009). A

explicação dessa condição se baseia em aspectos tais como o longo amadurecimento da

indústria canavieira propiciando uma maior eficiênica em seus métodos de produção, a alta

produtividade da cana e o relativamente menor consumo de energia para conversão da cana

em etanol (DA SILVA, 2011).

A Tabela 1 sintetiza alguns dados comparativos da produção de etanol pelas duas matérias-

primas.

35

Tabela 1: Comparação entre o etanol produzido a partir da cana-de-açúcar e do milho.

Elaboração própria com base em Manochio (2014).

Parâmetro Cana-de Açúcar Milho

Produtividade média (t/ha) 60 - 120 7,5 - 10,0

Rendimento (l/ha) 5400 - 10800 3450 - 4600

Consumo total de energia (MJ/l) 2,57 21,20

Balanço energético

Gasta-se 1,0 unidade de energia fóssil

para a produção de 8,3 unidades de

energia de etanol

Gasta-se 1,0 unidade de energia fóssil

para a produção de 1,0 unidades de

energia de etanol

Emissão total da produção do

etanol (kg CO2 eq./l) 0,248 1,696

Emissões evitadas 89% -30% até 38%

O cultivo de cana, comparado ao de milho, também demanda uma menor aplicação de

fertilizantes no solo. Isso acontece devido ao uso da técnica de fertirrigação8 que reaproveita

alguns dos coprodutos gerados na produção do etanol como adubo natural para o solo,

diminuindo a necessidade do uso de nitrogênio e potássio sintéticos, como mostra a Tabela 2

(CGEE; BNDES, 2008; LASCALA, 2011).

Tabela 2: Demanda de fertilizantes. Fonte: Lascala (2011).

Fertilizante Unidade Milho Trigo Cana-de-açúcar

Potássio kg/t 7,85 0,95 0,29

Nitrogênio kg/t 12,21 19,31 0,87

Fósforo kg/t 5,91 11,89 0,31

Tendo em vista as vantagens da cana-de-açúcar como matéria-prima para a produção de

etanol e da enorme importância estratégica que ela representa para o Brasil, será discutida a

seguir, com mais detalhes, a rota de fabricação de etanol via cana como um todo, incluindo

desde seu plantio até seu processamento industrial.

No Brasil, o ciclo da cana dura em média 6 anos. Nos primeiros 12 ou 18 meses, dependendo

8 Aplicação da vinhaça e da torta do filtro, co-produtos da produção de etanol, no cultivo da cana de açúcar

(CGEE; BNDES, 2008; LASCALA, 2011).

36

do tipo de cana, seu cultivo passa por duas etapas: a primeira compreende a germinação e o

desenvolvimento da planta e ocorre na presença de clima quente e úmido. A segunda, que

ocorre em clima frio e seco, compreende o amadurecimento da planta e a concentração da

sacarose em seus colmos. Após esse período inicial, a cana-de-açúcar está preparada para seu

primeiro corte (CGEE; BNDES, 2008; SOARES et al., 2009).

Ao longo do seu ciclo, a cana-de-açúcar sofre outros cortes, sendo que após o primeiro, os

demais são feitos sobre a rebrota da cana, uma vez ao ano, com eventual perda de

produtividade. Por isso, em geral, após cinco cortes, a produtividade média anual é reduzida a

tal ponto que a continuidade dos cortes fica inviabilizada economicamente frente a uma

renovação da plantação, configurando-se, então, o início de um novo ciclo (CGEE; BNDES,

2008).

O sistema de colheita da cana utilizado na maioria do território nacional baseia-se na colheita

mecanizada. A previsão era que, em 2015, 97% dos canaviais do Centro-Sul do Brasil,

principal região produtora de cana-de-açúcar do país, utilizassem a colheita mecanizada

(UNICA, 2015). Esse sistema surge como alternativa à tradicional colheita manual que

incluia a prévia queima do canavial para facilitar o processo, mas que no entanto, era

responsável por quantidades expressivas de emissões de gases poluente e do efeito estufa

(ARAUJO; SEO, 2014; PALUDO, 2013).

A logística do transporte da cana até as usinas para a produção de etanol deve ser bem

planejada. Quanto mais demorado for esse trajeto, maior a porcentagem de perda de sacarose

devido ao maior tempo de exposição da cana à ação de enzimas nela presente. No Brasil, esse

transporte é realizado em geral por caminhões (GALDIANO, 2008; GRISOLI, 2011).

Ao chegar na usina, a cana passa por diversas etapas. Primeiramente, ela é lavada para

eliminar as impurezas e depois é encaminhada para o sistema de preparo e esmagamento,

onde o caldo rico em açúcares é extraído sob pressão em um sistema de rolos (moendas) ou

através de difusores. O caldo segue então para as próximas etapas, onde será processado para

a fabricação de açúcar ou etanol, enquanto o bagaço é estocado e posteriormente queimado

como combustível para produzir vapor que aciona turbinas gerando energia elétrica, em

unidades de cogeração, suficiente para alimentar a usina (DA SILVA, 2011; SOARES et al.,

2009).

37

O caldo destinado à produção de etanol é previamente tratado gerando a torta de filtro9, que

após recuperada será utilizada como adubo orgânico. O caldo tratado converte-se no mosto10,

que segue para as dornas de fermentação, onde é misturado às leveduras e fermentado dando

origem ao vinho. Esse vinho é encaminhado às colunas de destilação e retificação, onde o

álcool em sua composição é, então, recuperado na forma hidratada com aproximadamente

96% de pureza. No final dessa etapa, obtém-se a vinhaça, resíduo da extração do álcool do

vinho, que é utilizado como fertilizante orgânico. Por fim, o etanol hidratado produzido pode

ser estocado ou ainda passar por um processo de desidratação, originando o etanol anidro

com aproximadamente 99,7% de pureza (ARAUJO; SEO, 2014; CGEE; BNDES, 2008).

A Figura 2 apresenta de forma resumida o caminho pelo qual a cana-de-açúcar passa nas

usinas até sua transformação em açúcar ou etanol.

9 Um subproduto do processamento industrial da cana proveniente da filtração do caldo extraído das moendas.

10 Mistura líquida rica em açúcares reservada para o processo de fermentação.

38

Figura 2: Fluxograma da produção de açúcar e etanol de cana. Fonte: Seabra (2008).

2.1.2.2 A evolução do etanol no Brasil

Apesar de a década de 1920 marcar o início das atividades de produção de etanol no Brasil11,

foi durante a década de 1970 que importantes investimento no setor foram realizados. Até

então, diante do preço competitivo e da elevada oferta no mercado internacional, os

combustíveis fósseis estavam no centro dos interesses da política energética brasileira

(TONIN; TONIN, 2014).

Porém, em 1973, em protesto ao apoio dos Estados Unidos a Israel durante a Guerra do Yom

Kippur, os países árabes membros da Organização dos Países Exportadores de Petróleo

(OPEP), detentores da maior parcela da produção mundial de petróleo, aumentaram

11 Em 1925 foi desenvolvido o primeiro carro a álcool no Brasil e em 1927 começou a produção de etanol

combustível no país (PALUDO, 2013).

39

consideravelmente o preço do barril no mercado internacional. Essa mudança no panorama

internacional do petróleo, atingiu diretamente o Brasil, importador de petróleo na época (DA

SILVA, 2011; PALUDO, 2013).

Aliado a isso, a forte queda do preço do açúcar no mercado internacional a partir de 1974

culminou na criação do Programa Nacional do Álcool (Pro-Álcool) pelo Decreto-Lei

nº76.593 de 14 de novembro de 1975. O Programa tinha o objetivo de estimular a produção e

o consumo interno de álcool etílico no Brasil a fim de diminuir a dependência externa de

combustíveis fósseis, sem comprometer o abastecimento energético, e apoiar o

desenvolvimento tecnológico da indústria sucroalcooleira (OLIVEIRA; ZANIN, 2015).

A princípio, o programa dava ênfase à produção de etanol anidro, que deveria ser misturado à

gasolina para reduzir a importação desse combustível. Contudo em 1979, ocorre a segunda

crise do petróleo, decorrente da revolução islâmica no Irã, que desorganizou todo o setor

produtivo do país, resultando em uma nova explosão dos preços do petróleo. A partir daí,

inicia-se a segunda fase do Programa Pro-Álcool, com o objetivo agora de substituição por

completo do uso da gasolina pelo do etanol (DA SILVA, 2011; OLIVEIRA; ZANIN, 2015;

PALUDO, 2013).

Durante esse período o Brasil foi o maior produtor e consumidor de etanol no mundo

(GRISOLI, 2011). “A produção de etanol no período de 1975-76 foi de 600 milhões de litros;

no período de 1979-80 foi de 3,4 bilhões e de 1986-87 chegou a 12,3 bilhões de litros. Além

disso, no período entre 1983 e 1989, os carros movidos a etanol representavam mais de 95%

das vendas de veículos de passeio no Brasil” (DA SILVA, 2011).

Em contraste com esses anos de euforia, a partir de 1986, com a queda gradativa do preço

internacional do petróleo, começou a se instaurar uma crise no setor sucroalcooleiro. Com a

estabilização do mercado internacional e o aumento da produção interna de petróleo, reduziu-

se o interesse do governo em investir na produção de etanol. Além disso, o preço do açúcar

começava a se recuperar no mercado internacional, o que motivou cada vez mais os usineiros

a darem prefêrencia à produção de açúcar, desestabilizando ainda mais o mercado de etanol

(IPEA, 2010).

Porém, nos anos 2000, perante o aumento das preocupações de cunho ambiental e a uma

40

nova alta dos preços da gasolina, a produção nacional de etanol volta a ter um crescimento

expressivo. O auge da retomada desse crescimento ocorre em 2003, quando começam a ser

vendidos os primeiros veículos flex (capazes de funcionar com gasolina, etanol ou uma

mistura dos dois combustíveis em qualquer proporção) no Brasil, impulsionando novamente

o desenvolvimento do setor (DA SILVA, 2011; IPEA, 2010; PALUDO, 2013).

2.1.2.3 O mercado atual

Atualmente, o Brasil, com uma parcela de 28% da produção mundial, ocupa o posto de

segundo maior produtor de etanol no mundo, atrás somente dos Estados Unidos, que contam

com 57% da produção mundial (RFA, 2016b). É esperado para as próximas décadas um

ritmo de crescimento mais lento do uso do etanol, dependente, sobretudo, de incentivos

governamentais e de variações nos preços dos combustíveis fósseis. Projeções prevêem um

aumento de 3,71% da produção e 3,13% do consumo brasileiro até o ano de 2024

(OECD/FAO, 2015).

Com o objetivo de aumentar ainda mais a competitividade do etanol brasileiro, a indústria

sucroalcooleira tem tomado diversas medidas para aumentar a eficiência da produção e

reduzir os custos envolvidos. Mediante investimento em novas tecnologias, realização de

fusões e aquisições em busca de economias de escala e a verticalização de suas atividades, as

empresas têm realizados investimentos expressivos no setor, com o intuito de conter os gastos

e aumentar a produtividade (GORDINHO, 2010).

Esse panorama tem impuslionado o desenvolvimento de inovações tecnológicas no setor.

Dentre elas, uma especificamente tem se destacado: o etanol de segunda geração. Ele é

produzido a partir de qualquer biomassa celulósica, por meio de enzimas que transformam a

celulose em açúcar, que depois é fermentado para a geração de etanol. Na cana-de-açúcar, a

ideia é aproveitar os resíduos de bagaço e de palha, onde está concentrada a celulose da cana,

para produzir ainda mais etanol. Estima-se que o etanol 2G permitirá dobrar a quantidade de

etanol produzido, sem a necessidade de aumentar a área cultivada (CTC, 2016; ÚNICA,

2010).

Além dos fatores de cunho econômico, questões ambientais também têm motivado o aumento

dos investimentos na produção de etanol. Com a crescente preocupação mundial em relação à

41

poluição gerada pela queima de combustíveis fósseis, a utilização do etanol ganha cada vez

mais relevância, uma vez que ele pode ser considerado um combustível menos poluente.

Nesse contexo, surgem alguns importantes projetos que visam difundir a utilização do etanol

como combustível na sociedade, ampliando sua participação na matriz energética nacional.

Um projeto bem sucedido nesse propósito foi o projeto BEST (Bioethanol for Sustainable

Transport), cujo objetivo é promover a substituição do óleo diesel pelo etanol no transporte

por ônibus urbanos ao redor do mundo.

2.1.2.4 O etanol como alternativa ao óleo diesel

O projeto BEST (BioEthanol for Sustainable Transport) é a iniciativa de maior relevância no

mundo, tratando-se da substiuição do uso de óleo diesel pelo uso de etanol hidratado.

Coordenado pela prefeitura de Stockholm, na Suécia, e presente em nove cidades12 ao redor

do mundo, dentre elas, São Paulo, representando o Brasil, o projeto visa avaliar o

desempenho operacional e quantificar o nível de emissões de uma frota experimental de

ônibus movidos a etanol, em comparação com ônibus movidos a óleo diesel (DE OLIVEIRA;

AJEJE; MEDEIROS, 2012).

A frota experimental movida à etanol foi instrumentada e monitorada, para que, no final do

projeto, fosse avaliada a viabilidade do etanol, englobando aspectos técnicos, legais, socio-

econômicos e político-ambientais. As conclusões obtidas através do experimento podem

servir de base para o incentivo a políticas públicas que facilitem a difusão do etanol como

combustível nos transportes públicos urbanos (LASCALA, 2011).

Os resultados do projeto BEST apontam diversas vantagens para o uso do etanol em

substituição ao óleo diesel. A principal delas, que inclusive representa toda a motivação por

trás do projeto, é a redução das emissões de gases de efeito estufa e de efeito local,

contribuindo na melhoria da saúde da população em geral e no combate ao aquecimento

global.

Além desssa contribuição no âmbito ambiental, outros benefícios dessa substituição ainda

12 Estocolmo (Suécia), Madri e País Basco (Espanha), São Paulo (Brasil), La Spezia (Itália), Rotterdam

(Holanda), Somerset (Inglaterra), Dublin (Irlanda) e Nanyang (China) (LASCALA, 2011; SANTOS, 2012).

42

podem ser identificados. Um deles é que a expansão do setor sucroalcooleiro geraria

empregos diretos e indiretos no Brasil. Outro é que o uso do etanol não encontra barreiras

logísticas pois seu sistema de distribuição é compatível com o existentes para outros

combustíveis. Também é preciso mencionar que o etanol tem grande importância econômica

e estratégica para o Brasil, líder na sua produção via cana-de-açúcar no mercado externo.

Outro ponto a se considerar é que a difusão do uso do etanol diversfica a matriz de energia do

país contribuindo para a segurança energética nacional, particularmente ao reduzir as

importações de diesel S10 (LASCALA, 2011).

Entretanto, apesar das diversas vantagens relacionadas à substituição do uso do óleo diesel

pelo etanol, existem importantes barreiras tecnoeconômicas que dificultam a expansão da

utilização do etanol. Em primeiro lugar, como o poder calorífico inferior (PCI) do etanol

hidratado equivale a 6.300 kcal/kg, e sua densidade a 0,809 t/m3, e o PCI do óleo diesel é de

10.100 kcal/kg, e sua densidade de 0,840 t/m3 (ANP, 2015), tem-se que 1 m3 de óleo diesel

possui aproximadamente 66% a mais de energia que 1 m3 de etanol hidratado, implicando

comparativamente em um maior consumo de combustível por parte dos veículos movidos a

etanol (SANTOS, 2012).

Outro argumento relevante é a incompatibilidade tecnológica do etanol com os motores de

combustão interna por compressão originais, usados por grande parte da frota de ônibus do

país. A composição química do etanol, juntamente com suas características como

combustível são incompatíveis com os materiais de alguns componentes do motor e também

com seu funcionamento, o que pode acabar gerando falhas durante sua operação (SANTOS,

2012). Em consequência disso, para viabilizar a aplicação do etanol como um potencial

substituto do óleo diesel é necessário realizar adaptações seja no combustível ou nos motores

convencionais.

Em relação às questões econômicas, vale ressaltar que a utilização do etanol acarreta em um

maior dispêndio com o investimento inicial e em um aumento dos custos operacionais e de

manutenção, necessitando, pois, de incentivos fiscais para tornar seu uso viável e competitivo

(LASCALA, 2011; SANTOS, 2012). Entretanto, esse tema não será aprofundado nesse

trabalho.

43

2.2 Motores de Combustão Interna

Foi durante o século XIX que surgiram os primeiros motores à combustão interna. Em 1860,

o belga Lenoir registra a primeira patente desse tipo de motor. Era um motor de dupla ação,

ou seja, a combustão acontecia dos dois lados do pistão por meio de uma faísca. O controle

do fluxo de gases acontecia por meio de válvulas. A máxima potência e eficiência registradas

foram de 6 HP e 5%, respectivamente (HEYWOOD, 1988; TILLMANN, 2013)

Dois anos depois, em 1862, o francês Beau de Rochas idealiza o ciclo de operação de um

motor a quatro tempos, baseado no conceito da compressão do combustível dentro do cilindro

de combustão. Também publicou estudos apontando as condições sobre as quais seu motor

atingiria a máxima eficiência. Contudo, Beau de Rochas nunca conseguiu aplicar com

sucesso suas teorias, tal que não conseguiu desenvolver um motor real (GAY, 2011;

VARELLA, [s.d.]).

Esse motor só seria efetivamente fabricado em 1876 quando o engenherio alemão Nicolaus

Otto, baseado nos princípios previamente estabelecidos por Beau de Rochas, cria o motor que

herdaria seu nome. Seu motor contava com quatro cilindros e fazia uso de ignição por

centelha elétrica. Dentre os aproximadamente 5000 modelos produzidos, foi registrada uma

eficiência térmica máxima de 11% (HEYWOOD, 1988; RIBEIRO; GOMES, 2016).

Posteriormente, em 1892, outro engenheiro alemão, Rudolf Diesel, registra a patente do

conceito de um motor cuja ignição ocorre por meio da compressão e que apresentava diversas

vantagens teóricas. Porém, é apenas em 1897 que Diesel consegue desenvolver um motor

operacional, cuja eficiência o tornava viável para comercialização (RIBEIRO; GOMES,

2016; VARELLA, [s.d.]).

Os motores de combustão interna são máquinas cujo objetivo é a produção de potência

mecânica a partir da energia química contida nos combustíves. A liberação dessa energia

ocorre pela queima ou oxidação dos combustíveis no interior dos cilindros do motor. O

funcionamento dos motores de combustão é fundamentado em ciclos termodinâmicos, onde

se distinguem quatro fases: admissão, compressão, expansão e escape. Existem duas

principais classificações de motores quanto ao ciclo termodinâmico segundo o qual operam:

44

Motores do ciclo Otto e motores do ciclo Diesel (HEYWOOD, 1988; TILLMANN, 2013).

2.2.1 Motores do ciclo Otto

Nessa seção, será brevemente descrito o processo de funcionamento de um motor do ciclo

Otto segundo as quatros fases de seu ciclo termodinâmico.

Admissão: A admissão ocorre com o pistão inicialmente localizado no Ponto Morto

Superior (PMS), posição onde o volume do cilindro é mínimo, e a válvula de

admissão aberta. O pistão então se move em direção ao Ponto Morto Inferior (PMI),

posição onde o volume do cilindro é máximo, gerando uma baixa pressão no interior

do cilindro, responsável por aspirar a mistura de ar e combustível (ALVES, 2013;

RIBEIRO; GOMES, 2016; TILLMANN, 2013).

Compressão: Em seguida, com o cilindro já preenchido, a válvula de admissão se

fecha e o pistão começa a se mover do PMI em direção ao PMS, comprimindo a

mistura e elevando sua temperatura. Pouco antes do pistão completar o curso, um

dispositivo chamado vela gera uma centelha elétrica que dá início ao processo de

combustão da mistura (ALVES, 2013; RIBEIRO; GOMES, 2016; TILLMANN,

2013).

Expansão: Ao longo do processo de combustão da mistura, os gases produzidos pela

reação aumentam a pressão na câmara que empurra o pistão em direção ao PMI. Essa

fase também é conhecida como tempo motor, pois é a única fase do ciclo em que é

gerado trabalho pela ação das forças que a expansão dos gases exercem sobre o pistão

(ALVES, 2013; RIBEIRO; GOMES, 2016; TILLMANN, 2013).

Escape: Com o pistão no PMI e o cilindro preenchido com os gases da combustão,

abre-se a válvula de escape e o pistão move-se em direção ao PMS empurrando os

gases da combustão para fora do cilindro. Ao atingir o PMS, abre-se a válvula de

admissão e o ciclo recomeça (ALVES, 2013; RIBEIRO; GOMES, 2016;

TILLMANN, 2013).

O ciclo Otto descrito a cima é ilustado na Figura 3.

45

Figura 3: Fases do funcionamento de um motor do ciclo Otto. Fonte: Milhor (2002).

2.2.2 Motores do ciclo Diesel

Analogamente à seção anterior, será descrito na presente seção o processo de funcionamento

de um motor do ciclo Diesel conforme as quatros fases de seu ciclo termodinâmico.

Admissão: Esta fase é iniciada com o pistão no PMS e a válvula de admissão aberta.

Diferentemente dos motores de ciclo Otto, nos motores de ciclo Diesel, enquanto o

pistão desloca-se até o PMI gerando uma baixa pressão no cilindro, ao invés da

mistura ar/combustível, somente ar é aspirido para dentro do cilindro (GONÇALVES,

2016; LASCALA, 2011; RIBEIRO; GOMES, 2016; TILLMANN, 2013).

Compressão: A fase da compressão se incia quando o pistão atinge o PMI e a válvula

de admissão se fecha. A partir daí, o pistão começa a se mover em direção ao PMS

comprimindo o ar em seu interior. Essa taxa de compressão, ou seja, razão entre os

volume máximos e mínimos da câmara de combustão, em motores do ciclo Diesel

pode ser muito maior do que em motores do ciclo Otto. Por conta disso, a temperatura

do ar dentro da câmara pode chegar a 600ºC (GONÇALVES, 2016).

Expansão: Antes da chegada do pistão ao PMS, o combustível é injetado ou

pulverizado na câmara de combustão, por meio de um bico injetor, e ao entrar em

contato com o ar aquecido, inflama-se espontaneamente, dispensando o uso da faísca

elétrica. A expansão dos gases gerados na combustão empurra o pistão para baixo até

o PMI, gerando trabalho (GONÇALVES, 2016; LASCALA, 2011; RIBEIRO;

GOMES, 2016; TILLMANN, 2013).

46

Escape: Quando o pistão atinge o PMI, a válvula de escape se abre e o pistão volta a

subir em direção ao PMS empurrando os gases da combustão para fora do cilindro.

Ao atingir o PMS, a válvula de escape se fecha e abre-se a válvula de admissão,

recomeçando o processo (GONÇALVES, 2016; LASCALA, 2011; RIBEIRO;

GOMES, 2016; TILLMANN, 2013).

O ciclo Diesel descrito a cima é ilustado na Figura 4.

Figura 4: Fases do funcionamento de um motor do ciclo Diesel. Fonte: Gonçalves (2016).

2.3 Adaptações Tecnológicas Necessárias para a Utilisação do

Etanol como Combustível

Como dito anteriormente, para que seja possível a utilização eficiente do etanol como

combustível, sem que haja uma degradação precoce dos motores, são necessárias algumas

adaptações técnicas seja no etanol seja nos motores. Sem essas adaptações, nos motores do

ciclo Diesel, em especial, certas características do etanol inviabilizariam sua aplicação como

combustível.

Diferente dos motores do ciclo Otto, nos motores do ciclo Diesel a ignição se dá por meio da

auto-ignição do combustível. Isso só ocorre porque após ser comprimido, o ar atinge

47

temperaturas na câmara de combustão acima do ponto de fulgor 13 do combustível, que ao ser

injetado na câmara entra em ignição.

É importante ressaltar que a auto-ignição do combustível não é instantânea. Existe um certo

intervalo de tempo entre a injeção do combustível e o início da sua combustão, definido como

atraso de ignição. “Este atraso é conseqüência do tempo requerido para que ocorra:

pulverização; aquecimento e evaporação do combustível; sua mistura com o ar e finalmente

sua auto-ignição” (BR DISTRIBUIDORA, 2016).

Esse atraso na ignição é responsável pela determinação do número de cetano (NC), um fator

destinado à mensurar a qualidade da ignição de um combustível. Valores elevados de atraso

da ignição estão relacionados a baixos números de cetano, e consequentemente, a uma pior

qualidade de ignição do combustível, podendo ocasionar em um acúmulo de combustível não

queimado na câmara, que ao entrar em auto-ignição, fora do tempo ideal, provoca trepidação,

ruído excessivo e falhas no motor (MARTINS, 2011).

Por outro lado, se o atraso da ignição for muito baixo, caracterizando um alto número de

cetano, a combustão pode ocorrer antes que ocorra a mistura adequada entre o ar e o

combustível, resultando na ocorrência de combustão incompleta e, portanto, na emissão de

fumaça (MARTINS, 2011). Por isso, existe um valor ideal para o número de cetano, que

caracteriza o bom funcionamento de combustíveis em motores do ciclo Diesel.

De acordo com Pauferro (2012), para o óleo diesel, combustível usual dos motores do ciclo

Diesel, o número de cetano deve situar-se entre 40 e 55. O etanol, entretanto, possui número

de cetano entre 5 e 15, o que não é compatível com o ideal previsto para os motores do ciclo

Diesel. Sua utilização nessas condições implicaria em atrasos significativos na ignição

acarretando nas consequências já citadas anteriormente relativas a essa condição.

Diante dessa questão, serão apresentadas nos próximos tópicos possíveis soluções técnicas

para esse problema, visando a viabilização do etanol como um possível substituto do óleo

diesel em motores do ciclo Diesel.

13 Temperatura mais baixa na qual o combustível se vaporiza em quantidade suficiente para formar uma mistura

inflamável com ar (MARTINS, 2011).

48

2.3.1 Motor Otto com alta razão de compressão

Como uma primeira opção, será abordada a substituição do motor ciclo Diesel por um motor

ciclo Otto modificado.

Uma das principais diferenças entre os motores do ciclo Diesel e os do ciclo Otto é o

mecanismo pelo qual ocorre a ignição do combustível. Nos motores Diesel, a ignição ocorre

devido à auto-ignição do combustível, o que requer desses combustíveis características

específicas, como um alto número de cetano. Já nos motores Otto, a ignição é iniciada por

meio de uma centelha elétrica, decorrente de uma fonte externa, o que elimina a necessidade

de o combustível possuir propriedades de auto-ignição. Dessa forma, o baixo número de

cetano do etanol deixa de ser um empecilho para sua utilização como combustível.

Além disso, a utilização do etanol permite a realização de modificações nos motores do ciclo

Otto, visando o aumento de sua eficiência térmica, que não seriam possíveis com a gasolina,

combustível usualmente utilizado nesse tipo de motores. A superior octangem14 do etanol em

relação a gasolina, permite que em motores com tecnologia dedicada ao uso do etanol sejam

utilizadas maiores taxas de compressão (CARVALHO, 2011; HIGA, 2011; JEULAND;

MONTAGNE; GAUTROT, 2004).

De acordo com Tillmann (2013) “do ponto de vista termodinâmico, a taxa de compressão é

diretamente responsável pelo rendimento térmico do motor. Assim, quanto maior a taxa de

compressão, melhor será o aproveitamento energético que o motor estará fazendo do

combustível consumido”.

Por isso, além de resolver a questão concernente à baixa capacidade de auto-ignição do

etanol, a maior eficiência térmica relacionada ao uso de um motor do ciclo Otto com taxa de

compressão aumentada torna essa alternativa uma interessante opção nas possíveis rotas

tecnológicas da adaptação de motores para a utilização do etanol. Bakenhus e Brusstar

(2013), por exemplo, conseguiram, usando etanol em um motor com razão de compressão

14 É a propriedade que indica a compressão máxima que a mistura gasosa ar-combustível pode sofrer, sem que

ocorra sua auto-ignição espontânea. A octanagem mede, portanto, a resistência de um combustível a inflamar-se

espontaneamente (SZKLO, 2005).

49

19,5:1, alcançar eficiências térmicas acima de 42%.

Outra importante característica dos motores Otto com esse tipo de adaptação é sua maior

produção de potência em baixas velocidades quando se é usado etanol como seu combustível.

Esse aumento de potência se reflete em uma maior transmissão de torque, permitindo, dessa

forma, que esses motores possam substituir motores Diesel tradicionais em veículos pesados

de menor porte (KOZAK, 2012).

2.3.2 Motor Diesel bicombustível

Uma outra alternativa tecnológica é a utilização de motores Diesel bicombustível. Nesses

motores são usados como combustíveis tanto o óleo diesel quanto o etanol em diferentes

formas. O objetivo desses motores é a redução do consumo de óleo diesel através da sua

substituição parcial pelo etanol. Algumas das principais técnicas do uso do etanol em motores

Diesel bicombustível, disponíves na literatura, serão descritas nos itens abaixo.

2.3.2.1 Injeção de mistura etanol/óleo diesel

Essa técnica consiste na substituição da injeção de óleo diesel puro por uma mistura de óleo

diesel com etanol na câmara de combustão. Contudo, ela só é aplicável às misturas com

baixas concentrações de etanol, tipicamente a 20% v/v ou uma quantidade inferior

(EGÚSQUIZA, 2011). Isso ocorre, porque a mistura entre etanol e óleo diesel possui baixa

miscibilidade (PAUFERRO, 2012).

A baixa solubilidade dessas misturas afeta negativamente características essenciais dos

combustíveis, como lubricidade e viscosidade, podendo causar danos significativos nos

componentes dos motores, principalmente naqueles que compõem o sistema de injeção

(PAUFERRO, 2012). Além disso, com a diminuição da temperatura e o aumento do conteúdo

de água, essas misturas tendem à separação de fase. Nesses casos, pode-se recorrer ao uso de

emulsificantes, substâncias que promovem a estabilização e homogeinização de misturas

imiscíveis (EGÚSQUIZA, 2011).

50

2.3.2.2 Fumigação de etanol no coletor de admissão

Na técnica de fumigação ocorre a aspiração no coletor de admissão de uma pré-mistura de

etanol e ar, como ocorre em motores do ciclo Otto. Essa mistura é então comprimida e sua

queima ocorre com a injeção de uma quantidade de óleo diesel inferior ao que seria

necessário em um motor do ciclo Diesel tradicional, já que parte da energia requerida no

processo é fornecida pelo etanol (EGÚSQUIZA, 2011).

Algumas das principais vantagens associadas à essa técnica são: A redução de até 50% do

conteúdo energético do óleo diesel, a flexibilidade operacional, tendo em vista que o sistema

de injeção de etanol e óleo diesel são independentes e a simplicidade relativa à implantação

dessa técnica, que requer modificações mínimas no motor (EGÚSQUIZA, 2011).

2.3.2.3 Dupla injeção

A técnica da dupla injeção se baseia na utilização de dois sistemas independentes de injeção

(um de etanol e outro de óleo diesel), que injetam os dois combustíveis diretamente na

câmara de combustão, ao contrário da fumigação, onde o etanol é injetado no coletor de

admissão (EGÚSQUIZA, 2011).

A injeção do óleo diesel atua como ignição piloto e serve para iniciar o processo de ignição, o

que facilita a queima do etanol injetado posteriormente, gerando uma combustão mais

eficiente. Com essa técnica, é possível reduzir quantidades significativas do consumo do óleo

diesel nos motores (EGÚSQUIZA, 2011).

Os problemas associados a essa técnica resultam da complicada implantação de um segundo

sistema de injeção, que demanda um maior espaço físico para a instalação de seus

componentes, e da necessidade de proteger as peças do novo sistema de injeção contra o

potencial corrosivo do etanol (PAUFERRO, 2012).

2.3.2.4 Injeção de etanol no cilindro do motor no início do tempo de

compressão

Essa técnica é uma variação da técnica de dupla injeção, onde a injeção de etanol ocorre no

início da fase de compressão do cilindro. Forma-se, então, uma mistura de ar e etanol no

51

interior da câmara que, analogamente à técnica de fumigação, é comprimida e depois tem sua

combustão iniciada pela prévia auto-ignição de uma pequena quantidade de óleo diesel

injetado diretamente na câmara. A vantagem dessa técnica, que mescla características tanto

da fumigação, quanto da injeção dupla, está associada a possibilidade de injetar o etanol à

baixas pressões (PAUFERRO, 2012).

2.3.3 Motor Diesel com etanol aditivado

Direcionando o foco agora, não mais aos motores, mas sim ao etanol, uma outra alternativa é

a utilização de aditivos no etanol para conferir a esse combustível as características

necessárias para sua aplicação em motores do ciclo Diesel.

Como mencionado anteriormente, o baixo número de cetano do etanol representa um

empecilho para seu uso em motores de ignição por compressão. Logo, para que seja possível

o emprego do etanol nessa classe de motores, torna-se inevitável o uso de aditivos ignitores,

com o intuito de aumentar o número de cetano da mistura resultante, conferindo-lhe uma

melhor capacidade de auto-ignição (LASCALA, 2011; MOREIRA et al., 2008).

Além do uso de aditivos ignitores, o etanol utilizado em motores do ciclo Diesel dedicados ao

seu uso também deve conter em sua composição recuperadores de lubricidade e inibidores de

corrosão para preservar a vida útil dos componentes do motor (PAUFERRO, 2012).

A alternativa do etanol aditivado tem sido largamente utilizada ao redor do mundo. A Suécia

foi a pioneira na adoção dessa tecnologia, lançando em 1985 o projeto BEST, já citado

anteriormente. O projeto prevê a utilização de um motor diesel desenvolvido pela companhia

sueca Scania, com pequenas adaptações destinadas ao uso do etanol misturado ao

aditivo fabricado pela empresa sueca SEKAB e que compõe 5% do total de massa do

combustível (LASCALA, 2011; MOREIRA et al., 2008).

3 METODOLOGIA

Nesse trabalho serão avaliadas as performances das adaptações tecnológicas descritas acima

quanto a suas eficiências energéticas. Esses parâmetros serão quantificados pelas

metodologias apresentadas nesse capítulo e seus resultados irão compor os meios necessários

52

para definir quais das adaptações propostas seriam tecnicamente viáveis para implantação.

3.1 A Ferramenta PAMVEC

Os simuladores dinâmicos de veículos são ferramentas de modelagem que apresentam

resultados precisos e acurados, o que os torna ideais para simulações aprofundadas. Porém, a

necessidade de dados de entrada detalhados, a complexidade da ferramenta e o elevado custo

computacional associados a essas simulações produzem análises caras e longas (SIMPSON,

2005).

Como alternativa a essas ferramentas mais rebuscadas, Andrew Simpson (2005) desenvolveu

o PAMVEC (Parametric Analytical Model of Vehicle Energy Consumption), uma ferramenta

para a avaliação do desempenho energético de veículos. Os resultados de fácil interpretação e

os cálculos realizados de forma mais rápida conferiram a essa ferramenta uma execução mais

simplificada (SIMPSON, 2005).

Essas vantagens do PAMVEC só foram possíveis por conta da hipótese simplificadora de que

o fluxo de potência trativa reversível (relativo à inércia do veículo) pode ser modelado

separadamente do fluxo irreversível de potência (relativo ao arrasto do veículo). Porém essa

hipótese também é a principal responável pelo erro de predição dos resultados, que podem

chegar à ordem de até 20%, valor alto comparado ao máximo erro de 5% encontrado em

resultados fornecidos pelos simuladores dinâmicos. Apesar disso, os resultados de economia

relativa de combustível são bem acuradados, apresentando erros tipicamente menores que 5%

(SIMPSON, 2005).

Por esses motivos, foi escolhido para esse trabalho o PAMVEC como ferramenta básica de

análise de desempenho energético para avaliar as adaptações propostas na seção 2.3.

De forma resumida, as simulações ocorrem pela alimentação da ferramenta com dados de

entradas, detalhados na seção 4, usados para calcular, de forma analítica, a potência

necessária para o acionamento do veículo, o consumo de combustível e a eficiência do

sistema de propulsão. Um modelo ilustrativo do funcionamento dessa ferramenta é

apresentado pela Figura 5.

53

Figura 5: Modelo ilustrativo do funcionamento do PAMVEC. Fonte: Castro (2013).

3.2 Cálculos e Modelagens

3.2.1 Potência de tração

A modelagem paramétrica do consumo de energia do veículo se baseia na equação (3.1):

𝑃𝑡 = 𝑃𝑎𝑒𝑟𝑜 + 𝑃𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 + 𝑃𝑐𝑖𝑛 + 𝑃𝑝𝑜𝑡 (3.1)

Onde:

Pt é a potência de tração (W);

Paero é a potência consumida devido à força de arrasto aerodinâmico (W);

Patrito é a potência dissipada através do atrito dinâmico do pneu com o solo (W);

Pcin é a potência devido à variação de energia cinética do veículo (W);

Ppot é a potência devido à variação de energia potencial (W).

Considerando que, durante as simulações, as variações líquidas de velocidade e de elevação

54

do veículo são nulas, pode-se desconsiderar os termos relativos às energias cinéticas e

potenciais. Já os termos relativos às potências consumidas pela forças de arrasto e de atrito

são definidos, respectivamente, pelas equações (3.2) e (3.3):

𝑃𝑎𝑒𝑟𝑜 =1

2𝐶𝐷𝜌𝑉3𝐴 (3.2)

Onde:

Paero é a potência consumida devido à força de arrasto aerodinâmico (W);

CD é o coeficiente de arrasto aerodinâmico;

ρ é a massa específica do ar (~1.2 kg/m3);

V é a velocidade instantânea do veículo (m/s);

A é a área frontal do veícula (m2).

𝑃𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 = 𝐶𝑟𝑟𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑔𝑉 (3.3)

Onde:

Patrito é a potência dissipada através do atrito dinâmico do pneu com o solo (W);

Crr é o coeficiente de resistência ao rolamento;

mtotal é a massa total do veículo (kg);

g é a aceleração da gravidade (~9.81 m/s2);

V é a velocidade instantânea do veículo (m/s).

De forma a obter a potência média de tração, a velocidade instantânea e o cubo da velocidade

instantânea do veículo serão substituídos respectivamente pela velocidade média e o cubo da

velocidade cúbica média do veículo.

𝑉𝑚𝑒𝑑 = 1

𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜∫ 𝑉𝑑𝑡

𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜

0 (3.4)

𝑉𝑐𝑢𝑏 𝑚𝑒𝑑 = √1

𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜∫ 𝑉3𝑑𝑡

𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜

0

3 (3.5)

Onde:

Vmed é a velocidade média do veículo (m/s);

Vcub med é a velocidade cúbica média do veículo (m/s);

tciclo é o tempo total do ciclo (s);

V é a velocidade instantânea do veículo (m/s).

55

Aplicando as equações (3.2), (3.3), (3.4) e (3.5) em (3.1), obtém-se a equação da potência de

tração média do veículo:

𝑃�� = 1

2𝐶𝐷𝜌𝑉𝑐𝑢𝑏 𝑚𝑒𝑑

3 𝐴 + 𝐶𝑟𝑟𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑔𝑉𝑚𝑒𝑑 (3.6)

3.2.2 Potência dissipada nos freios

A parametrização da potência dissipada pelos freios em arquiteturas veículares que contam

com motores de combustão interna é descrita de acordo com a equação (3.7):

𝑃𝑑𝑖𝑠𝑠 = 𝑘𝑚𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑎𝑉 + 𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑔𝑍𝑉 (3.7)

Onde:

Pdiss é a potência dissipada pelos freios (W);

km é o fator de momento de inércia do veículo, onde km =1,2, de acordo com Simpson (2005);

mtotal é a massa total do veículo (kg);

a é a aceleração instantânea do veículo (m/s2);

V é a velocidade instantânea do veículo (m/s);

g é a aceleração da gravidade (~9,81 m/s2);

Z é a elevação do veículo em relação ao referencial inicial (m).

Novamente, considerando a variação líquida de elevação nula, pode-se desconsiderar a

segunda parcela da lado direito da equação (3.7).

Agora, para obter potência dissipada em termos médios, a velocidade e a aceleração

instantâneas serão substituídos respectivamente pelas velocidade média e a aceleração

característica do veículo.

𝑎𝑐 =1

2∙

|𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙2 −𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙

2 |

𝑉𝑚𝑒𝑑𝑇 (3.8)

Aplicando-se as hipóteses consideradas e a equação (3.8) à equação (3.7), obtém-se a

equação da potência dissipada média do veículo:

𝑃𝑑𝑖𝑠𝑠 = 𝑘𝑚𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑎𝑐𝑉𝑚𝑒𝑑 (3.9)

56

3.2.3 Potência dissipada pelo sistema de transmissão

A potência média dissipada pelo sistema de transmissão do veículo é expressa por:

𝑃𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 =

1−𝜂𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠

𝜂𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠∙ (𝑃�� + 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑠

) (3.10)

Onde:

ηtrans é a eficiência do sistema de transmissão.

3.2.4 Potência requerida pelo motor de combustão

A potência média requerida pelo motor de combustão interna é definida como o somatório

das potência apresentados nos itens 3.2.1, 3.2.2 e 3.2.3, além das potências dissipadas por

acessórios presentes no veículo, tais como, no caso de ônibus, o ar condicionado e outros

acessórios presentes no sistema elétrico e no sistema de acionamento das portas. Assim, a

equação geral para a potência requerida pelo motor de combustão é expressa por:

𝑃𝑚𝑐𝑖 = 𝑃�� + 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑠

+ 𝑃𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 + 𝑃𝑎𝑐𝑒𝑠𝑠

(3.11)

Onde:

𝑃𝑎𝑐𝑒𝑠𝑠 é a potência média consumida pelos acessórios (W).

3.2.5 Massa total do veículo

A massa total do veículo pode ser expressa por:

𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜𝑐𝑒𝑟𝑖𝑎 + 𝑚𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 + 𝑘𝑒𝑠𝑡𝑚𝑝𝑟𝑜𝑝𝑢𝑙𝑠ã𝑜 (3.12)

Onde:

mcarroceria é a massa da carroceriado veículo (kg);

mcarga é a massa total da carga transportada pelo veículo (kg);

kest é o fator de massa adicional para suportar a carga adicional da estrutura do sistema de

propulsão, onde kest =1,1, de acordo com Simpson (2005);

mpropulsão é a massa do sistema de propulsão do veículo (kg).

A massa do sistema de propulsão pode ainda ser modelada a partir dos elementos que o

compõem:

57

𝑚𝑝𝑟𝑜𝑝𝑢𝑙𝑠ã𝑜 = 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 + 𝑚𝑚𝑐𝑖 + 𝑚𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 = 𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏

𝐸𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏+

𝑃𝑚𝑐𝑖

𝑃𝐸𝑚𝑐𝑖+

𝑃𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠

𝑃𝐸𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 (3.13)

Onde:

mcomb é a massa de combustível (kg);

mmci é a massa do motor de combustão interna (kg);

mtrans é a massa do sistema de transmissão (kg);

Ecomb é a energia armazenada no combustível (Wh);

EEcomb é a energia escpecífica do combustível (Wh/kg);

Pmci é a potência do motor de combustão interna (W);

PEmci é a potência específica do motor de combustão interna (W/kg);

Ptrans é a potência do sistema de transmissão (W);

PEtrans é a potência específica do sistema de transmissão (W/kg).

3.2.6 Consumo de energia

O consumo de energia é um importante parâmetros na análise de eficiência energética do

veículo. Seu cálculo é definido pela expressão:

𝐸 = 𝑃𝑚𝑐𝑖

𝑉𝑚𝑒𝑑∙𝜂𝑚𝑐𝑖 (3.14)

Onde:

E é o consumo de energia (Wh/km);

𝑃𝑚𝑐𝑖 é a potência média requerida pelo motor de combustão interna (W);

Vmed é a velocidade média (km/h);

ηmci é o rendimento térmico do motor.

3.2.7 Rendimento veicular

O rendimento veicular é definido como a razão entre a potência média de tração e a potência

média requerida pelo motor de combustão:

𝜂𝑣𝑒í𝑐𝑢𝑙𝑜 = 𝑃𝑡

𝑃𝑚𝑐𝑖 (3.15)

Onde:

ηveículo é o rendimento veicular;

𝑃�� é a potência média de tração (W);

58

𝑃𝑚𝑐𝑖 é a potência média requerida pelo motor de combustão interna (W).

3.2.8 Consumo de combustível

No PAMVEC o cálculo do consumo de combustível é com referência à densidade energética

da gasolina, o que não é apropriado para esse trabalho. Por isso, ao invés da rotina do

PAMVEC, será implementada a equação 3.16 para o cálculo do consumo de combustível:

𝐶 = 𝐸

𝜌𝑒(3.16)

Onde:

C é o consumo de combustível (l/km);

E é o consumo de energia (Wh/km);

ρe é a densidade energética do combustível (Wh/l).

59

4 SIMULAÇÕES

Com o objetivo de comparar a performance energética das adaptações, propostas na seção

2.3, para o uso de etanol como combustível em ônibus urbanos, com a performance de um

ônibus convencional, foram realizadas quatro análises no PAMVEC: O caso base,

representado pela simulação de um motor Diesel utilizando 100% de óleo diesel como

combustível, e outras três análises representando as adaptações apresentadas: Motor Otto com

alta razão de compressão, motor Diesel bicombustível e o etanol aditivado. Essas análises

foram nomeadas em Caso 1, Caso 2, Caso 3 e Caso 4, respectivamente, e um resumo das suas

particularidades é apresentado na Tabela 3.

Tabela 3: Descrição resumida das análises realizadas no PAMVEC

ANÁLISE MOTOR COMBUSTÍVEL

Caso 1 Diesel Óleo Diesel

Caso 2 Otto Modificado15 Etanol Hidratado

Caso 3 Diesel Bicombustível Óleo Diesel e Etanol Hidratado

Caso 4 Diesel Etanol Hidratado Aditivado

Os dados de entrada necessários para a simulação das análises no PAMVEC serão

apresentados em dois grupos: Os dados de entrada gerais e específicos. Os dados de entrada

gerais, apresentados na seção 4.1, são relativos ao ônibus e ao ciclo de condução usados

como base das simulações e comum a todas as análises. Os dados de entrada específicos são

relativos aos motores e aos combustíveis, por isso são particulares para cada análise e serão

apresentados em suas respectivas seções.

Por fim, serão avaliados, para cada simulação, a potência requerida pelo motor de combustão,

o consumo de energia, o rendimento veícular e o consumo de combustível, parâmetros cuja

definição já foi apresentada na seção 3.2. Os resultados de cada análise serão apresentados

em suas respectivas seções.

É importante ressaltar que foi adotada a mesma hipótese para todas as simulações de que os

motores operam nas suas condições de máxima potência.

15 Motor Otto com alta razão de compressão.

60

4.1 Dados de Entrada Gerais

Os dados de entrada gerais foram subdivididos em quatro grupos, plataforma veicular,

objetivos de performance, ciclo de condução e sistema de transmissão, cujos parâmetros estão

apresentados respectivamente na Tabela 4, Tabela 5, Tabela 6 e Tabela 7.

Tabela 4: Dados de entrada gerais – Plataforma veicular

PLATAFORMA VEICULAR

Parâmetro Símbolo Valor Unidade Referência Massa da carroceria16 mcarroceria 11200 kg -

Fator de momento de inercia km 1,2 - (SIMPSON, 2005)

Fator de massa adicional kest 1,1 - (SIMPSON, 2005)

Área frontal A 6,93 m2 (MUTHUVEL et al., 2013)

Coeficiente de arraste aerodinâmico CD 0,53 - (PATIL et al., 2012)

Coeficiente de resistência ao rolamento Crr 0,008 - (MUTHUVEL et al., 2013)

Massa da carga total transportada17 mcarga 2730 kg -

Potência média consumida pelos acessórios 𝑃𝑎𝑐𝑒𝑠𝑠 19300 W (CAMPBELL; KITTELSON, 2009)

Tabela 5: Dados de entrada gerais – Objetivos de performance

OBJETIVOS DE PERFORMANCE

Parâmetro Valor Unidade Referência

Aceleração 18s @ 96.6 km/h - (FLEISHMAN; LEONHARDT, 2010)

Gradabilidade 5% @ 64.4 km/h - (FLEISHMAN; LEONHARDT, 2010)

Velocidade máxima 113 km/h (FLEISHMAN; LEONHARDT, 2010)

Autonomia 400 km (SAMWAYS; SANTOS; GROSSA, 2014)

16 Calculado com auxílio do PAMVEC a partir do valor de 13800kg, referente ao peso descarregado do modelo

de ônibus Citaro L (MERCEDES-BENZ, 2016a).

17 Esse valor foi encontrado multiplicando-se o número de assentos do ônibus estudado por Campbell e

Kittelson (2009), no caso 39 (incluindo o assento do motorista), pelo peso médio de um adulto, estimado em

70kg.

61

Tabela 6: Dados de entrada gerais – Ciclo de condução

CICLO DE CONDUÇÃO18


Velocidade média 10.93 km/h (BARLOW et al., 2009; SIMPSON, 2005)

Razão de velocidades 1.75 - (BARLOW et al., 2009; SIMPSON, 2005)

Velocidade cúbica média 19.13 km/h (BARLOW et al., 2009; SIMPSON, 2005)

Aceleração característica 0.269 m/s2 (BARLOW et al., 2009; SIMPSON, 2005)

Abaixo, na Figura 6, é apresentada a curva de velocidade pelo tempo, que caracteriza o ciclo

de condução definido na

Tabela 6, evidenciando bem sua baixa velocidade média e sua característica “stop-and-go”.

Figura 6: Representação gráfica do ciclo de condução Manhattan Bus Cycle. Fonte: Barlow

et al. (2009).

18 Valores relativos ao ciclo de condução de ônibus de Manhattan (Manhattan Bus Cycle), desenvolvido com

base em padrões de condução observados em ônibus reais de trânsito urbano no centro de Manhattan, na cidade

de Nova York. O ciclo é caracterizado por paradas freqüentes e baixas velocidades.

62

Tabela 7: Dados de entrada gerais – Sistema de transmissão

SISTEMA DE TRANSMISSÃO19


Potência específica 1210 W/kg (MERCEDES-BENZ, 2016a)

Eficiência20 90 % -

Número de marchas 6 - (MERCEDES-BENZ, 2016a)

Máxima relação de

transmissão

6.7 - (MERCEDES-BENZ, 2016a)

4.2 Caso 1

O Caso 1 consitui a simulação no PAMVEC do ônibus cujas características gerais foram

definidas na seção 4.1 com um motor Diesel convencional movido a óleo diesel. Trata-se,

portanto, do caso base. As características do motor e do combustível estão apresentadas

respectivamente na Tabela 8 e Tabela 9.

Em seguida, na Tabela 10, são apresentados os resultados da simulação desse modelo para os

parâmetros determinados na seção 4. Esses resultados servirão de base de comparação para o

resultado das análises do Caso 2, Caso 3 e Caso 4.

4.2.1 Dados de entrada específicos

Tabela 8: Dados de entrada específicos – Motor – Caso 1

MOTOR


Potência específica21 308,8 W/kg (MERCEDES-BENZ, 2016a)

Eficiência 44 % (NORDSTRÖM, 2007)

19 Valores relativos ao modelo G 90-6S do catálogo da Mercedes-Benz, considerando uma rotação do motor de

1600 rpm.

20 Valor assumido.

21 Valores relativos ao modelo OM 470 do catálogo da Mercedes-Benz, considerando uma rotação do motor de

1600 rpm.

63

Tabela 9: Dados de entrada específicos – Combustível – Caso 1

COMBUSTÍVEL


Energia específica 42258 kJ/kg (ANP, 2015)

Massa específica 0,840 kg/l (ANP, 2015)

4.2.2 Resultados

Tabela 10: Resultados – Caso 1

Parâmetro Valor Unidade

Potência requerida pelo motor de combustão 526,0 kW

Consumo de energia 8,75 kWh/km

Eficiência veicular 4,5 %

Consumo de combustível 0,89 l/km

4.3 Caso 2

Na simulação do Caso 2, foi utilizado o mesmo ônibus do Caso 1, mas utilizando agora um

motor Otto com alta razão de compressão e como combustível etanol hidratado. As

características do motor e do combustível estão apresentadas respectivamente na Tabela 11 e

Tabela 12.

Por falta de dados disponíveis na literatura do valor de potência específica de motores Otto

modificados para obter uma alta razão de compressão, foi adotada a potência específica de

um modelo Flex22 original, com razão de compressão de 12.4:1. Dessa forma, os resultados

dessa análise, apresentados na Tabela 13, podem apresentar uma certa discrepância em

relação ao comportamento real desse tipo de motores.

22 Motor Otto movido à álcool ou à gasolina.

64



MOTOR


Potência específica 74,9 W/kg (CARVALHO, 2011b)



COMBUSTÍVEL


Energia específica 23359 kJ/kg (ANP, 2015)

Massa específica 0,809 kg/l (ANP, 2015)

4.3.2 Resultados







4.4 Caso 3

No Caso 3, a simulação foi realizada considerando um motor Diesel bicombustível movido a

óleo diesel e etanol hidratado. O motor estudado por Situ et al. (2013) utiliza a técnica da

fumigação no coletor de admissão para adicionar o etanol.

Nesse estudo de Situ et al. (2013) foram avaliadas diversas configurações de proporção de

etanol na mistura final de combustível. Dessas configurações foi adotada para essa simulação

a com maior proporção de etanol, no caso, 36,2% (em base energética) que, de acordo com os

resultados encontrados por Situ et al., permite o motor atingir uma eficiência térmica de

65

37,1%, supondo uma rotação de 1500 rpm (próximo dos 1600 rpm, considerados nas outras

análises). As características do motor estão apresentadas na Tabela 14.

O combustível considerado na simulação é uma mistura de 36,2% de etanol hidratado e

63,8% de óleo diesel em base energética. Como o autor não forneceu dados de energia e

massa específicas equivalentes, referente a essa mistura, as características do combustível

apresentadas na Tabela 15 foram calculadas de acordo com as equações 4.1, 4.2 e 4.3,

consequência da aplicação dos teoremas de conservação de massa, volume e energia.

𝜌𝑚𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎 =

𝜌𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙∙𝜌𝑚

𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙

0.638∙𝜌𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙+0.362∙𝜌𝑚

𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 (4.1)

Onde:

𝜌𝑚𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎 é a energia específica da mistura em base mássica (kJ/kg);

𝜌𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 é a energia específica do etanol hidratado em base mássica (kJ/kg);

𝜌𝑚𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 é a energia específica do óleo diesel em base mássica (kJ/kg).

𝜌𝑣𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎 =

𝜌𝑣𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙∙𝜌𝑣

𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙

0.638∙𝜌𝑣𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙+0.362∙𝜌𝑣

𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 (4.2)

Onde:

𝜌𝑣𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎 é a energia específica da mistura em base volumétrica (kJ/l);

𝜌𝑣𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 é a energia específica do etanol hidratado em base volumétrica (kJ/l);

𝜌𝑣𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 é a energia específica do óleo diesel em base volumétrica (kJ/l).

𝜌𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎 = 𝜌𝑣

𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎

𝜌𝑚𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎 (4.3)

Onde:

𝜌𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎 é a massa específica da mistura (kg/l).

Os resultados da simulação do Caso 3 estão apresentados na Tabela 16.

66



MOTOR


Potência específica 126.8 W/kg (GHOMASHI, 2013)

Eficiência 37,1 % (SITU et al., 2013)


COMBUSTÍVEL


Energia específica 32685 kJ/kg -

Massa específica 0,824 kg/l -

4.4.2 Resultados



Potência requerida pelo motor de combustão 644.3 kW




4.5 Caso 4

Para a simulação do Caso 4, foi adotado o mesmo motor Diesel adotado no Caso 1, ou seja,

com a mesma potência específica, mas utilizando como combustível o etanol aditivado,

alterando, assim, a eficiência em relação ao Caso 1, como previsto por Nordström (2007). As

características do motor estão apresentadas na Tabela 17.

As características particulares do etanol aditivado, apresentadas na Tabela 18, e sua

composição podem ser encontradas no site da Advanced Motor Fuels (AMF), um programa

de colaboração de tecnologia com a Agência Internacional de Energia (IEA).

67

Os resultados da simulação do Caso 4 estão apresentados na Tabela 19.



MOTOR


Potência específica23 308,8 W/kg (MERCEDES-BENZ, 2016a)



COMBUSTÍVEL


Energia específica 24700 kJ/kg (IEA-AMF, [s.d.])

Massa específica 0,820 kg/l (IEA-AMF, [s.d.])

4.5.2 Resultados


4.6 Comparação de Resultados

Nesta seção, os resultados obtidos nas simulações do Caso 1, Caso 2, Caso 3 e Caso 4,

apresentados respectivamente nas seções 4.2.2, 4.3.2, 4.4.2 e 4.5.2, foram agrupados por

parâmetro avaliado, com o intuito de favorecer a comparação da performance energética dos

pares motor/combustível alternativos com o caso base do ônibus com motor Diesel movido a

23 Valores relativos ao modelo OM 470 do catálogo da Mercedes-Benz e considerando uma rotação do motor de

1600 rpm.






68

óleo diesel.

Além disso, na seção 4.6.5, é introduzida a comparação da economia de óleo diesel, em base

energética, dos casos alternativos em relação ao caso base, de forma a indicar o quanto de

óleo diesel deixa de ser consumido pela substituição pelo uso do etanol.

4.6.1 Potência requerida pelo motor

No Gráfico 4 são apresentados os resultados das simulações para a potência requerida pelo

motor. O Caso 1 foi tomado como base de comparação para os outros resultados e por isso

lhe foi atribuído o valor de 100%. O Caso 2 foi o que apresentou o maior valor de potência

requerida pelo motor em relação ao Caso 1, enquanto o Caso 4 foi o que apresentou o menor,

com uma ligeira variação de 1.6%.

Esses resultados são influencia principalmente da eficiência do motor de combustão, em uma

relação inversamente proporcional. Enquanto no Caso 4, a eficiência do motor é 2,3% menor

do que a eficiência do motor do Caso 1, no Caso 2, essa eficiência é 20.5% menor.

Gráfico 4: Comparação dos resultados de potência requerida pelo motor em relação ao caso

base (100%).

4.6.2 Consumo de energia

No Gráfico 5 são apresentados os resultados das simulações para o consumo de energia. O

Caso 1 foi tomado como base de comparação para os outros resultados e por isso lhe foi

100.0%

166.5%

122.5%

101.6%

0.0%

20.0%

40.0%

60.0%

80.0%

100.0%

120.0%

140.0%

160.0%

180.0%

200.0%

Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4

Comparação dos resultados de potência requerida pelo motor em relação ao caso base

69

atribuído o valor de 100%. O resultado observado é similar ao obtido na seção 4.6.1 com a

potência requerida pelo motor: O Caso 2 apresentando o maior consumo de energia em

relação ao Caso 1 e o Caso 4 o menor. Isso ocorre porque o consumo de energia é

proporcional à potência requerida pelo motor. Logo, é esperado que o Gráfico 5 reproduza o

mesmo comportamento do Gráfico 4.

Gráfico 5: Comparação dos resultados de consumo de energia em relação ao caso base

(100%).

4.6.3 Eficiência veicular

Os resultados das simulações para a eficiência veicular são apresentados no Gráfico 6. O

parâmetro de eficiência veicular depende, em geral, das caraterísticas do veículo como um

todo, sobretudo dos dados de entrada gerais do ônibus. Por isso, como foram utilizados os

mesmos dados de entrada gerais para todas as simulações, não se observa variações

significativas entre os resultados desse parâmetro. A maior variação apresentada é de 8,9%,

referente ao Caso 3.

100.0%

174.1%

134.1%

103.2%

0.0%

20.0%

40.0%

60.0%

80.0%

100.0%

120.0%

140.0%

160.0%

180.0%

200.0%


Comparação dos resultados de consumo de energia em relação ao caso base

70

Gráfico 6: Comparação dos resultados de eficiência do veículo em relação ao caso base

(100%).

4.6.4 Consumo de combustível

O Gráfico 7 apresentada os resultados de consumo de combustível. Mais uma vez, o Caso 1

foi tomado como base comparativa, atribuindo-lhe o valor de 100%. Percebe-se que o Caso 2

se destaca dentre os outros pelo consumo de combustível muito mais elevado, cerca de 3

vezes maior do que o caso base. Esse comportamento é consequência de dois fatores: O alto

consumo de energia requerido pelo veículo do Caso 2 e a baixa energia específica do

combustível utilizado, no caso, etanol hidratado.

Os resultados de consumo de combustível para o Caso 3 e o Caso 4 ficaram bem próximos,

com uma variação de 2,6% do Caso 4 para o Caso 3. Isso pode ser explicado porque o maior

consumo de energia do Caso 3 foi equilibrado com a utilização de um combustível (A

mistura de etanol hidratado e óleo diesel) com energia específica maior do que a do etanol

hidratado. De forma semelhante, apesar de o Caso 4 apresentar uma menor necessidade de

consumo de energia, a utilização do etanol hidratado como combustível, que possui menor

energia específica, provocou um aumento no consumo final de combustível, colocando os

resultados desse parâmetro para o Caso 3 e o Caso 4 em patamares similares.

100.0%95.6%

91.1%97.8%

0.0%

20.0%

40.0%

60.0%

80.0%

100.0%

120.0%


Comparação dos resultados de eficiência do veículo em relação ao caso base

71

Gráfico 7: Comparação dos resultados de consumo de combustível em relação ao caso base

(100%).

4.6.5 Economia de óleo diesel

Nesta seção, será introduzido um novo parâmetro para comparação: A economia de óleo

diesel, isto é, a redução na quantidade de óleo diesel consumida pelo veículo em base

energética. No Gráfico 8, onde são apresentados os resultados, a série em azul apresenta o

consumo de óleo diesel, enquanto a série em verde apresenta sua economia. Para o Caso 1,

por exemplo, onde a composição energética do combustível é de 100% de óleo diesel, atribui-

se uma economia de 0%. No Caso 2 e no Caso 4, como o óleo diesel não constitui nenhuma

porcentagem da composição do combustível, a economia de óleo diesel é de 100%.

100.0%

325.8%

176.4% 180.9%

0.0%

50.0%

100.0%

150.0%

200.0%

250.0%

300.0%

350.0%


Comparação dos resultados de consumo de combustível em relação ao caso base

72

Gráfico 8: Comparação dos resultados de consumo de óleo diesel e etanol em base

energética.

5 CONCLUSÕES

5.1 Considerações Finais

Os resultados exibidos na seção 4.6 demonstraram que os ônibus que dispunham de um

sistema motor/combustível alternativo apresentaram de forma integral uma deteriorização de

sua performance energética, quando comparados ao tradicional sistema de propulsão

constituído pelo motor Diesel utilizando óleo diesel como combustível. Esses resultados já

eram, contudo, esperados, tendo em vista que a substituição do óleo diesel por um

combustível com menor densidade energética culminaria, naturalmente, em uma queda de

performance.

Apesar de não desejada, essa queda de performance é uma consequência necessária em prol

da promoção do objetivo final desse trabalho, isto é, a redução do consumo de óleo diesel,

confirmado na seção 4.6.5. Todas as alternativas sugeridas obtiveram êxito na proposta de

reduzir o consumo de óleo diesel, sendo que em alguns casos, foi demonstrado que, com a

utilização do etanol, é possível atingir uma economia de até 100% no consumo de óleo diesel.

A importância desses resultados se ratifica quando considerados os diversos transtornos, já

discutidos na seção 1.1, relacionados ao consumo do óleo diesel. Primeiramente, é essencial

100.0%

63.8%

100.0%

36.2%

100.0%

0%

20%

40%

60%

80%

100%


Comparação dos resultados de consumo de óleo diesel e etanol em base energética

Óleo Diesel Etanol Hidratado

73

lembrar que o Brasil ainda não é autosuficiente na produção de óleo diesel e que essa

realidade pode torna-se ainda mais distante ao se considerar a ampliação da obrigatoriedade

do uso de óleo diesel S10 pelo país. Além disso, diante de um mundo cada vez mais

consciente e preocupado com as condições ambientais do planeta, devido ao agravamento do

fenômeno do aquecimento global nos últimos anos, existe uma pressão cada vez maior para o

a redução do uso de combustíveis fosséis. Fora isso, ainda há uma crescente mobilização por

parte da sociedade contra os poluentes emitidos pela queima de oléo diesel, responsáveis por

degradar a qualidade do ar nos grandes centros urbanos, prejudicando a saúde da população.

Os fatores descritos acima reiteram o porquê da redução do consumo de óleo diesel ser tão

importante, demonstrando a relevância desse estudo. A substituição do óleo diesel por etanol

nas frotas de ônibus é uma prática que já foi implementada em outros países, portanto, viável,

e que tem um potencial poder de redução do consumo de óleo diesel em larga escala.

Considerando os aproximadamente 20.000 veículos que compuseram a frota média municipal

e intermunicipal de ônibus da região metropolitana do Rio de Janeiro em 2015 percorrendo

no total uma média mensal de cerca de 151 milhões de quilômetros (FETRANSPOR, 2015),

seria possível obter uma redução de aproximadamente 20 mil m3 no consumo mensal de óleo

diesel, quando utilizado o sistema simulado no Caso 3, e de aproximadamente 135 mil m3 no

consumo mensal, quando utilizados os sistemas simulados no Caso 2 e no Caso 4, cuja

economia de óleo diesel era de 100%.

Os dados dados acima demosntram que, mesmo face a uma piora da performance energética

dos veículos, a substituição do óleo diesel pelo etanol, como combustível nas frotas de

ônibus, é uma iniciativa que deve ser considerada como uma solução viável para resolver o

problema do consumo elevado de óleo diesel no país.

5.2 Sugestão de Trabalhos Futuros

Esse projeto final teve como objetivo apresentar e simular possíveis alternativas tecnológicas,

baseadas na utilização do etanol como combustível em sistemas de propulsão de ônibus

urbanos, de forma a reduzir o consumo de óleo diesel. Os resultados obtidos comprovaram

que as tecnologias propostas são viáveis, tendo em vista, que foram eficientes no ponto de

vista da redução da utilização de óleo diesel.

74

O tema abordado abrange uma vasta gama de possibilidades para a expansão do presente

estudo, já que, ainda existem outras tecnologias a serem estudadas e oportunidade de

aprofundamento e diversificação das simulações. Por isso sugere-se como tema para a

continuação desse estudo as seguintes opções:

Abordagem e investigação dos resultados na redução do consumo de óleo diesel para

outras tecnologias não simuladas nesse projeto final, como por exemplo, outras

configurações de tecnologias de motor Diesel bicombusível;

Análise quantitativa das emissões de gases de efeito estufa e de efeito local para as

combinações de combustíveis e motores propostas nesse trabalho;

Avaliação das reduções para a aplicação de outros ciclos de condução, com

características de trânsito diferentes do apresentado, incluíndo ciclos de condução

reais de cidades brasileira, para encontrar resultados mais próximos com a realidade

do país;

Verificação dos resultados dos ônibus para a utilização, como seu combustível, de

misturas diesel-biodiesel-etanol em diferentes proporções;

Introdução de uma análise econômico-financeira da implantação das tecnologias

alternativas propostas, considerando o preço dos combustíveis e os diversos custos

envolvidos.

75

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