Energy

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sexta-feira, 31 de março de 2017

Perspectivas sobre veículos eléctricos – Parte 2



A primeira comparação a realizar entre veículos convencionais e eléctricos será a eficiência energética do combustível. Nesta comparação há que ter em conta dois aspectos principais: a densidade energética e a eficiência tank-to-wheel. A densidade energética define quanta energia está contida numa determinada unidade física de combustível. No caso de um combustível fóssil o exercício é relativamente simples de fazer pois tal estará ligado às suas propriedades químicas. No caso do gasóleo o conteúdo energético situa-se em torno dos 13 700 Wh/kg enquanto que a gasolina andará pelos 12 200 Wh/Kg. No caso dos veículos eléctricos não se pode comparar directamente com o peso dos electrões mas sim das baterias que “geram” o seu fluxo. Nos últimos anos tem-se assistido ao aumento considerável a densidade energética das baterias eléctricas pelo que os valores actuais – 250Wh/kg para as baterias de Lítio-Enxofre e 400 Wh/kg para as baterias de Sódio. Não só a densidade energética é manifestamente inferior no caso das baterias como os veículos suportam sempre o mesmo peso quer elas estejam carregadas ou descarregadas.

Para comparar a eficiência total de cada tipo de veículo há que considerar outros factores como sejam o peso dos elementos mecânicos responsáveis pela impulsão do veículo e o peso médio do veículo entre cada carga. Os motores eléctricos têm uma relação potência/peso muito superior ao dos motores de combustão – os motores eléctricos para uso em automóveis de alta performance atingem os 8,8 kW/kg ao passo que os equivalentes nos motores de combustão atingem apenas 3,7 kW/kg. Apesar de se referirem a modelos de alta performance, estes números dão-nos uma ideia da diferença nos rácios peso potência dos dois tipos de motor. Além desta vantagem, os veículos eléctricos possuem ainda a vantagem de necessitarem de menos elementos mecânicos para além do motor. A maior simplicidade mecânica de motor e transmissão dos veículos eléctricos é a razão para o diferencial observado em termos de eficiência energética. Por isso, a eficiência energética dos motores eléctricos com um grau de eficiência de 90% contra 25% para os motores de combustão. Considerando toda a mecânica o grau de eficiência tank-to-wheel - percentagem de energia entrada no “depósito” que é convertida em movimento - situa-se nos 70% para osVE e 16% a 20% para os VC. Analisando a eficiência energética desde a extracção da energia primária até ser convertida em movimento, os números apontam para um grau de eficiência na ordem dos 30% para os VE e 14% a 18% para os VC o que indica que o processo de obtenção de derivados de petróleo é muito mais eficiente que o da transformação da energia primária em electricidade disponível para o consumo final.


Com base na densidade energética e eficiência mecânica das tecnologias subjacentes é possível calcular a eficiência energia/peso (tank-to-wheel) de cada tipo de combustível bastando multiplicar os dois factores. No caso dos motores de combustão temos eficiências entre 1 800 Wh/kg e 2 750 Wh/kg ao passo que nos veículos eléctricos temos eficiências entre 175 Wh/Kg e 280 Wh/kg. Portanto, a eficiência energia/peso do “combustível” considerada desde que é carregada no veículo até se transformar em movimento é cerca de dez vezes inferior no veículo eléctrico quando comparado com os veículos movidos a motor de combustão. Mas, apesar da desvantagem ao nível da eficiência energia/peso, os motores eléctricos apresentam eficiências energéticas (grau de transformação da energia recebida em movimento) muito superiores aos dos motores de combustão. Esta vantagem permite que os automóveis eléctricos tenham consumos comparáveis muito inferiores aos veículos convencionais (VC) equivalentes (na ordem dos 50%).


Quadro 1 – Comparação de consumos de energia por 100km percorridos
Modelo (combustão)
kW (cv)
l/100km
Modelo (eléctrico)
kW (cv)
l/100km
77 (105)
4,2
83 (111)
2,0
82 (110)
3,9
85 (115)
2,0
110 (150)
4,1
107 (143)
2,3
97 (130)
7,4
92 (123)
2,0
110 (150)
5,7
115 (154)
3,1
Nota: Consumos combinados anunciados pelo fabricante

Concluindo, a desvantagem dos carros eléctricos ao nível da densidade energética do seu “combustível” acaba por ser compensada pelas vantagens ao nível mecânico que proporcionam não só menor peso como uma melhor relação peso-potência ao nível do motor. De facto, verifica-se que, em termos de relação potência-peso total, os VE tendem a situar-se um pouco acima dos veículos convencionais com potências semelhantes.


Quadro 2 – Comparação de relação peso/potência
Modelo (combustão)
kW (cv)
kg
W/kg
Modelo (eléctrico)
kW (cv)
kg
W/kg
77 (105)
1380
55,8
83 (111)
1350
61,5
82 (110)
1378
59,5
85 (114)
1585
53,6
110 (150)
1350
81,5
107 (143)
1651
64,8
97 (130)
1140
85,1
92 (123)
1475
62,4
116 (155)
1620
71,6
115 (154)
1830
62,8


Tudo indica que com o desenvolvimento das performances dos motores eléctrico e, em maior medida, da redução do peso específico das baterias, os veículos eléctricos ganharão a corrida da competitividade técnica nos próximos 10 anos.





sexta-feira, 23 de dezembro de 2016

Perspectivas sobre veículos eléctricos – Parte 1


Um dos assuntos na mesa de quem debate e reflecte sobre o futuro da energia no mundo é, sem dúvida, o impacto dos veículos eléctricos. É sabido que o maior sorvedor de derivados do petróleo é o sector dos transportes (65% dos produtos petrolíferos consumidos em 2014 segundo a AIE) e a ele está associada a maior fatia de emissões com origem no crude. Com a crescente consciencialização da opinião pública e do poder político de que é necessário inverter esta tendência, os veículos eléctricos são encarados como uma tecnologia desejável para mitigar os impactes ambientais do sector dos transportes garantindo, ao mesmo tempo, que as necessidades de mobilidade não sejam sacrificadas. Os últimos 10 anos foram absolutamente fervilhantes no que toca à evolução da tecnologia de geração renovável bem como dos veículos eléctricos assistindo-se a uma “corrida” pela liderança tecnológica no sector automóvel.

Como tal, a análise do estado da arte do veículo eléctrico é agora uma realidade relativamente complexa (com tendência a complexificar-se ainda mais) e dinâmica. A presente série de artigos pretende resumir os pontos mais relevantes na matéria do veículo eléctrico com especial enfoque na competitividade tecnológica, económica e ambiental que são, no meu entender, os vectores decisivos na evolução do carro eléctrico nas próximas décadas.

Em primeiro lugar há que fazer uma descrição das tecnologias com maior expressão no mercado começando por uma classificação dos tipos de veículos terrestres com motor eléctrico:


  •      Automóveis híbridos: Neste tipo de veículos o motor eléctrico é utilizado sempre haja carga e sempre que a utilização deste seja mais eficiente (por exemplo: arranques). A gestão entre motor de combustão e eléctrico é feita por um computador que acciona automaticamente cada um deles. O carregamento da bateria é feito nas situações de travagem em que o circuito do motor eléctrico é invertido de maneira a que se comporte como um gerador que vai fornecer corrente às baterias.
  •       Automóveis plug-in híbridos: o carregamento da bateria tanto pode ser feito aproveitando a travagem como através de ligação à rede eléctrica. Este tipo de veículo está vocacionado para funcionar no modo eléctrico na maior parte do tempo sendo o motor de combustão usado como backup caso a autonomia da bateria se esgote;
  •      Automóveis plug-in: Estes são os veículos eléctricos puros que dependem totalmente das baterias para se moverem. São por isso menos poluentes durante a condução mas com uma autonomia mais reduzida que um veículo equivalente com motor de combustão – entre 50 a 160 km na maioria dos modelos disponíveis embora alguns modelos e protótipos já tinjam valores próximos de 500km;

O aspecto mais crítico na utilização dos veículos eléctrico no dia-a-dia será o reabastecimento dos mesmos. O acesso a infraesrtuturas de carregamento das baterias é fundamental para a massificação da utilização de VE. Neste momento podemos classificar as tecnologias de carregamento de veículos como:


  • Carregadores residenciais: a infraestrutura de carregamento está desenhada para ser ligada às redes que abastecem as residências. O carregamento é feito durante as horas em que o carro se encontra estacionado em casa, predominantemente à noite;
  • Carregadores públicos: infraesrtuturas situadas em locais públicos dedicadas a estacionamento de viaturas aos quais qualquer veículo se poderá ligar. Em alguns locais não há custo associado enquanto noutros é cobrada uma tarifa;
  • Estações de carregamento rápido: infraestruturas semelhantes a estação de serviço onde as baterias são carregadas através de tecnologias de alta tensão que permitem um carregamento mais rápido comparativamente às estações a baixa tensão;
  • Estações de troca de baterias: Nestas infraestruturas é efectuada a troca das baterias procurando obter a carga completa dos veículos da forma mais rápida possível.

O artigo seguinte debruçar-se-á sobre a competitividade tecnológica dos automóveis eléctricos face aos automóveis convencionais.



terça-feira, 28 de abril de 2015

Geração descentralizada: o futuro? (Parte 2)

No entanto, a produção descentralizada em larga escala acarreta alguns desafios importantes:

-  Será necessária a adaptação tecnológica de toda a rede a esta nova realidade (contadores inteligentes, instalações capazes de entregar e receber electricidade da rede, redes capazes de lidar com inversões de fluxos, novas tecnologias para protecção da rede e detecção de defeitos…). Esta adaptação não é isenta de custos no actual estado da arte.
-   Se por um lado a produção localizada pode aliviar a rede e reduzir as perdas, por outro lado, no caso de produção de volumes muito acima das necessidades de consumo locais ou de produção que não esteja ligada a redes próximas de pontos de consumo, os fluxos de energia carregados na rede podem vir a gerar níveis de perdas superiores;
-  Os novos geradores terão de possuir sistemas de controlo da qualidade da energia produzida (flickes, harmónicas, reactiva)
-  Risco de geração de custos afundados uma vez que o novo paradigma pode tornar obsoletas instalações que ainda poderiam funcionar por mais alguns anos. Uma vez que esta transformação durará previsivelmente alguns anos este risco parece-me relativamente limitado.
-    A perda de previsibilidade dos fluxos por parte dos operadores das redes de distribuição gera riscos adicionais na realização de operações de manutenção e reparação na rede.
-  Tal como tem vindo a acontecer com a nova vaga de produção renovável em Portugal, a imprevisibilidade da geração “verde” gera desvios em relação aos programas horários de operação do sistema eléctrico e cuja resolução envolve custos com a utilização de serviços auxiliares.


Finalmente põe-se a questão do preço a que esta “nova energia” será paga. Assumindo uma subsidiação meramente residual (que reconheça as externalidades positivas a nível ambiental e não só mas que as concilie com o desejo de uma factura eléctrica mais baixa) a lógica da competitividade de cada tecnologia contribuiria para que se evitassem excessos ou decisões que prejudiquem o bem estar global da sociedade. As tecnologias que provem ser mais competitivas que as tradicionais ganharão progressivamente quota em função dessa mesma competitividade.


No entanto, mesmo sendo superados os desafios antes enunciados, antevê-se pouco provável a inversão do paradigma actual. A escala e grau de especialização de grandes centro produtores - que poderão ter acesso à mesma tecnologia adoptada pela microgeração e em melhores condições - leva-me a duvidar que o paradigma da produção descentralizada venha fazer desaparecer os grandes produtores à escala global. O tecido empresarial e o mercado de trabalho têm, desde há séculos, convergido para uma cada vez maior especialização dos agentes. Os grandes projectos de geração não deixarão passar ao lado os ganhos de competitividade trazidos pela inovação tecnológica pelo que uma nova visão que ambicione tamanha inversão da realidade talvez precise de ser repensada.

terça-feira, 24 de março de 2015

Geração descentralizada: o futuro? (Parte 1)


Um tema quente no debate sobre o paradigma que dominará este século é o da produção descentralizada de electricidade (Distributed Generation). Não existe uma definição consensual do que é produção descentralizada mas poder-se-á dizer que se trata de um tipo de produção em que cada gerador terá uma escala relativamente pequena, ligada à rede de distribuição existente e que visa suprir as necessidades de consumo do(s) seu(s) proprietário(s) e/ou a sua comercialização (no total ou em parte). Actualmente as tecnologias existentes assentam em pequenos motores de combustão (gás ou outros combustíveis) ou fontes renováveis (solar, eólicas ou hídricas). Numa fase de maturidade, o grosso da produção eléctrica seria realizado por produtores anónimos e atomizados e os grandes geradores e operadores de sistemas teriam apenas o papel de regulação da carga e correcção das divergências entre procura e oferta.

As vantagens e selling points deste paradigma seriam:

-    Maior concorrência no sector da geração e em especial entre tecnologias de produção eléctrica;
-  Melhor aproveitamento de recursos endógenos, uma vez que a microgeração de tipo renovável tende a envolver menores recursos e menor complexidade logística;
-    Diminuição de emissões poluentes;
-   Diminuição das perdas nas redes uma vez que este paradigma aproxima a produção dos pontos de consumo, evitando enormemente as perdas nas redes de transporte e distribuição que se podem situar em torno dos 10% - 20%;
-  Redução da necessidade de investimento em grandes linhas de transporte de electricidade;
- Aumento da procura de micro-geradores poderá
criar economias de escala que tornem o MW instalado mais barato do que as actuais instalações (desenhadas e fabricadas à medida para cada caso e não em série).
-    Uma menor sobrecarga das redes levaria a melhores índices de continuidade de serviço


Nesta nova realidade os agentes deixam de estar divididos entre produtores, operadores e clientes passando a haver consumidores/produtores (prosumers). Esta alteração altera toda a lógica do sistema de alto a baixo... literalmente. Actualmente os fluxos de electricidade são praticamente unidirecionais e os operadores vêm apenas geradores de carga e produtores de energia. Com a distribuição descentralizada, a todo o momento um consumidor pode passar a ser um produtor e a gestão da rede terá de se acomodar à nova realidade. Actualmente os operadores de rede já se deparam com versões embrionárias destes consumidores/produtores mas mas ainda numa escala relativamente pequena. É o caso dos cogeradores, alguma microgeração (ainda incipiente) e os grupos reversíveis (ainda que actualmente funcionem numa lógica centralizada). Aos poucos os gestores e planeadores do sistema eléctrico vão começando a antecipar uma hipótese do que será o futuro.

(continua)

segunda-feira, 9 de março de 2015

EROI: Energy Returned on Investment

Um dos factores mais relevantes em análise económica da Energia é a capacidade de retorno (físico e financeiro) de uma fonte de energia, uma medida fundamental de sustentabilidade energética.

Para medir e analisar esta capacidade foi criado nos anos 80 por Charles Hall, Cutler Cleveland e Robert Kaufmann um indicador, o EROI (Energy Returned on Investment), que permite comparar diferentes fontes de energia e a sua competitividade natural em função do retorno energético gerado ao longo do ciclo de vida de exploração de um activo. Como se pode compreender da fig. 1 (fonte http://www.theoildrum.com/node/1863) o ciclo de vida de um projecto tem fases de investimento e desactivação, tipicamente deficitárias em balanço energético, e fases de exploração, tipicamente excedentárias em balanço energético.


Este indicador, embora de âmbito geral e conceito abstracto, foi criado para ser aplicável a situações práticas de investimentos ou projectos em curso, podendo - e sendo mesmo natural - que a mesma fonte de energia, em função das variáveis concretas de cada caso, dê origem a um EROI significativamente diferente, mesmo quando as suas características fisico-químicas se mantêm constantes.

O EROI mede, no fundo, a relação entre a energia gasta e a energia recuperada pela exploração de um activo (energy costs e energy production da fig. 1). Quando o EROI é igual ou inferior a 1, por definição o processo passou de gerador de energia a consumidor de energia. Ajay Gupta e Charles Hall publicaram um artigo na revista Sustainability, em 2011, no qual fazem uma comparação com base em dados recentes entre várias fontes de energia (A Review of the Past and Current State of EROI Data). Nesse estudo concluem, por um lado, que existe um enorme défice de trabalho e informação sobre este tema - o qual é fundamental para se compreender o grau de sustentabilidade energética mundial e projectar impactos económicos estruturais. Por outro, que os escassos dados disponíveis parecem apontar no sentido da redução do EROI médio. Significa isto, a confirmar-se, que a energia tem vindo a ser estruturalmente mais onerosa para a economia. Este facto, de forma isolada, impacta negativamente na produtividade total das nações e o seu efeito só poderá ser contrabalançado por uma redução do Índice de Intensidade Energética. Este é um dos grandes desafios com que nos deparamos enquanto civilização, manter o desenvolvimento e crescimento económico num contexto energeticamente menos rentável, não abdicando da procura de soluções energéticas que maximizem o EROI.








quinta-feira, 26 de fevereiro de 2015

Uma estratégia europeia para a união energética

A Comissão Europeia publicou ontem a sua aguardada Estratégia para a implementação de uma União Energética alinhada com as políticas ambientais e de segurança de abastecimento que têm sido promovidas pela União Europeia na última década e meia (disponível aqui).

Não eram expectáveis novidades ao nível do rumo da política energética - nem era esse o objectivo deste documento. O seu enfoque está na definição de medidas de consolidação que permitam a concretização dessa mesma política da forma mais eficiente possível, fazendo face a factores exógenos recentes.

Nesse aspecto o documento é elucidativo - na medida do possível para um documento oficial da Comissão Europeia... - pois identifica um conjunto de oportunidades de melhoria, ao nível das ideias e das acções, e caminhos para a concretização de uma optimização das redes e políticas europeias de energia, nomeadamente através de um vasto programa de investimentos estruturais a canalizar através do futuro European Fund for Strategic Investments. Fica no ar um cheiro a New Deal energético...

A Comissão identificou no final do documento 15 pontos de acção:

1. Implementação integral da Legislação Europeia de Energia por parte dos estados-membros.
2. Diversificação e resiliência do aprovisionamento de gás natural.
3. Articulação com política europeia e maior transparência dos acordos inter-governamentais.
4. Criação de infraestrutura energética adequada a um mercado comum que concilie forte componente de produção de origem renovável com segurança de abastecimento.
5. Revisão do ordenamento jurídico do modelo de mercado energético europeu no sentido de conciliar segurança de abastecimento, produção de origem renovável e adequados mecanismos de capacidade.
6. Aprofundamento das medidas do 3º Pacote do Mercado Interno de Energia.
7. Promoção de abordagens regionais rumo à integração num mercado único.
8. Maior transparência nos custos e preços da energia como medida de promoção da integração do mercado europeu e identificação de distorções do mercado.
9. Redução de 27% no consumo energético em 2030 (face a 1990).
10. Forte aposta e investimento na eficiência energética dos edifícios.
11. Aceleração da eficiência energética e descarbonização do sector dos transportes, da transição para combustíveis alternativos e integração dos sistemas de energia e transportes.
12. Implementação de medidas para cumprimento dos objectivos ambientais e energéticos aprovados no Conselho Europeu de Outubro de 2014 e forte contribuição nas negociações internacionais relativas ao clima.
13. Objectivo de 27% de energia consumida de origem renovável em 2030.
14. Definição de uma estratégia dedicada à Investigação e Inovação nos temas da energia e clima, no sentido de manter a liderança tecnológica mundial e exportar conhecimento.
15. Utilização dos instrumentos de política externa disponíveis, no sentido de garantir uma posição europeia comum nos temas da Energia e Clima.

Aproveito para destacar algumas das frases que considero politicamente mais significativas no documento:

The goal of a resilient Energy Union with an ambitious climate policy at its core is to give EU consumers - households and businesses - secure, sustainable, competitive and affordable energy. Achieving this goal will require a fundamental transformation of Europe's energy system.

[...]

To reach our goal, we have to move away from an economy driven by fossil fuels, an economy where energy is based on a centralised, supply-side approach and which relies on old technologies and outdated business models. We have to empower consumers through providing them with information, choice and through creating flexibility to manage demand as well as supply. We have to move away from a fragmented system characterised by uncoordinated national policies, market barriers and energy-isolated areas.

[...]

Today, the European Union has energy rules set at the European level, but in practice it has 28 national regulatory frameworks. This cannot continue. An integrated energy market is needed to create more competition, lead to greater market efficiency through better use of energy generation facilities across the EU and to produce affordable prices for consumers.

Energy infrastructure is ageing and not adjusted to the increased production from renewables. There is a need to attract investments, but the current market design and national policies do not set the right incentives and provide insufficient predictability for potential investors.

Energy islands continue to exist as many markets are not properly connected to their neighbours. This adds to the costs faced by consumers and creates vulnerability in terms of energy security.

Destaque também para dois parágrafos que devem ser lidos à luz da tensão existente na relação com a Rússia e do papel especial da Ucrânia. O futuro dirá se tais afirmações, no contexto de uma estratégia de longo prazo, fazem ou não sentido.

When the conditions are right, the EU will consider reframing the energy relationship with Russia based on a level playing field in terms of market opening, fair competition, environmental protection and safety, for the mutual benefit of both sides.

Particular attention will be paid to upgrading the Strategic Partnership on energy with Ukraine. This will address issues related to Ukraine's importance as a transit country as well as those related to Ukraine's energy market reforms, such as the upgrade of its gas network, the setting up of an appropriate regulatory framework for the electricity market and increasing energy efficiency in Ukraine as a means of reducing its dependence on imported energy.