::. BRAIN .::
Balanço Energético das Principais Tecnologias
com Incidência no Sector Energético
Fase 1 – Análise de Estudos Internacionais
ISEL
Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Reunião # 2
Reunião intercalar da fase 1
22 Abril 2010
Agenda
ISEL
Fase 1 – Reunião intercalar
 Enquadramento
 Análise bibliográfica
 Unidades funcionais
 Valores reportados
 Temas para análise
 Próximos passos
 Referências bibliográficas
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
2
::. BRAIN .::
Enquadramento
ISEL
Objectivos (1/2)
•
O projecto ::. BRAIN .:: tem como objectivo central a determinação do
retorno energético de diversos sistemas de energia relevantes em
função da energia dispendida (investida) ao longo de todo o seu ciclo de
vida, desde a extracção das matérias primas e transformação dos recursos
naturais, até à sua deposição final na Natureza.
•
Concretiza-se com a aplicação do conceito de ERoEI - Energy Returned on
Energy Invested como medida mais fidedigna da eficiência global de um
sistema.
•
O projecto inclui a análise dos sistemas de obtenção de energias primárias
(carvão, gás, petróleo e etanol), das tecnologias de produção de energia
eléctrica (carvão, CCGT, nuclear, hídrica, eólica, solar fotovoltaica e solar
termoeléctrica) e de diversas soluções de mobilidade (veículos eléctricos,
híbridos, gasolina/gasóleo e etanol).
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
3
::. BRAIN .::
Enquadramento
ISEL
Objectivos (2/2)
•
Para além do inicialmente proposto foi ainda incluído, na sequência da
reunião de kick-off de 30/03/2010, a análise dos sistemas de produção de
energia eléctrica a partir de energia solar termoeléctrica e das emissões
dos diversos sistemas numa perspectiva análoga à utilizada para a
determinação do ERoEI.
•
No que respeita aos sistemas de mobilidade importa explicitar que o
presente projecto não contempla a análise de transportes públicos, sistemas
de GPL, GNC, biodiesel e hidrogénio.
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
4
::. BRAIN .::
Enquadramento
ISEL
Sistemas energéticos em análise
Energias Primárias
Energia Eléctrica
Carvão
Carvão
Eléctrico
Gás
CCGT
Híbrido
Mobilidade
Petróleo
Nuclear
Hídrica
Gasolina / Gasóleo
Etanol
Eóllica
Solar (TE e PV)
Etanol
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
5
::. BRAIN .::
Enquadramento
ISEL
Fases do projecto
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
6
::. BRAIN .::
Enquadramento
ISEL
Cronograma
Abril
Maio
Fase
1
Julho
Fase
3
Fase
2
Reunião
Kick-off
Reunião
#2
30/03/2010
22/04/2010
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
Junho
Relatório
Relatório
Relatório
Fase 1
Fase 2
Final
Reunião
#3
Reunião
#4
7
Reunião
#5
Reunião
Final
::. BRAIN .::
Enquadramento
ISEL
Fase 1
1 – Análise de estudos internacionais
Objectivos
Nesta fase será efectuada a identificação, análise e síntese dos principais estudos realizados
a nível internacional no domínio do balanço energético das tecnologias energéticas. Como
resultado, pretendem-se identificar as metodologias subjacentes à avaliação do balanço
energético, os seus principais pressupostos, as unidades funcionais mais relevantes e os
valores reportados. A partir destes elementos será possível indicar os valores do balanço
energético das principais tecnologias constantes nos referidos estudos e relacionar os
valores reportados com os pressupostos efectuados, relação essa que servirá de base ao
desenvolvimento do modelo de extrapolação a realizar na fase seguinte.
Resultados: 1 relatório de fase e 3 reuniões.
Prazo: 6 semanas (30/03 a 11/05).
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
8
::. BRAIN .::
Agenda
ISEL
Fase 1 – Reunião intercalar
 Enquadramento
 Análise bibliográfica
 Unidades funcionais
 Valores reportados
 Temas para análise
 Próximos passos
 Referências bibliográficas
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
9
::. BRAIN .::
Análise bibliográfica
ISEL
Enquadramento
•
A fase 1 do projecto ::. BRAIN .:: consiste na análise de estudos
internacionais no domínio do balanço energético e ambiental dos diversos
sistemas em estudo.
•
Neste sentido foram identificados, obtidos e classificados cerca de 50
documentos que reportam processos, metodologias, pressupostos e valores
obtidos relativos aos sistemas de obtenção de energias primárias, produção
de energia eléctrica e de mobilidade.
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
10
::. BRAIN .::
Análise bibliográfica
ISEL
Energias primárias
Energias Primárias
Descrição do
Processo
Pressupostos
e Metodologia
Valores
Reportados
Carvão
13
13
1, 5, 7
Gás
13
1, 13
1, 5, 7, 11
Petróleo
44
1, 44
1, 5, 7, 11
Etanol
44
35, 44, 46, 47,
48, 49
1, 5, 14, 35, 44,
46, 47, 48, 49
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
11
Unidades
Funcionais
Diversos
1, 7, 9, 13, 44
1, 2, 3, 4, 6, 8, 9,
35, 44, 46, 47,
49, 50
::. BRAIN .::
Análise bibliográfica
ISEL
Energias primárias
Energias Primárias
Descrição do
Processo
Pressupostos
e Metodologia
Valores
Reportados
Carvão
(+)
(+)
(+)
Gás
(+)
(+)
(+)
Petróleo
(+)
(+)
(+)
Etanol
(+)
(++)
(++)
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
12
Unidades
Funcionais
Diversos
(++)
(++)
::. BRAIN .::
Análise bibliográfica
ISEL
Energia eléctrica
Energia Eléctrica
Descrição do
Processo
Pressupostos
e Metodologia
Valores
Reportados
Carvão
13
13
5, 10, 12, 13, 22,
23
CCGT
13, 25
13, 25
10, 12, 13, 22,
23, 25
Nuclear
10, 13, 22, 26
10, 13, 22
5, 10, 12, 13, 22
Hídrica
13, 26
13
5, 10, 12, 13, 22
Eólica
13
13, 21
10, 12, 13, 21, 22
Fotovoltaica
25
25
5, 10, 12, 13, 22,
25
Solar
termoeléctrica
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
Unidades
Funcionais
Diversos
7, 13, 21, 22, 25,
31
5, 10, 12, 13, 16,
20, 21, 22, 23,
24, 25, 26, 27, 31
5, 10, 13
13
::. BRAIN .::
Análise bibliográfica
ISEL
Energia eléctrica
Energia Eléctrica
Descrição do
Processo
Pressupostos
e Metodologia
Valores
Reportados
Carvão
(+)
(+)
(++)
CCGT
(+)
(+)
(++)
Nuclear
(++)
(++)
(++)
Hídrica
(+)
(+)
(++)
Eólica
(+)
(+)
(++)
Fotovoltaica
(+)
(+)
(++)
Solar
termoeléctrica
(-)
(-)
(+)
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
14
Unidades
Funcionais
Diversos
(++)
(++)
::. BRAIN .::
Análise bibliográfica
ISEL
Mobilidade
Mobilidade
Descrição do
Processo
Pressupostos
e Metodologia
Valores
Reportados
Eléctrico
19
19, 45
12, 19, 45
Híbrido Eléct.
19
19, 45
17, 19, 45
Gasolina/Gasól.
39, 40, 43, 45
18, 39, 40, 43, 45
12, 18, 36, 37,
39, 40, 42, 43, 45
Etanol
39, 40, 43, 35
18, 35, 39, 40, 43
12, 18, 35,36, 37,
39, 40, 42, 43
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
15
Unidades
Funcionais
Diversos
12, 18, 19, 36,
38, 39
18, 19, 36, 37,
39, 40, 43
::. BRAIN .::
Análise bibliográfica
ISEL
Mobilidade
Mobilidade
Descrição do
Processo
Pressupostos
e Metodologia
Valores
Reportados
Eléctrico
(+)
(+)
(+)
Híbrido Eléct.
(+)
(+)
(+)
Gasolina/Gasól.
(++)
(++)
(++)
Etanol
(++)
(++)
(++)
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
16
Unidades
Funcionais
Diversos
(++)
(++)
::. BRAIN .::
Análise bibliográfica
ISEL
Balanço
•
A classificação efectuada permite concluir que o conjunto dos estudos
referenciados cobrem de forma satisfatória os aspectos em estudo, em
particular no que concerne à apresentação de valores de balanço energético
dos diversos sistemas.
•
Existe informação relevante relativa às emissões de CO2 pelo que parece
viável a abordagem deste domínio no estudo.
•
Só um conjunto muito limitado de estudos apresentam os pressupostos e a
metodologia utilizada (nomeadamente o LCI da LCA) para as energias
primárias e tecnologias de produção de energia eléctrica.
•
Para certos sistemas existem dúvidas quanto à adaptabilidade dos valores
reportados a outros contextos, devido à profundidade e ao enquadramento em
que são efectuados (p.e. estudos LCA sobre o solar termoeléctrica e a maioria
dos estudos sobre mobilidade é centrada em casos americanos).
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
17
::. BRAIN .::
Agenda
ISEL
Fase 1 – Reunião intercalar
 Enquadramento
 Análise bibliográfica
 Unidades funcionais
 Valores reportados
 Temas para análise
 Próximos passos
 Referências bibliográficas
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
18
::. BRAIN .::
Unidades funcionais
ISEL
Energias primárias (1/2)
Variáveis para a construção das unidades funcionais
Wfuel : Energia química potencial
Wind f : Energia consumida na prospecção, exploração, transporte
eind f : Emissões relativas à prospecção, exploração, transporte
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
19
::. BRAIN .::
Unidades funcionais
ISEL
Energias primárias (2/2)
1. Retorno Energético (ERoEI ou EPR - Energy Payback Ratio)
E Ro E I 
Wf u el
Wi n df
2. Emissões Específicas (Specific Emissions)
ee 
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
e i n df
Wf u el
20
::. BRAIN .::
Unidades funcionais
ISEL
Energia eléctrica (1/3)
Variáveis para a construção das unidades funcionais
Wel :
Energia eléctrica produzida
Wfuel : Energia directamente consumida (operação)
Wind e : Energia consumida indirectamente (materiais, construção,
operação, manutenção e desclassificação)
efuel :
Emissões directas da combustão de energia primária
(operação)
eind e : Emissões indirectas (construção, O&M e desclassificação)
A:
Área ocupada pela instalação (directa e indirecta)
T:
Tempo de vida útil da instalação
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
21
::. BRAIN .::
Unidades funcionais
ISEL
Energia eléctrica (2/3)
1. Rendimento (Efficiency)
η
We l
Wf u el
2. Rendimento ACV (Efficiency LCA)
η LC A 
We l
Wf u el Wi n df  Wi n de
3. Retorno Energético (ERoEI ou EPR - Energy Payback Ratio)
ER oEI 
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
We l
Wi n de
ou ER oEI 
22
We l
Wi n de  Wi n df
::. BRAIN .::
Unidades funcionais
ISEL
Energia eléctrica (3/3)
4. Emissões Específicas (Specific Emissions)
e fu e l
ee
Wel
5. Emissões Específicas ACV (Specific Emissions LCA)
e fu e l  ei n df  ei n de
eeLCA 
Wel
6. Ocupação da Terra (Land Use)
LU 
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
A T
Wel
23
::. BRAIN .::
Unidades funcionais
ISEL
Mobilidade
Variáveis para a construção das unidades funcionais
Veículo
Produção
Energia total
Utilização
Energia
Produção e Fim Vida
Utilização
Distância total
percorrida
Distância total
percorrida
Fim de Vida
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
24
::. BRAIN .::
Unidades funcionais
ISEL
Mobilidade
Veículo
Unidades Funcionais
kWh
km
Energia total
Utilização
Energia
Produção e Fim Vida
kWh
Distância total
percorrida
kWh
Distância total
percorrida
km
kWh
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
25
::. BRAIN .::
Agenda
ISEL
Fase 1 – Reunião intercalar
 Enquadramento
 Análise bibliográfica
 Unidades funcionais
 Valores reportados
 Temas para análise
 Próximos passos
 Referências bibliográficas
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
26
::. BRAIN .::
Valores reportados
ISEL
Energias primárias
Ref.
Carvão
Valor
Unidade
[1], [5], [7]
30-80
ERoEI
[50]
50-240
kg CO2/
ton
Gás
Valor
Unidade
Unidade
[44]
44.8-47
MJ/kg
[44]
e: 57-101
t: 17-78
g CO2/kg
[35], [47],
[48], [49]
0.79-1.93
ERoEI
[14], [46], [47]
12.4-119
g CO2/MJ
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
Unidade
12-23
ERoEI
Etanol
Valor
[5], [7], [11]
Valor
Petróleo
27
::. BRAIN .::
Valores reportados
ISEL
Energia eléctrica (1/2)
Carvão
Ref.
CCGT
Valor
Unidade
Valor
[5]
2.5-9.0
ERoEI
[10]
7-34
ERoEI
5.6-6 (LNG)
5-26 (Pip)
[12]
5-7
ERoEI
[13]
6
[22]
[23]
Valor
Unidade
4
ERoEI
ERoEI
43-59 (cent)
10.5-24 (dif)
ERoEI
5 (Pip)
ERoEI
16
ERoEI
ERoEI
21 (LNG)
ERoEI
24
ERoEI
2.48 – 4.06
kWhth /
kWhel
2.20-2.57
kWhth /
kWhel
0.16-0.40
kWhth /
kWhel
12.575
kJ/kWh
8,377
kJ/kWh
4.1
ERoEI
4.1-26
ERoEI
4-59
ERoEI
[25]
Resumo
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
5-34
ERoEI
28
Unidade
Nuclear
::. BRAIN .::
Valores reportados
ISEL
Energia eléctrica (2/2)
Ref.
Hídrica
Eólica
Valor
Unidade
[5]
11.2
ERoEI
[10]
43-205
ERoEI
6-80
[12]
205-267
ERoEI
[13]
50
ERoEI
[21]
[22]
0.0200.137
kWhth /
kWhel
Valor
Unidade
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
Solar
Térmica
Valor
Unidade
Valor
Unidade
1.7-10.0
ERoEI
2.0-4.2
ERoEI
ERoEI
3.7-12
ERoEI
10.6
ERoEI
80
ERoEI
9
ERoEI
6
ERoEI
5-9
ERoEI
5
ERoEI
0.014 –
0.15
kWhin /
kWhel
0.0410.12
kWhth /
kWhel
0.16-0.67
kWhth /
kWhel
2-10.6
ERoEI
[25]
Resumo
Fotovoltaica
5.7
11.2-267
ERoEI
6-80
ERoEI
29
3.7-12
ERoEI
::. BRAIN .::
Valores reportados
ISEL
Mobilidade
Ref.
Eléctrico
Híbrido
Eléctrico
Valor
Unidade
[12]
80.8
% (eff.)
[45]
40-101
MJ/kg
37-112
36-109
[45]
2.85-6.85
kg CO2/
kg
2.57-7.41
2.57-7.26
Unidade
Valor
Unidade
20.7
% (eff.)
MJ/kg
36-114
36-110
kg CO2/
kg
Etanol
Valor
Unidade
MJ/kg
36-114
MJ/kg
2.53-7.63
2.49-7.30
kg CO2/
kg
2.53-7.63
kg CO2/
kg
[36]
33-219
MJ/kg
33-219
MJ/kg
[36]
3.33-7.92
kg CO2/
kg
3.33-7.92
kg CO2/
kg
[39]
17.4-22.1
MJ/kg
17.4-22.1
MJ/kg
[39]
2.22-3.50
kg CO2/
kg
2.22-3.50
kg CO2/
kg
[40]
17.04
MJ/kg
17.04
MJ/kg
[40]
0.86
kg CO2/
kg
0.86
kg CO2/
kg
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
Valor
Gasolina/
Gasóleo
30
::. BRAIN .::
Agenda
ISEL
Fase 1 – Reunião intercalar
 Enquadramento
 Análise bibliográfica
 Unidades funcionais
 Valores reportados
 Temas para análise
 Próximos passos
 Referências bibliográficas
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
31
::. BRAIN .::
Temas para análise
ISEL
1. Qualidade de energia (diferenciar os diversos tipos de energia).
2. Taxa de desconto intertemporal para a energia (progresso tecnológico).
3. Possível metodologia baseada no LCA (em particular no LCI da referência
[13]) associada aos valores de emergy (caso se obtenham valores firmes
para todos os elementos relevantes).
4. Criar sub-categorias em certas tecnologias para diminuir a gama de
variação do ERoEI (p.e. Nuclear com enriquecimento por difusão e
centrifugação, CCGT com gás de gasoduto ou LNG).
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
32
::. BRAIN .::
Temas para análise
ISEL
Taxa de desconto intertemporal
De acordo com diversas fontes, entre elas referências à norma ISO 14040, a análise de
ciclo de vida não contempla o desconto intertemporal dos valores futuros de
energia e emissões
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
33
::. BRAIN .::
Temas para análise
ISEL
Metodologia LCA & emergy
LCA
Emergy
Uma possível metodologia consiste na conjugação dos valores obtidos no inventário da
ACV para diversas tecnologias de produção de energia eléctrica [13] com os valores da
energia contida em cada elemento (caso se consiga obter os valores apropriados)
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
34
::. BRAIN .::
Agenda
ISEL
Fase 1 – Reunião intercalar
 Enquadramento
 Análise bibliográfica
 Unidades funcionais
 Valores reportados
 Temas para análise
 Próximos passos
 Referências bibliográficas
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
35
::. BRAIN .::
Próximos passos
ISEL
Identificados na reunião #1
•
Selecção,
análise
e
síntese
dos
principais
estudos
realizados
a
nível
internacional no domínio do balanço energético das tecnologias energéticas em
apreço.
•
Descrição sumária dos processos envolvidos em cada sistema energético.
•
Entendimento das metodologias subjacentes à avaliação do balanço energético
e os seus principais pressupostos.
•
Identificação das unidades funcionais mais relevantes utilizadas em cada
contexto.
•
Resumo e categorização dos resultados reportados nos diversos estudos.
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
36
::. BRAIN .::
Próximos passos
ISEL
Para conclusão da fase 1
•
Acesso aos relatórios sobre veículos eléctricos e artigo sobre taxa desconto
•
Conclusão da análise bibliográfica em curso.
•
Descrição dos processos energéticos envolvidos em cada tecnologia.
•
Identificação dos pressupostos e metodologias utilizados em cada estudo e
definição das abordagens possíveis para o estabelecimento do modelo ERoEI (a
realizar na fase 2).
•
Sistematização dos valores reportados.
•
Elaboração do relatório da fase 1.
•
Próxima reunião: 12 de Maio de 2010 | 10h00 | EDP
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
37
::. BRAIN .::
Agenda
ISEL
Fase 1 – Reunião intercalar
 Enquadramento
 Análise bibliográfica
 Unidades funcionais
 Valores reportados
 Temas para análise
 Próximos passos
 Referências bibliográficas
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
38
::. BRAIN .::
Referências Bibliográficas
ISEL
Consultadas na fase 1
[1]
Cutler J. Cleveland, “Net energy from the extraction of oil and gas in the United States”,
Energy, vol. 30, pp. 769-782, Apr. 2005.
[2]
Cutler J. Cleveland, Robert K. Kaufmann and David I. Stern, “Aggregation and the role of
energy in the economy”, Ecological Economics, vol. 32, pp. 301–317, Feb. 2000.
[3]
Cutler J. Cleveland, “Energy quality and energy surplus in the extraction of fossil fuels in the
U.S.”, Ecological Economics, vol. 6, pp. 139-162, Oct. 1992.
[4]
Cutler J. Cleveland, “Energy Quality, Net Energy, and the Coming Energy Transition”, The
Coming
Global
Oil
Crisis,
[online],
Available:
http://www.oilcrisis.com/Cleveland/EnergyQualityNetEnergyComingTransition.pdf.
[5]
Cutler J. Cleveland, Robert Constanza, Charles A. S. Hall and Robert K. Kaufmann, “Energy
and the US Economy: A Biophisical Perspective”, Science, vol. 225, pp. 890-897, Aug. 1984.
[6]
Robert Constanza, “Value Theory and Energy”, C. Cleveland (Ed.), Encyclopedia of Energy.
vol. 6, Elsevier, Amsterdam 2004.
[7]
Charles A. S. Hall, Stephen Balogh and David J. R. Murphy, “What is the Minimum EROI that a
Sustainable Society Must Have?”, Energies, vol. 2, pp. 25-47, Aug. 2009.
[8]
Howard
T.
Odum,
“Energy
http://www.emergysystems.org/emergy.php.
[9]
Nate Hagens, “A Net Energy Parable: Why is ERoEI Important?”, [online], Available:
http://www.theoildrum.com/story/2006/8/2/114144/2387.
[10] “Energy
Analysis
of
nuclear.org/info/inf11.html.
Reunião # 2 | 22 Abril 2010
Power
Systems”,
39
Evaluation”,
[online],
[online],
Available:
Available:
http://www.world-
::. BRAIN .::
Referências Bibliográficas
ISEL
Consultadas na fase 1
[11] Nathan Gagnon, Charles A.S. Hall and Lysle Brinker, “A Preliminary Investigation of Energy
Return on Energy Investment for Global Oil and Gas Production” Energies, 2, pp. 490-503, Jul.
2009.
[12] Luc Gagnon, ”Life cycle assessments confirm the need for Hydropower and Nuclear Energy”.
[13] “Environmental and Health Impacts of Electricity Generation: A Comparison of the
Environmental Impacts of Hydropower with those of Other Generation Technologies”, IEA International Energy Agency: Paris, June 2002.
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Balanço Energético das Principais Tecnologias
com Incidência no Sector Energético
Fase 1 – Análise de Estudos Internacionais
ISEL
Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Reunião # 2
Reunião intercalar da fase 1
22 Abril 2010