Introduction of CNG and hydrogen (HCNG) for conventional vehicles and its economic, environmental and energy impacts

Orientador: Ennio Peres da SilvaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Diversas estratégias têm sido propostas para a introdução do hidrogênio na economia, especificamente no setor de transportes para se reduzir impactos ambientais em comparação com os combustíveis convencionais. Uma das estratégias implica na utilização de Hidrano (misturas de hidrogênio e Gás Natural Veicular), fazendo uso da infraestrutura de postos de GNV e dos veículos já existentes convertidos para uso de GNV. Dessa forma custos e prazos são reduzidos, tornando a introdução do hidrogênio mais promissora economicamente. Esta tese verifica se o hidrogênio pode ser imediatamente introduzido no mercado energético brasileiro através do Hidrano, com frações molares de hidrogênio de 10%, 20% e 30%. O hidrogênio será gerado através da eletrólise da água nos postos de GNV. Foram então determinados os custos do hidrogênio, os preços e a competitividade do Hidrano de forma a atender o perfil de vendas de um posto de porte médio nos Estados de São Paulo e Rio de Janeiro. O preço do Hidrano ao consumidor depende principalmente do preço de seu maior constituinte, o GNV, vendido na época a 1,308 R$/m3 no Estado de São Paulo e a 1,662 R$/m3 no Estado do Rio de Janeiro. O preço do Hidrano ao consumidor varia entre 1,474 R$/m3 e 2,047 R$/m3, dependendo de sua composição e da região. Em vista de sua competitividade em relação aos outros combustíveis automotivos, o Hidrano 10 apresenta bom potencial de introdução no mercado, inclusive do ponto de vista econômico. A competitividade entre os combustíveis no Estado de São Paulo é de 0,280 R$/km para a gasolina, 0,259 R$/km para o etanol, 0,111 R$/km para o GNV, 0,129 R$/km para o Hidrano 10 com tarifação do Grupo B3 e 0,125 R$/km para o Hidrano 10 com tarifação do Grupo A4 Convencional. No Estado do Rio de Janeiro a competitividade é de 0,300 R$/km para a gasolina, 0,311 R$/km para o etanol, 0,141 R$/km para o GNV, 0,161 R$/km para o Hidrano 10 com tarifação do Grupo B3 e 0,157 R$/km para o Hidrano 10 com tarifação do A4 Convencional. Também foram estimados os impactos dessa proposta em termos energéticos e ambientais. Há redução de emissões de CO2 e CO. As emissões de THC serão possivelmente reduzidas e as de NOx aumentadas. A proposta do Hidrano permite às concessionárias de energia elétrica entrarem no mercado de combustíveis veiculares e aumentar suas vendas. Ao mesmo tempo as concessionárias de gás natural terão reduzidas as vendas de GNV no curto prazo, o que deverá ser revertido no médio e longo prazos com os ganhos de rendimento trazidos pelo Hidrano aos veículosAbstract: Several strategies have been proposed to introduce hydrogen in the economy specifically in the transport sector in order to reduce environmental impacts of conventional fuels. One of the strategies implies in adding hydrogen to compressed natural gas (HCNG), making use of the existing refueling stations and natural gas fleet. Thus the costs and time for the introduction of hydrogen in the economy will be reduced. This thesis verifies whether hydrogen can be immediately introduced into the Brazilian energy market by means of HCNG, containing mole fractions of 10%, 20% and 30% of hydrogen, employed as fuel for conventional vehicles adapted to CNG. Hydrogen will be generated by water electrolysis in the CNG station. Then the cost of hydrogen and the prices and competitiveness of HCNG were determined to meet the sales profile of a midsize gas station in the states of Sao Paulo and Rio de Janeiro. The final price of HCNG depends mainly on the price of its major constituent, CNG, sold at that time for 1,308 R$/m3 in the State of São Paulo and for 1,662 R$/m3 in the State of Rio de Janeiro. The price of HCNG to the consumer varies between 1,474 R$/m3 e 2,047 R$/m3, depending on its composition and the region. In view of its competitiveness compared to other automotive fuels, HCNG 10 (CNG with 10% molar fraction of hydrogen) shows good potential for marketing. The competitiveness among fuels in the State of Sao Paulo is 0,280 R$/km for gasoline, 0,259 R$/km for ethanol, 0,111 R$/km for CNG, 0,129 R$/km for HCNG 10 with power tariff B3 and 0,125 R$/km for HCNG 10 with power tariff A4 Conventional. In the State of Rio de Janeiro the competitiveness is 0,300 R$/km for gasoline, 0,311 R$/km for ethanol, 0,141 R$/km for CNG, 0,161 R$/km for HCNG 10 with power tariff B3 and 0,157 R$/km for HCNG 10 with power tariff A4 Conventional. The energy and environmental impacts of this proposal were also estimated. There is a reduction of CO2 and CO emissions. THC emissions are likely to be reduced and NOx are likely to increase. The proposal of introducing HCNG allows electric utilities to enter the market for vehicular fuels and increase their sales. At the same time, natural gas utilities will have the sales of CNG reduced in the short term, although this trend may be reversed in the medium and long terms with performance gains brought by HCNG to vehiclesDoutoradoPlanejamento de Sistemas EnergéticosDoutor em Planejamento de Sistemas Energético

Inventario de emissões de dioxido de carbono devido ao uso de energia : a região de Campinas e seu setor sucro-alcooleiro

Orientador: Ennio Peres da SilvaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecanicaResumo: o meio ambiente e sua preservação têm sido alvo de constante atenção pública e científica durante a última década. O efeito estufa, suas causas e suas conseqüências, são tópicos muito abordados neste panorama. A tentativa de se determinar a colaboração humana para este efeito passa necessariamente por um processo de contabilização das emissões de gases de efeito estufa, principalmente o dióxido de carbono, cujas concentrações atmosféricas aumentaram cerca de 30% desde a Revolução Industrial. Nesta dissertação desenvolve-se um inventário regional de emissões de COz devido ao uso de energia, tendo por base a metodologia elaborada pelo lntergovernmental Panel on Climate Change - lPCC, organização vinculada à ONU e à Organização Mundial de Meteorologia. Inicialmente se realiza um estudo sobre o que é o efeito estufa, mostrando como as atividades humanas podem afetar este fenômeno natural. Inicialmente se apresenta a metodologia original desenvolvida pelo lPCC e que tem sido adotada mundialmente para a elaboração de inventários nacionais de emissões de gases de efeito estufa. Modificações desta metodologia são sugeridas com o intuito de aplicá-Ia às regiões cujas fronteiras não coincidem com as divisões geopolíticas institucionais e que, portanto, não possuem dados energéticos consolidados. Tais dados são essenciais para a determinação das emissões de COz originadas do uso de energia (combustíveis fósseis e biomassa). A região escolhida para a aplicação desta metodologia foi objeto de estúdo de vários trabalhos nesta década, visto que está inserida em uma importante Região Administrativa do Estado de São Paulo, a de Campinas, e que é formada pelos municípios, integrantes do Comitê das Bacias dos Rios Piracicaba e Capivari, uma entidade que tem desenvolvido importantes trabalhos relativos ao meio ambiente local. Dentro desta região, o setor sucro-alcooleiro também tem suas emissões estimadas, por ser de grande importância econômica e por evitar taxas de emissão superiores às atuais. Como resultados, concluiu-se por exemplo que a região emite atualmente cerca de 6.841GgCOz e a absorção de COz com o uso do álcool e do bagaço chega a 517GgCOz. O potencial energético de palhas e pontas e suas respectivas emissões também foram considerados. eterminou-se que a emissão de aproximadamente 1.160GgCOz pode ser evitadaAbstract: The environment and its conservation have been the focus of public and scientific attention since the last decade. The greenhouse effect, its causes and consequences are topics of current interest. The attempt to determine the human contribution to this effect demands the accounting of greenhouse gas emissions, mainly CO2, the atmospheric concentration of which has increased about 30% since the Industrial Revolution. In this dissertation a regional inventory of CO2 emissions due to energy use is developed. This inventory is based on the guidelines developed by the Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC. Initia1ly the greenhouse effect is reviewed, showing how human activities can affect this natural phenomenon. Then the original IPCC methodology, which has been adopted worldwide for compiling national greenhouse gas emission inventories, is presented. Modifications to this methodology are suggested intending to apply it to regions whose borders do not match institutional geopolitical divisions. It may cause a lack of energy consumption data, which are essential for determiningCO2 emissions originated from fossil fuels and biomass combustion. The region selected for applying the modified methodology has been studied since the beginning of this decade as it is inside the Região Administrativa de Campinas and it is composed of many of the Comitê das Bacias dos Rios Piracicaba e Capivari cities. The latter is a regional organisation responsible for the developmentof many reports and studies about the local environment. Emissions from the sugarcane agro-industrial sector and the contribution fiom fuel alcohol and bagasse are also estimated, because this sector is economically important and may reduce the current CO2 emission rate. The results indicate that the region emits approximateIy 6.841 GgCO2, but the energetic use of fuel alcohol and sugarcane bagasse leads to the absorption of about 517GgCO2. It is also considered the energetic potential of leaves and stalks and their respective emissions. As a resuIt it was found that approximately 1.160GgCO2of CO2 could be avoided.MestradoMestre em Planejamento de Sistemas Energético