Fase 1 – Análise de Estudos Internacionais ::. BRAIN .:: Balanço Energético das Principais Tecnologias com Incidência no Sector Energético Fase 1 – Análise de Estudos Internacionais Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Reunião # 3 Reunião final da fase 1 12 Maio 2010

Agenda Fase 1 – Reunião final de fase Enquadramento Descrição dos sistemas energéticos Metodologia e principais pressupostos Unidades funcionais Valores reportados Próximos passos Referências bibliográficas

Enquadramento Objectivos 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, incluindo ainda a determinação das emissões de CO2 associadas aos processos em análise. No projecto ::. BRAIN .:: analisam-se os 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 soluções de mobilidade (veículos eléctricos, híbridos, gasolina/gasóleo e etanol).

Enquadramento Cronograma Abril Maio Junho Julho Fase 1 3 2 Relatório Reunião Final #5 #4 #2 #3 Abril Maio Junho Julho Kick-off Relatório Fase 1 3 Fase 1 2 Fase 2 Reunião #3 30/03/2010 22/04/2010 12/05/2010

Agenda Fase 1 – Reunião final de fase Enquadramento Descrição dos sistemas energéticos Metodologia e principais pressupostos Unidades funcionais Valores reportados Próximos passos Referências bibliográficas

Descrição dos sistemas energéticos Energia primária - Carvão

Descrição dos sistemas energéticos Energia primária - Carvão Mineração método dos pilares em linha céu aberto remoção de topos de montanhas Transporte e armazenamento Enriquecimento

Descrição dos sistemas energéticos Energia primária – Petróleo Calor Pressão

Descrição dos sistemas energéticos Energia primária – Petróleo Extracção em terra (onshore) no mar (offshore) natural forçada Separação Transporte oleoduto navio

Descrição dos sistemas energéticos Energia primária – Gás Natural Origem mesma que o petróleo Extracção simultâneo com petróleo Separação Transporte gasoduto (pipeline) gás liquefeito (LNG) em navio

Descrição dos sistemas energéticos Energia primária – Etanol

Descrição dos sistemas energéticos Energia primária – Etanol Cultivo cana açúcar, milho, mandioca Colheita Transporte Produção

Descrição dos sistemas energéticos Energia eléctrica - Carvão

Descrição dos sistemas energéticos Energia eléctrica - CCGT

Descrição dos sistemas energéticos Energia eléctrica - Nuclear

Descrição dos sistemas energéticos Energia eléctrica – Nuclear / processo de cisão

Descrição dos sistemas energéticos Energia eléctrica – Nuclear / tipos de reactores Moderador: Difere com o tipo de reactor nuclear e pode ser hidrogénio (água), hidrogénio pesado (água pesada) ou carbono (grafite). Controlo da reacção: Para evitar um número descontrolado de reacções em cadeia por cisão de átomos de U-235, as reacções são controladas por materiais que absorvem neutrões como o cádmio e o boro. Arrefecimento do reactor: Água, gás ou metais líquidos.

Descrição dos sistemas energéticos Energia eléctrica - Hídrica

Descrição dos sistemas energéticos Energia eléctrica - Eólica Vestas V112-3.0 MW

Descrição dos sistemas energéticos Energia eléctrica - Fotovoltaica BP 4180T

Descrição dos sistemas energéticos Energia eléctrica - Solar termoeléctrica Sistemas que concentram a radiação solar incidente para aquecer um fluido (ar, água, óleo) a alta temperatura para ser utilizado num ciclo termo-dinâmico convencional.

Descrição dos sistemas energéticos Mobilidade – Veículo Eléctrico Baterias 1899, Paris Camilla Janetzi 105.88 km/h

Descrição dos sistemas energéticos Mobilidade – Veículo Eléctrico Baterias

Descrição dos sistemas energéticos Mobilidade – Híbrido Eléctrico Paralelo (Plug-In)

Descrição dos sistemas energéticos Mobilidade – Híbrido Eléctrico Série (Plug-In)

Descrição dos sistemas energéticos Mobilidade – Veículo Gasolina/Gasóleo/Etanol Veículo Gasolina/Gasóleo Veículo Etanol Gasolina Gasóleo Etanol Gasolina Gasóleo Ciclos: - Otto - Diesel

Agenda Fase 1 – Reunião final de fase Enquadramento Descrição dos sistemas energéticos Metodologia e principais pressupostos Unidades funcionais Valores reportados Próximos passos Referências bibliográficas

Metodologia e principais pressupostos Energias primárias - Metodologia

Metodologia e principais pressupostos Energias primárias - Pressupostos Carvão Tipo de carvão Processo mineração Distância e tipo de transporte Petróleo e Gás Natural Processo extracção Etanol Tipo de espécie vegetal

Metodologia e principais pressupostos Energia eléctrica – Metodologia

Metodologia e principais pressupostos Energia eléctrica – Pressupostos Energia produzida Taxa de utilização / factor de carga Rendimento Capacidade Tempo de vida útil Energia consumida Fronteira do LCA Tipo de combustível Dimensão (economias de escala) Tecnologias utilizadas nos sub-processos (e.g. enriquecimento urânio, transporte gás e carvão)

Metodologia e principais pressupostos Energia eléctrica – Pressupostos (e.g. Taxa utilização) Taxa de utilização As diferentes tecnologias de produção de energia eléctrica apresentam uma taxa de utilização muito diversa, desde valores próximos de 90% (nuclear) até valores próximos de 20% (eólica).

Metodologia e principais pressupostos Mobilidade - Metodologia

Metodologia e principais pressupostos Mobilidade - Pressupostos Realidade regional dos valores reportados Gama de veículo Tipo de utilização Eléctrico Baterias Tipo de bateria Vida útil bateria vs vida útil veículo Híbrido Eléctrico Configuração, plug-in Consumos combustível e electricidade utilização

Agenda Fase 1 – Reunião final de fase Enquadramento Descrição dos sistemas energéticos Metodologia e principais pressupostos Unidades funcionais Valores reportados Próximos passos Referências bibliográficas

Variáveis para a construção das unidades funcionais 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

Unidades funcionais Energias primárias (2/2) 1. Retorno Energético (ERoEI ou EPR - Energy Payback Ratio) 2. Emissões Específicas (Specific Emissions)

Variáveis para a construção das unidades funcionais 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

Unidades funcionais Energia eléctrica (2/3) 1. Rendimento (Efficiency) 2. Rendimento ACV (Efficiency LCA) 3. Retorno Energético (ERoEI ou EPR - Energy Payback Ratio)

Unidades funcionais Energia eléctrica (3/3) 4. Emissões Específicas (Specific Emissions) 5. Emissões Específicas ACV (Specific Emissions LCA) 6. Ocupação da Terra (Land Use)

Variáveis para a construção das unidades funcionais Mobilidade (1/3) Variáveis para a construção das unidades funcionais Wel m : Energia eléctrica consumida na mobilidade Wfuel m : Energia combustível directamente consumida na mobilidade Wind m : Energia consumida indirectamente na mobilidade (materiais, montagem e fim de vida do veículo) efuel m : Emissões directas da combustão na mobilidade eind m : Emissões indirectas na mobilidade L : Distância total percorrida na vida útil do veículo

Unidades funcionais Mobilidade (2/3) 1. Consumo específico “well-to-wheel” [kWh/km] 2. Consumo específico “well-to-wheel” ACV (LCA) [kWh/km]

Unidades funcionais Mobilidade (3/3) 3. Emissões específicas “well-to-wheel” [g CO2/km] 4. Emissões específicas “well-to-wheel” ACV (LCA) [g CO2/km]

Unidades funcionais Visão Global eind f eind e efuel Energias Primárias Energia Eléctrica Wfuel Wel Wind f Wind e Mobilidade L [km] Wind m eind m efuel

Agenda Fase 1 – Reunião final de fase Enquadramento Descrição dos sistemas energéticos Metodologia e principais pressupostos Unidades funcionais Valores reportados Próximos passos Referências bibliográficas

Valores reportados Energias primárias

Valores reportados Energias primárias

Valores reportados Energia eléctrica - ERoEI (1/2) Ref. Carvão CCGT Nuclear Valor Unidade [5] 2.5-9.0 ERoEI - 4 [10] 7-34 5.6-6 (LNG) 5-26 (Pip) 43-59 (cent) 10.5-24 (dif) [12] 5-7 5 (Pip) 16 [13] 6 21 (LNG) 24 [22] 2.48 – 4.06 25 - 40 kWhth / kWhel % 2.20-2.57 39-45 0.16-0.40 [23] 12.575 kJ/kWh 8,377 [25] 4.1 Resumo 5-34 4.1-26 4-59

Valores reportados Energia eléctrica - ERoEI (2/2) Ref. Hídrica Eólica Fotovoltaica Solar Termoeléctrica Valor Unidade [5] 11.2 ERoEI - 1.7-10.0 2.0-4.2 [10] 43-205 6-80 3.7-12 10.6 [12] 205-267 80 9 [13] 50 6 5-9 5 [21] 0.014 –0.15 6.7 – 71.4 kWhin / kWhel [22] 0.020-0.137 7.3-50 kWhth / kWhel 0.041-0.12 8.3-24.4 0.16-0.67 1.5-6.25 [25] 5.7 Resumo 7.3-267 1.5-12 2-10.6

Valores reportados Energia eléctrica - Emissões (1/2) Ref. Carvão CCGT Nuclear Valor Unidade [10] 894;975;980 g CO2 / kWhel 450;472;519 6;22;10-26 [12] 941;1022; 1340 422;499 6;16 [13] 990 651(1) 21 [22] 863;941;1175 577 3.2-54 [25] 1041 622 17 Resumo 863-1340 422-651 LNG

Valores reportados Energia eléctrica - Emissões (2/2) Ref. Hídrica Eólica Fotovoltaica Solar Termoeléctrica Valor Unidade [10] 3;11 g CO2 / kWhel 5.5;14;29 50;53;95 - [12] 10;33 9-20 38;121 [13] 18 35 59;126 [21] 8.1-124 [22] 15 21 106 [25] 14 39 Resumo 3-33 5.5-124 38-126

Valores reportados Mobilidade – Energia produção, montagem e fim de vida

Valores reportados Mobilidade – Emissões produção, montagem e fim de vida

Agenda Fase 1 – Reunião final de fase Enquadramento Descrição dos sistemas energéticos Metodologia e principais pressupostos Unidades funcionais Valores reportados Próximos passos Referências bibliográficas

Próximos passos Para conclusão da fase 1 e início da fase 2 Incorporação das ideias debatidas na reunião Conclusão e envio do relatório da fase 1 Definição dos requisitos do modelo a desenvolver na fase 2 Parametrização da dimensão qualidade e desconto intertemporal Identificação das entradas do modelo Definição da plataforma de desenvolvimento (Excel) e do formato das saídas Próxima reunião: 8 de Junho de 2010 | 10h30 | EDP

Agenda Fase 1 – Reunião final de fase Enquadramento Descrição dos sistemas energéticos Metodologia e principais pressupostos Unidades funcionais Valores reportados Próximos passos Referências bibliográficas

Referências Bibliográficas 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 Evaluation”, [online], Available: 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 Power Systems”, [online], Available: http://www.world- nuclear.org/info/inf11.html.

Referências Bibliográficas 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. [14] J. Whitaker, K. Ludley, S. Ryder, R. Rowe, J. Chapman, G. Taylor and D. Howard, “Good or bad bioenergy? The validity of comparing biomass and biofuels using life cycle assessment”, IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, vol. 6, 2009. [15] C. Strazza, A. Del Borghi, P. Costamagna, A. Traverso and M. Santin, “Comparative LCA of methanol-fuelled SOFCs as auxiliary power systems on-board ships”, Applied Energy, no. 87, pp. 1670–1678, May 2010. [16] Anna Korre, Zhenggang Nie and Sevket Durucan, “Life cycle modelling of fossil fuel power generation with post-combustion CO2 capture”, International Journal of Greenhouse Gas Control, vol. 4, pp. 289–300, Mar. 2010. [17] Kristien Clement-Nyns, Edwin Haesen and Johan Driesen, “The Impact of Charging Plug-In Hybrid Electric Vehicles on a Residential Distribution Grid”, IEEE Transactions On Power Systems, Vol. 25, No. 1, Feb. 2010. [18] Xi Ji and G.Q. Chen, “Unified account of gas pollutants and greenhouse gas emissions: Chinese transportation 1978–2004”, Communications in Nonlinear Science ad Numerical Simulation, vol. 15, pp. 2710–2722, Sept. 2010.

Referências Bibliográficas Consultadas na fase 1 [19] J. Matheys, W. Van Autenboer and J. Van Mierlo, “SUBAT: Sustainable Batteries, Final Public Report - Work Package 5: Overall Assessment”, Vrije Universiteit Brussel, 2005. [20] “Energy Balances and CO2 Implications”, [online], Available: http://www.world-nuclear.org/info/inf100.html. [21] Manfred Lenzen and Jesper Munksgaard, “Energy and CO2 life-cycle analyses of wind turbines—review and applications”, Renewable Energy, vol. 26, pp. 339–362, Jul. 2002. [22] M. Lenzen, “Life cycle energy and greenhouse gas emissions of nuclear energy: A review”, Energy Conversion and Management 49, 2178-2199, Nov. 2008. [23] Margaret K. Mann and Pamela L. Spath, “A Summary of Life Cycle Assessment Studies Conducted on Biomass, Coal, and Natural Gas Systems”, Milestone Report for the U.S. Department of Energy’s Biomass Power, Program Systems Analysis Task, Sep. 2000. [24] E. Bertel and P. Fraser, “Energy policy and externalities”, NEA News 2002 – No. 20.1, pp. 14-17, 2002. [25] Paul J. Meier, “Life-Cycle Assessment of Electricity Generation Systems and Applications for Climate Change Policy Analysis”, Ph.D. dissertation, Fusion Technology Institute, University of Wisconsin, 2002. [26] “Vattenfall’s Life Cycle Studies of Electricity”, Vattenfall AB and Explicare AB, Oct. 1999. [27] Daniel Weisser, “A guide to life-cycle greenhouse gas (GHG) emissions from electric supply Technologies”, Energy, vol. 32, pp. 1543–1559, Sep. 2007. [28] “Energy Balance analysis”, Wind energy – the facts, [online], Available: http://www.wind-energy-the-facts.org/fr/environment/chapter-1-environmental-benefits/energy-balance-analysis.html.

Referências Bibliográficas Consultadas na fase 1 [29] Paul Breeze, “Power Generation Technologies”, Ed. Newnes: Oxford, 2005. [30] “Projected Costs of Generating Electricity – 2005 Update”, Nuclear Energy Agency and International Energy Agency, Paris, 2005. [31] Cutler J. Cleveland, “Ten fundamental principles of net energy”, The Encyclopedia of Earth, [online], Available: http://www.eoearth.org/article/Ten_fundamental_principles_of_net_energy. [32] Robert Constanza and Cutler Cleveland, “ Net Energy/Full Cost Accounting: A Framework for Evaluating Energy Options and Climate Change Strategies”, National Leadership Summits for a Sustainable America, [online], Available: http://summits.ncat.org/docs/EROI.pdf. [33] Scott Hoover, “Energy Balance of a Grassroots Biodiesel Production Facility”, Piedmont Biofuels, 2005, [online], Available: http://www.biofuels.coop/education/energy-balance/. [34] Renewable Fuels Association, Resource Centre, Reports and Studies, [online], Available: http://www.ethanolrfa.org/resource/reports/. [35] (S&T)2 Consultants Inc., “An examination of the potential for improving carbon/energy balance of Bioethanol”, IEA Task 39 Report T39-TR1, Feb. 2009. [36] Xiaoyu Yan, “Energy demand and greenhouse gas emissions during the production of a passenger car in China”, Energy Conversion and Management, vol. 50 , pp. 2964–2966, Aug. 2009. [37] Wulf-Peter Schmidt and Frank Butt, “Life Cycle Tools within Ford of Europe's Product Sustainability Index Case Study Ford S-MAX & Ford Galaxy”, International Journal Of Life Cycle Assessment, vol. 11; No. 5, pp 315-322, 2006.

Referências Bibliográficas Consultadas na fase 1 [38] Julien Matheys, Wout Van Autenboer, Jean-Marc Timmermans, Joeri Van Mierlo, Peter Van den Bossche and Gaston Maggetto, “Influence of Functional Unit on the Life Cycle Assessment of Traction Batteries”, International Journal Of Life Cycle Assessment, vol. 12; No.3, pp 191-196, 2007. [39] Nada Zamel and Xianguo Li, “Life cycle comparison of fuel cell vehicles and internal combustion engine vehicles for Canada and the United States”, Journal of Power Sources, vol.162, pp. 1241–1253, Aug. 2006. [40] Masataka Hakamada, Tetsuharu Furuta, Yasumasa Chino, Youqing Chen, Hiromu Kusuda and Mamoru Mabuchi, “Life cycle inventory study on magnesium alloy substitution in vehicles”, Energy, vol. 32, pp. 1352–1360, 2006. [41] Mikhail V. Chester, Arpad Horvath and Samer Madanat, “Comparison of life-cycle energy and emissions footprints of passenger transportation in metropolitan regions”, Atmospheric Environment, vol. 44, pp. 1071-1079, Mar. 2010. [42] F. Stodolsky, A. Vyas, R. Cuenca and L. Gaines, “Life-Cycle Energy Savings Potential from Aluminum- Intensive Vehicles”, in Proc. of Total Life Cycle Conference & Exposition, Oct. 1995 (SAE, paper no. 951837). [43] John L. Sullivan, Ronald L. Williams, Susan Yester, Elisa Cobas-Flores, Scott. T. Chubbs, Steven G. Hentges and Steven D. Pomper, “Life Cycle Inventory of a Generic U.S. Family Sedan-Overview of Results Uscar Amp Project”, Society of Automotive Engineering, paper no.982160, Nov. 1998. [44] “Life Cycle Inventory of Biodiesel and Petroleum Diesel for Use in an Urban Bus – Final Report”, National Renewable Energy Laboratory, U.S. Department of Energy, Task no.BF886002, May 1998.

Referências Bibliográficas Consultadas na fase 1 [45] Malcolm A. Weiss, John B. Heywood, Elisabeth M. Drake, Andreas Schafer and Felix F. AuYeung, “ON THE ROAD IN 2020: A life-cycle analysis of new automobile technologies”, Energy Laboratory Report # MIT EL 00-003, Energy Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Oct. 2000 [46] Consuelo L.F. Pereira and Enrique Ortega, “Sustainability assessment of large-scale ethanol production from sugarcane”, Journal of Cleaner Production, vol. 18, pp. 77–82, Jan. 2010 [47] Seksan Papong and Pomthong Malakul, “Life-cycle energy and environmental analysis of bioethanol production from cassava in Thailand”, Bioresource Technology, Supplement Issue on Recent Developments of Biomass Conversion Technologies, vol. 101, pp. S112–S118, Jan. 2010 [48] Lin Luo, Ester van der Voet and Gjalt Huppes, “An energy analysis of ethanol from cellulosic feedstock–Corn stover”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 13, pp. 2003–2011, Oct. 2009 [49] Suiran Yu and Jing Tao, “Economic, energy and environmental evaluations of biomass-based fuel ethanol projects based on life cycle assessment and simulation”, Applied Energy, vol. 86, Supplement 1, pp. S178–S188, Nov. 2009 [50] “Environmental Inventories for Future Electricity Supply Systems for Switzerland”, Paul Scherrer Institute, Villigen, Feb. 1996

Fase 1 – Análise de Estudos Internacionais ::. BRAIN .:: Balanço Energético das Principais Tecnologias com Incidência no Sector Energético Fase 1 – Análise de Estudos Internacionais Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Reunião # 3 Reunião final da fase 1 12 Maio 2010