com a idade do próprio motor, com mais de um século de existência. A primeira declaração pública sobre a utilização de óleos vegetais em motores foi feita pelo próprio criador do motor Diesel, Rudolf Diesel. Vários estudos foram publicados avaliando a interação dos motores de ignição por compressão e a utilização de biodiesel, sendo assinalável que este assunto tenha apresentado um aumento muito significativo na última década.
A análise da bibliografia existente sobre a utilização de biodiesel em veículos, em que são consideradas diversas configurações de motores e diferentes tipos de combustível proveniente de diferentes origens, permite identificar algumas situações pontuais de discrepâncias nos resultados publicados. Numa análise puramente energética será de esperar que o consumo de combustível aumente com a introdução de biodiesel, dado o menor teor energético deste combustível. Contudo, esta assunção não é inteiramente correta, verificando-se uma interação de variados fatores que determinam a eficiência térmica do processo de combustão e consequentemente afetam o consumo de combustível, como será possível comprovar mais à frente nesta revisão.
De entre as várias propriedades que distinguem o biodiesel e o combustível de origem fóssil, destacam-se o poder calorífico, já mencionado, mas também a viscosidade, a densidade e o conteúdo em oxigénio, entre outras.
O sistema que é mais influenciado por estas propriedades é o sistema de injeção de combustível. Na realidade, a otimização do sistema de injeção é fundamental para que o funcionamento de um motor seja mais eficiente. A introdução de um combustível como o biodiesel, com características diversas daquelas que foram as que determinaram a otimização do sistema, levam a que o spray de biodiesel seja mais estreito e mais longo que o de diesel petrolífero, implicando uma menor atomização e melhor penetração desse spray no ar aquecido que se encontra no interior do cilindro, devido à maior viscosidade e tensão superficial do biodiesel, implicando um maior tamanho médio da gota de combustível (Kegl 2011).
Por outro lado, o tipo de operação requerido a um motor também afeta o modo como este se relaciona com diferentes combustíveis, pois diferentes modos de funcionamento traduzem-se em variações nos rácios de pressão de injeção, na formação do spray, nas relações ar/combustível e no processo de combustão. A utilização de diferentes proporções de biodiesel acarreta um impacto no funcionamento dos motores que depende fortemente das condições em que este opera e dos tipos de condução a que é sujeito (Fontaras, et al. 2009) (Yanowitz e McCormick 2009).
2.2.1 Especificações relativas a ensaios de motores
Existem variadas formas para efetuar testes em motores: utilizando um banco de ensaios de motores, um dinamómetro de rolos, ou através da realização de testes em estrada em condições reais. Cada uma destas metodologias compreende algumas vantagens e apresenta alguns problemas. A utilização de um banco de ensaios de motores permite um estudo dos parâmetros de funcionamento do motor em condições bastante controladas, garantindo uma grande precisão e boa repetibilidade de resultados. Contudo, existem algumas restrições na extrapolação direta desses resultados para as condições reais de utilização dos veículos, devido aos condicionalismos associados ao tipo de chassis utilizado, bem como às interferências de utilização por um condutor numa estrada sujeita a determinado tráfego.
A realização de ensaios recorrendo a um dinamómetro de rolos permite incorporar as interferências relativas ao veículo, não sendo possível definir a representatividade de cada ciclo de ensaio imposto relativamente às condições reais de circulação, tendo em conta as perturbações de caráter mais aleatório como são as diferentes situações de tráfego, condições meteorológicas e outras.
Na realidade, os ensaios em estrada são aqueles que permitem indubitavelmente uma maior capacidade para simular as circunstâncias reais de circulação em estrada, quando o veículo está sujeito a determinadas condições ambientais e de tráfego. Todavia as dificuldades de não estar em condições controladas de laboratório são evidentes, razão pela qual este tipo de metodologia tem de ser muito bem avaliada de modo a garantir alguma fiabilidade nos resultados obtidos.
Nos últimos anos, a utilização de ensaios em estrada tem vindo a ser cada vez mais utilizada por vários grupos de investigação, nomeadamente para medição de emissões de gases de escape, análise de desempenho e consumo de combustível, definição de estilos de condução, desenvolvimento de ciclos de ensaios e comparação de diferentes modos de propulsão, porém os sistemas utilizados são normalmente complexos e caros.
Este tipo de metodologia, que ainda se encontra em fase de desenvolvimento, persegue o objetivo de recorrer a sistemas preferencialmente a baixo custo, com a maior fiabilidade e precisão possíveis, permitindo o conhecimento do comportamento do veículo em estrada, obtendo uma resposta bastante mais realista do que a obtida em bancos de ensaios de motores ou em dinamómetros de chassis. É uma questão dominante que os ciclos realizados em dinamómetros, como o ciclo americano FTP (Federal Test Procedure, USA) ou europeu NEDC (New European Drive Cycle, CE), não possibilitam uma precisa representação do real comportamento do veículo, até porque, sendo importante em termos comerciais a existência de valores baixos de consumo, os construtores de veículos podem parametrizar os motores para que o desempenho nos pontos normativos sejam otimizados. Acresce ainda o facto de estes ciclos terem sido desenvolvidos para a homologação de motores e não para comparação do seu comportamento quando sujeitos a combustíveis com diferentes características.
Por exemplo, relativamente ao ciclo NEDC é reportada a crítica feita por Kageson em 1998, onde se refere que o ciclo europeu de condução (NEDC) tem um perfil de aceleração muito suave, exigindo o funcionamento do motor numa gama de operação muito pequena e, para cumprir os requisitos de emissões, os construtores de veículos apenas têm de se focar nestas zonas (Pelkmans e Debal 2006). Neste pressuposto a realização de ensaios em banco cumprindo o ciclo normativo NEDC e a
realização de medições em estrada em circunstâncias reais de tráfego permitiram confirmar as diferenças nos resultados obtidos pelas diferentes metodologias. No que concerne ao consumo e às emissões de CO2, foram reportadas diferenças entre 10 a 20%.
A importância da realização de ensaios em condições reais de estrada é salientada pela crescente evolução dos veículos, pela introdução de sistemas de controlo eletrónico e pela utilização de sistemas de tratamento das emissões de escape, sendo importante aumentar a variabilidade das condições exigidas aos motores (Holmén e Niemeier 1998). É demonstrada a tendência para os veículos mais recentes apresentarem diferenças mais significativas entre ensaios em laboratório e em estrada, sendo os veículos atuais mais sensíveis às condições dos ensaios (André, Joumard, et al. 2006).
Também foi identificada a necessidade de desenvolver testes normalizados em bancos de ensaios de motores de veículos pesados de modo a melhor descrever as emissões características de um determinado comportamento destes veículos. Esta é uma lacuna reconhecida nomeadamente para a comparação da utilização de gasóleo e de combustíveis alternativos (Clark, et al. 1999).
A definição de um ciclo de ensaios pode influenciar positiva ou negativamente a comparação de um determinado veículo com outro, uma vez que cada motorização para cada veículo apresenta um comportamento diferente quando sujeito a uma mesma solicitação. Relativamente às emissões, a não contabilização de um fator de ajuste relativamente ao tráfego, pode introduzir desvios significativos, que para motores de ignição por compressão podem atingir até 30% (Joumard, et al. 2000).
Um estudo sobre a influência de diversos fatores no consumo de combustível e nas emissões de gases de escape permitiu detetar que são várias as causas para além da rotação e do binário imposto que efetivamente afetam esses resultados, nomeadamente o tipo de condução e de tráfego a que o veículo é sujeito. (Ericsson 2001).
Pode referir-se, a título de exemplo, o desenvolvimento de um ciclo de ensaios representativo das condições reais de circulação para motores de viaturas pesadas, (Krishnamurthy e Gautam 2006). Utilizando um equipamento portátil embarcado para medição das emissões de escape, foi possível obter informação sobre as condições de funcionamento do motor em contínuo, bem como os respetivos dados relativos às emissões específicas de CO2 e NOx. Estes dados foram posteriormente comparados com os resultantes dos ensaios realizados em banco de motores com o ciclo FTP, possibilitando o desenvolvimento de um ciclo mais realista com as condições reais de circulação em estrada. Este foi também o objetivo de um outro projeto a nível europeu com viaturas ligeiras (André 2004). No projeto europeu denominado ARTEMIS (Assessment and Reliability of Transport Emission
Models and Inventory Systems), foi estabelecida a compatibilidade e integração dos padrões atuais
de condução na Europa, desenvolvendo um ciclo considerando as condições reais de circulação em estrada, contabilizando a diversidade nos modos de condução e comportamentos de condutor, veículo e tráfego. Este propósito foi atingido através da utilização de uma metodologia baseada em observações de vários veículos operando em vários circuitos sujeitos a condições reais recorrendo a um sistema de aquisição de dados a bordo, abrangente mas complexo.
Outros grupos de investigação utilizaram métodos similares para obterem comparações entre tecnologias convencionais e alternativas na propulsão de veículos (Martins, et al. 2009), (Alessandrini, et al. 2009), (Villatico e Zuccari 2008).
Utilizando um sistema GPS dedicado e um software comercial foi possível avaliar o potencial de travagem regenerativa de um veículo híbrido com “plug-in” quando sujeito a condições reais de circulação real em estrada (Martins, et al. 2009). A metodologia utilizada revelou algumas potencialidades mas são reportados alguns defeitos que para serem corrigidos obrigariam à montagem extra de vários sensores.
São reportados resultados de ensaios em estrada baseados em equipamentos de elevada qualidade, utilizados para medição das emissões de gases de escape, parâmetros de motor e do veículo, quando conduzidos por 20 condutores diferentes percorrendo um mesmo trajeto, utilizando veículos com propulsão híbrida (Alessandrini, et al. 2009). A quantidade de equipamento envolvida representa um peso extra de 250kg para cada veículo que não será fácil de instalar cada vez que seja necessário realizar algum ensaio.
Uma comparação entre um veículo com fuel-cell e outro com um motor de combustão interna foi feita recorrendo a um equipamento desenvolvido no laboratório da equipa de investigação (Villatico e Zuccari 2008). Este sistema permite a monitorização dos veículos através de uma abordagem logística, ambiental e de circulação, recorrendo a um equipamento complexo, caro e que não é adequado para uso frequente.
De facto, existem referências a várias tentativas e diferentes métodos para a construção de ciclos de ensaios em laboratório recorrendo a ensaios em estrada. A utilização da metodologia de perseguição é referida e utilizada para concluir sobre as diferenças nos resultados obtidos entre os ciclos normalizados e os resultados obtidos nos ensaios em circulação real (Hung, et al. 2007) (Wang, et al. 2008).
A utilização de ensaios em estrada para a comparação da utilização de gasóleo ou de uma mistura de gasóleo com 5% de biodiesel foi já realizada por algumas equipas de investigação (Ropkins, et al. 2007) (Karavalakis, Stournas e Bakeas 2009) (Karavalakis, et al. 2009), sendo novamente identificadas diferenças significativas nos resultados obtidos em função das condições de circulação e do ciclo de condução utilizado.
2.2.2 Energia e Transportes – obsessão mundial
As expectativas reveladas por (Schafer e Victor 2000) demonstram que de 1997 a 2050 a mobilidade dos cidadãos mundiais aumentará quatrocentos por cento, o que implicará um significativo impacto energético no setor dos transportes.
De facto a importância do transporte na sociedade tem vido sucessivamente a aumentar e tudo indica que esse crescimento terá continuidade. De acordo com a análise das tendências contemporâneas (Rodrigue, Comtois e Slack 2006), é facilmente percetível um aumento nas exigências ao nível do transporte individual e no transporte de mercadorias, aumentando não só a quantidade de pessoas e bens como também as distâncias percorridas. Este processo leva necessariamente a um incremento ao nível das infraestruturas e da busca de novas soluções energéticas, mais eficientes, renováveis e com menor impacto ambiental.
Um estudo de 2008 revela que o setor dos transportes contribuiu com 19% dos gases com efeito de estufa em 1971, mas esta contribuição aumentou para 25% em 2006 (Moriarty e Honnery 2008). Das
emissões de CO2 emitidas em 2000 pelo setor dos transportes, cerca de 72% são relativas ao transporte rodoviário, evidenciando a importância que este subsector desempenha ao nível da mobilidade mundial (Uherek, et al. 2010).
Apesar da melhoria da eficiência dos veículos de transportes rodoviários, o aumento do número de pessoas que têm carro, principalmente impulsionado pelos países em desenvolvimento como a China e Índia, torna patente o aumento das necessidades energéticas neste setor. É indesmentível que o setor automóvel representa um dos maiores crescimentos relativamente ao consumo de energia final e da emissão de gases com efeito de estufa. É também uma ideia globalizada que o setor dos transportes depende do petróleo como fonte de energia quase exclusiva. Uma crise no abastecimento de petróleo poderá conduzir rápida e inevitavelmente a um colapso económico mundial, fundamentalmente devido a esta estreita e obsessiva relação.
A previsão sobre as expectativas de crescimento do transporte automóvel revela um cenário de certo modo intimidante, uma vez que não existindo mudanças e não sendo tomadas medidas rápidas, o crescimento no consumo de energia e na emissão de gases com efeito de estufa será impossível de suportar (Turton 2006).
O diretor executivo da Agência Internacional para a Energia referiu que na ausência de fortes políticas governamentais, projeta-se que a utilização de petróleo nos transportes do mundo praticamente duplicará entre 2000 e 2030, conduzindo a um aumento semelhante dos gases com efeito de estufa (IEA 2004).
Apesar da existência de algumas tentativas no sentido de minimizar a dependência relativamente ao petróleo, é ainda contudo bastante cedo para prever se alguma terá efetivamente eficácia, ou se surgirá ainda alguma novidade tecnológica que demonstre essa capacidade. Até este momento, as tecnologias que são sugeridas para substituir parcial ou totalmente o petróleo, com diminuição das emissões de gases com efeitos de estufa, encontram-se distribuídas por 4 áreas.
- Biocombustíveis - Eletricidade - Hidrogénio - Gás natural
Aquela que nesta fase parece mais preparada é a utilização de biocombustíveis. Atendendo à proximidade das características destes combustíveis face aos combustíveis convencionais, podem ser utilizadas as infraestruturas e as tecnologias existentes para substituir em parte o consumo de petróleo, sem necessidade de alterações nos motores que atualmente equipam os veículos. Esta é na realidade uma vantagem incontornável, sendo suportada pelo estudo que considera os impactos energéticos e ambientais do setor dos transportes rodoviários em Portugal (Batista, et al. 2012). Neste estudo é referido que são necessárias mais de duas décadas para o desenvolvimento de uma nova tecnologia de veículos e que os veículos equipados com essa nova tecnologia constituam uma percentagem significativa no parque automóvel. Neste pressuposto, o facto da utilização de biodiesel poder ser considerada sem que ocorram alterações significativas nos veículos e nas infraestruturas permite que esta fonte de energia tenha primazia face às restantes alternativas, pelo menos numa fase de transição, para além do óbvio e absolutamente necessário aumento da eficiência dos motores de combustão interna.
A eletricidade, não sendo uma fonte de energia, pode ser produzida recorrendo a diferentes métodos. A utilização de tecnologias renováveis através dos recursos hídricos ou do vento é muito provavelmente o modo com menor impacto ambiental, mas também pode ser gerada através de centrais de biomassa, nucleares ou de combustíveis fósseis. Os veículos elétricos podem ser divididos fundamentalmente em dois tipos: os puramente elétricos, utilizando baterias e uma motorização elétrica e os híbridos, integrando a motorização elétrica e um motor de combustão interna. O primeiro tipo apresenta ainda consideráveis problemas de autonomia, uma vez que a quantidade de energia necessária para mover um veículo é bastante considerável e a quantidade de energia armazenável está limitada pelo número, tamanho, peso e capacidade das baterias. A utilização de um motor elétrico e outro de combustão permite ultrapassar a questão da autonomia, mas mantém a necessidade de recurso a fontes fósseis. Tanto uma como outra tecnologia são áreas em que os construtores automóveis apostam para os próximos anos. As maiores vantagens da motorização elétrica são a forte redução das emissões locais e a possibilidade de efetuar travagem regenerativa, acumulando energia do potencial inercial do veículo. Os veículos híbridos permitem ainda selecionar a solução mais adequada e eficiente, entre o motor elétrico e o de combustão, para responder a determinada solicitação.
Do ponto de vista ambiental, as tecnologias existentes ainda não revelam todas as vantagens que seriam esperadas. A eletricidade, não sendo uma fonte primária de energia, quando está a ser produzida, pode implicar a libertação de gases com efeito de estufa, uma vez que não existe ainda potencial para alimentar as necessidades elétricas atuais por intermédio de fontes renováveis, razão pela qual o acréscimo do consumo de energia elétrica só poderá ser suprido pelo recurso ao consumo de energias fósseis. Por outro lado, a produção de baterias tem também um significativo impacto ambiental. A grande vantagem dos veículos elétricos é permitir deslocar as fontes emissoras de poluentes das estradas para as chaminés das centrais de produção de eletricidade. Por esta razão, e pela substantiva diferença na eficiência dos motores elétricos relativamente aos motores de combustão interna em circuitos urbanos, é nestes trajetos que a aplicação destes veículos terá certamente maior aceitação e significado.
O hidrogénio é considerado como o combustível alternativo do futuro. De facto, esta substância que à semelhança da eletricidade não é uma fonte de energia, apresenta a potencialidade de poder ser utilizada nos motores de combustão interna ou em células de combustível (fuel-cells).
A utilização de hidrogénio em motores de combustão interna é interessante principalmente porque utiliza uma tecnologia que, mesmo necessitando de alterações, é bastante bem conhecida e as emissões são livres de carbono, libertando-se apenas vapor de água. A utilização de células de combustível considera a produção de energia elétrica no próprio veículo que pode então ser fornecido a um motor elétrico, minimizando o impacto ambiental associado à produção intensiva de baterias e anulando as emissões geradas na produção de energia elétrica através de tecnologias não renováveis, aumentando ainda a autonomia dos veículos.
As maiores dificuldades relacionadas com utilização de hidrogénio consideram o processo de produção, uma vez que esta molécula não está naturalmente disponível na Terra, e o modo como depois de produzida pode ser transportada, armazenada e distribuída. Existem algumas pistas sobre diferentes possibilidades para resolver estes problemas, mas na verdade ainda não há qualquer solução genericamente aceite.
A utilização de gás natural representa a possibilidade de reduzir a dependência dos transportes relativamente ao petróleo, mas ainda assim considera o recurso a um combustível com origem fóssil e por isso um recurso finito que implica uma menor, mas ainda considerável, quantidade de emissões com efeito de estufa. Na realidade, trata-se do recurso a uma tecnologia bastante bem conhecida mas implica um esforço grande ao nível da criação de infraestruturas necessitando de uma rede de distribuição de gás natural.
Alguns cenários identificam os veículos híbridos e elétricos como as mais fortes possibilidades para substituir as tecnologias convencionais que hoje dominam o mercado ao nível do transporte (Turton 2006) (Romm 2006). Sendo reforçado o papel dos transportes na sociedade ao longo do tempo, é salientado que, independentemente das incertezas atuais e futuras, é necessário tomar ações consistentes e rápidas para assegurar a mobilidade de forma sustentável.
A mobilidade é de facto um assunto chave ao nível dos custos económicos e energéticos dos transportes e representará certamente um aspeto fundamental na evolução de soluções energéticas (Litman 2005). A tendência atual e futura revela uma mudança para modos cada vez mais rápidos, o que provoca uma seleção do tipo de serviço de transporte pela celeridade com que assegura a mobilidade e não apenas em função das políticas definidas. Será também importante distinguir entre viagens urbanas e interurbanas (Schafer e Victor 2000).
A utilização de biocombustíveis é promissora e permite uma significativa contribuição para a