Introdução
A eletrificação da frota de veículos é uma realidade que vai invadir os mercados mundiais nas próximas décadas. Veículos elétricos são a grande aposta na transição energética do setor de transportes. Cada país terá uma velocidade diferente de penetração de mercado e substituição da frota de combustão interna por elétricos, dependendo do preço, incentivos, concorrência com outras opções energéticas e de mobilidade urbana. Aos poucos, contudo, se observa com mais detalhe quão limpa e descarbonizada é de fato esta opção. Os veículos elétricos, embora não tenham emissões de escape, são intensivos em insumos industrializados associados a grandes emissões de carbono, especialmente na fabricação das baterias. Outra fonte de emissão relevante é aquela que ocorre quando da recarga dos veículos, dependendo da intensidade de carbono da matriz elétrica elas podem ser bastante altas. Neste sentido, este breve artigo tem por objetivo avaliar as emissões indiretas de gases de efeito estufa associadas à fabricação e uso dos veículos elétricos, comparando-as com as de um veículo de combustão popular no Brasil.
Um olhar sobre as baterias
As tradicionais baterias de lítio-íon presentes em eletrônicos portáteis, como smartphones, tablets e laptops são também utilizadas nos carros elétricos. A lítio é hoje o elemento mais utilizado na composição das baterias por uma série de vantagens: disponibilidade, baixa toxicidade, leveza e alta eletropositividade. Estas características trazem vantagens no armazenamento de energia, tornando o lítio um elemento bastante cobiçado nos últimos anos. Contudo, por ser um metal muito reativo, o que implica em desafios de segurança, seu uso nas baterias não ocorre na forma metálica, mas através de compostos químicos capazes de liberar íons de lítio que formarão o fluxo eletrônico no interior da bateria.
Aqui vale relembrar resumidamente os componentes principais de uma célula de bateria, que são cátodo, ânodo, eletrólito e um separador. Existem diversos tipos de baterias e elas são nomeadas a partir do doador de íons de lítio no cátodo, pois este é o principal determinante das propriedades da célula. Vários óxidos de metal de lítio são usados para esta finalidade: óxido de lítio-cobalto (LCO), óxido de lítio-manganês (LMO), lítio fosfato de ferro (LFP), óxido de lítio-níquel cobalto-alumínio (NCA) e óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC). O ânodo normalmente é constituído de grafite envolvido por alumínio, enquanto o cátodo é revestido por cobre. O revestimento de alumínio do cátodo e de cobre do ânodo, devidamente separados, completam o circuito ao serem ligados aos terminais da célula de bateria.
Observa-se que cobalto, manganês, níquel, alumínio e cobre são metais tradicionais presentes nas atuais baterias comerciais de lítio-íon, cuja obtenção é intensiva em energia e emissões de carbono. A figura 1 apresenta a quantidade em quilogramas dos metais utilizados no cátodo, por kWh de capacidade da bateria, para as principais baterias fabricadas atualmente. Uma bateria bastante usual, a NMC 111 de 60 kWh conterá aproximadamente 9 kg de lítio, 24 kg de níquel, 24 kg de cobalto, 22 kg de manganês e outras dezenas de quilogramas de grafite, alumínio e cobre. A bateria de 62 kWh do Nissan Leaf, por exemplo, pesa 440 kg no total, incluindo módulos de controle, eletrólito, entre outros materiais (Nissan 2020).
Figura 1 – Quantidade de metais das principais baterias de lítio-íon produzidas comercialmente, por kWh de capacidade da bateria
Fonte: (Emilsson and Dahllöf 2019).
Diversos estudos reportam as emissões de gases de efeito estufa associadas à produção das baterias de lítio-íon. Os valores indicados variam significativamente, dependendo das premissas do estudo, tipo de bateria, tamanho, local de produção, tecnologia envolvida, etc. A tabela 1 apresenta as emissões de fabricação de baterias lítio-íon NCM reportadas na literatura, em quilogramas de dióxido de carbono equivalente (kg CO2e), para os três principais fabricantes de baterias do mundo. China, Japão e Coréia do Sul responderam por pouco mais de três quartos da fabricação de baterias para veículos elétricos no mundo em 2016 (Mann, Mayyas, and Steward 2018), algo que vem se mantendo nos últimos anos.
Tabela 1 – Emissões de gases de efeito estufa reportadas em diferentes estudos
Considerando uma emissão de fabricação de 114,5 kgCO2e/kWh, obtida pela média dos valores da tabela 1 para a China, a bateria de 62 kWh de um Nissan Leaf emitiria 7,06 toneladas de gases de efeito estufa na atmosfera. Supondo uma vida útil de 160.000 km (limite usual de garantia ofertada pelos fabricantes de veículos elétricos) sem necessitar a troca da bateria, as emissões diluídas por quilômetro rodado ficam em 44,1 gCO2e/km, um número relevante.
As emissões de recarga
Ao se “plugar” um veículo elétrico na tomada para recarga, entra em cena algo que poucos enxergam ou comentam: as perdas de energia. A recarga de uma bateria tem perdas intrínsecas aos componentes elétricos e eletrônicos, normalmente na forma de calor. Esse efeito é facilmente observado na recarga de celulares, quando as baterias esquentam. Há perdas relativas ao carregador, módulo de recarga do carro e bateria, além das perdas de transmissão e distribuição de energia elétrica. Essas perdas aumentam a necessidade de geração de energia elétrica, o que impacta na emissão indireta de gases de efeito estufa.
O conjunto completo de recarga (carregador, módulo de controle e bateria) perde em média 15% da energia que chega nele, de acordo com alguns artigos publicados (Sears, Roberts, and Glitman 2014; Apostolaki-Iosifidou, Codani, and Kempton 2017; Kostopoulos, Spyropoulos, and Kaldellis 2020). Além disso, no Brasil há perdas estimadas de 4% nas redes de transmissão de energia e de 7,5% (perdas técnicas) nas de distribuição, conforme ilustrado na figura 2.
Figura 2 – Perdas de energia na transmissão e distribuição de energia elétrica no Brasil
Fonte: (ANEEL 2015).
Para fins de análise, será utilizado o Nissan Leaf com bateria de 62 kWh como referência. Para recarga completa da bateria desse veículo seriam necessários 82,1 kWh de energia, considerando todas perdas ao longo do caminho, esquematizadas na figura 3. As perdas somadas chegam a 24,5%, neste exemplo. A principal implicação decorrente disso é que as emissões associadas à geração de energia são maiores do que as normalmente estimadas para recarga de um veículo elétrico.
Figura 3 – Perda de energia na recarga de uma bateria de 62 kWh
Fonte: Elaboração Própria.
A matriz elétrica brasileira teve intensidade de emissões médias de 99,6 gCO2e/kWh gerado em 2018 (EPE 2020), uma das mais limpas do mundo. A China, por exemplo, teve intensidade de emissões de 684,9 gCO2e/kWh no mesmo ano, conforme pode ser observado na figura 4.
Figura 4 – Emissões de CO2e (g) por kWh gerado (2018) na China, EUA, UE e Brasil, 2018
Fonte: (EPE 2020).
Segundo o fabricante, o Nissan Leaf tem autonomia de 385 km com uma bateria de 62 kWh, de onde se obtém um rendimento médio de 6,2 km/kWh. Considerando este dado e as perdas de energia apresentadas na figura 3, tem-se que as emissões de recarga do Leaf no Brasil seriam de 3,38 toneladas de gases de efeito estufa ou 21,1 g CO2e/km rodado (desconsiderando as perdas, as emissões seriam de 16,1 gCO2e/km ou 31% menores). Na China, nas mesmas condições, a recarga deste veículo emitiria 145,2 gCO2e/km, algo perto de sete vezes mais do que no Brasil.
Somando as emissões de fabricação da bateria com as de recarga do veículo, tem-se:
- Emissões de fabricação da bateria: 44,1 gCO2e/km
- Emissões de recarga da bateria com perdas: 21,1g CO2e/km
Total: 65,2 gCO2e/km
Observa-se que embora não tenham um duto de escape de gases, os carros elétricos emitem indiretamente certa quantidade de gases na produção da sua bateria, bem como durante a recarga deles. O quanto elas são significativas?
Combustão x elétricos
Para fins de comparação, será adotado o veículo mais vendido de 2016 a 2020 no Brasil, que foi o Chevrolet Onix 1.0 como motor de combustão interna Flex. Levando em consideração dados de consumo do veículo, do Renovabio e de fatores de conversão apresentados na tabela 2, tem-se que as emissões estimadas para o Ônix são de 208,7 g CO2e/km com gasolina A e 58,9 g CO2e/km com etanol hidratado.
Tabela 2 – Dados do Renovabio, fatores de conversão e emissões do poço à roda do Chevrolet Ônix 1.0
Fontes: a:(ANP 2021) b: (EPE 2021) c:(INMETRO 2020).
Sendo assim, nas condições relatadas, o Nissan Leaf elétrico com bateria de 62 kWh rodando no Brasil (com baterias fabricadas na China) teria emissões 69% menores do que o Ônix 1.0 que roda com gasolina A, mas 11% maiores do que o mesmo carro rodando com etanol hidratado (figura 5). O resultado demonstra a importância de se avaliar todo o ciclo de vida dos veículos, bem como a importância dos biocombustíveis na transição energética.
Figura 5 – Comparação entre as emissões do Nissan Leaf e do Onix 1.0 Flex
Fonte: Elaboração Própria.
Considerações finais
Não há dúvidas de que os veículos elétricos são fundamentais para a transição energética. Contudo, existem emissões indiretas associadas à sua produção, especialmente das baterias, cujos metais são advindos da mineração. O crescimento exponencial da mineração de lítio e outros metais necessários para produção das baterias é ponto de atenção ambiental, bem como extrapola para necessidade de uma avaliação social, econômica e geopolítica.
Diversos estudos demonstram que a produção das baterias é intensiva em energia e emissão de gases de efeito estufa. Os maiores fabricantes mundiais de baterias de lítio-íon detêm uma matriz energética altamente fóssil, impactando sobremaneira nas emissões associadas à produção dos veículos elétricos. É esperado que China, Japão e Coréia do Sul mantenham a vanguarda e escala na produção das baterias, de modo que os veículos elétricos seguirão, por conta disso, com considerável pegada de carbono.
Outra questão importante apresentada neste artigo refere-se à perda de energia nas redes de transmissão, distribuição e recarga das baterias, que aumentam a necessidade de geração de energia elétrica, com emissões maiores do que as normalmente consideradas quando se olha apenas a carga nominal da bateria. Obviamente, diante do crescimento do mercado de veículos elétricos, é esperado que novas tecnologias reduzam as perdas de recarga especialmente.
A comparação das emissões do Nissan Leaf com o Chevrolet Onix tem limitações e variam se as condições propostas forem outras, por isso não deve ser generalizada. Se a bateria for menor, fabricada em outro país ou a quilometragem considerada seja diferente da utilizada neste ensaio, o resultado será sensivelmente diferente. De qualquer forma, fica evidente que os veículos elétricos têm emissões menores do que os movidos a gasolina e que carros abastecidos com biocombustíveis podem ter emissões menores do que os veículos elétricos, dependendo do modelo e consumo, como pode ser observado na comparação feita neste artigo.
Por fim, ressalta-se que é necessário agregar mais informações ao breve estudo aqui exposto, considerando outras fontes de emissões, como a de produção do chassi dos veículos, as trocas de óleo dos motores à combustão, de ampliação da infraestrutura de recarga dos elétricos, do descarte ou reciclagem dos materiais ao final da vida deles, entre outros. É preciso investir em pesquisa para mapear cada vez mais as emissões “invisíveis”, os gargalos e as oportunidades que existem na transição energética, de modo a nortear as políticas públicas a luz da ciência.
Referências
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Sugestão de citação: GAUTO, M. (2021). As emissões invisíveis dos carros elétricos. Ensaio Energético, 27 de setembro, 2021.
Marcelo Gauto
Químico Industrial pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Especialista em Engenharia de Petróleo pela Universidade Tecnológica de Caxias do Sul (UNIFTEC). Especialista em Negócios de Petróleo, Gás e Energia pela Universidade Veiga de Almeida (UVA). Doutorando em Bioenergia da Universidade de Campinas (UNICAMP). Técnico da Petrobras na área de downstream, autor de livros, capítulos e artigos sobre o mercado de energia.
Marcelo, uma dúvida. Na tabela 2 o valor de emissoes do Onix, q vc usa pra comparar com o Nissan Leaf, tbm inclui as emissões de fabricação de todas os componentes e montagem deste?
Rudimar, as emissões de fabricação dos automóveis não foram consideradas para nenhum dos veículos.
O valor fixo de emissão CO2 na fabricação é baseado em quantos km?
O carro vai precisar um valor fixo de toneladas X de CO2, certo. Mas pra falar de CO2/ km tem que dizer quanto km o carro vai andar? 100.000, 200.000, 500.000 km?
Vendo o valor baixo de CO2 que o Brasil precisa pra produzir energia segnidica que o Brasil é perfeito pra carros elétricos. Mas também achei bom e interessante que com etanol o valor é tão baixo. Produção de etanol também é quase um fluxo fechado, etanol quase um e- fuel.
Marcel, é baseado em 160.000km, como indicado no artigo.
[…] industrial, especialista em petróleo, gás e energia e doutorando em Bioenergia. Ele é autor de artigo sobre tema publicado no site Ensaio […]
Dr. no intuito de colaborar, saliento que faltou considerar algumas emissões para o veículo a combustão interna, que somente existe neles, como por exemplo a fabricação do bloco do motor, que é de duralumínio ou material composto que é altamente poluente para ser produzido, emissões dos pistões, virabrequim, válvulas, camisas, conjunto de escapamento, radiadores, conjunto de mangueiras de todo o tipo, sistema de baterias (que também existe nos veículos e que são do tipo química selada extremamente poluentes na produção e descarte), entre outros detalhes específicos e poluentes do sistema a combustão interna.
André, grato pelo comentário. De fato, o “chassi” do veículo de combustão tem muito mais peças e a emissão de fabricação é maior do que a do chassi de um veículo elétrico. A bateria do elétrico, contudo, é tão intensiva em energia e metais, que a soma das emissões do chassi, periféricos e bateria do elétrico é quase duas vezes maior no berço do que a de um veículo de combustão.
O estudo não considerou as perdas e volume de poluentes no processo de produção dos combustíveis líquidos (gasolina e álcool) bem como não incluiu a poluição indireta gerada pelo transporte desses combustíveis até a bomba nos pontos de abastecimento. E parece muito interessante uma revisão que inclua a capacidade de retenção e filtragem dos poluentes em cada um dos modelos analisados (supondo que na geração de eletricidade os processos não são tão difusos quanto na unidades de motores a combustão interna. Além de outro viés a ampliar o estudo considerando a poluição por fluidos (óleos, graxas, líquidos arrefericimento e descartes de peças por desgastes por uso e também ao fim da vida útil do veículo)!