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1. Instituto Superior de Engenharia de Lisboa ::.BRAIN.:: Balanço Energético das Principais Tecnologias com Incidência no Sector Energético Fase 1 – Análise de Estudos Internacionais Reunião # 2 Reunião intercalar da fase 1 22 Abril 2010

2. Agenda Fase 1 – Reunião intercalar • Enquadramento • Análise bibliográfica • Unidades funcionais • Valores reportados • Temas para análise • Próximos passos • Referências bibliográficas

3. Enquadramento 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).

4. Enquadramento 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.

5. Enquadramento Sistemas energéticos em análise • Energias Primárias • Energia Eléctrica • Mobilidade Carvão Carvão Eléctrico CCGT Híbrido Gás Nuclear Hídrica Gasolina / Gasóleo Petróleo Eóllica Solar (TE e PV) Etanol Etanol

6. Enquadramento Fases do projecto

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

8. Enquadramento 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).

9. Agenda Fase 1 – Reunião intercalar • Enquadramento • Análise bibliográfica • Unidades funcionais • Valores reportados • Temas para análise • Próximos passos • Referências bibliográficas

10. Análise bibliográfica 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.

11. Análise bibliográfica Energias primárias

12. Análise bibliográfica Energias primárias

13. Análise bibliográfica Energia eléctrica

14. Análise bibliográfica Energia eléctrica

15. Análise bibliográfica Mobilidade

16. Análise bibliográfica Mobilidade

17. Análise bibliográfica 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).

18. Agenda Fase 1 – Reunião intercalar • Enquadramento • Análise bibliográfica • Unidades funcionais • Valores reportados • Temas para análise • Próximos passos • Referências bibliográficas

19. 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

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

21. 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

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

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

24. Unidades funcionais 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

25. Unidades funcionais Mobilidade Veículo Unidades Funcionais kWh km Energia total Utilização Energia Produção e Fim Vida kWh Distância total percorrida Distância total percorrida kWh km kWh

26. Agenda Fase 1 – Reunião intercalar • Enquadramento • Análise bibliográfica • Unidades funcionais • Valores reportados • Temas para análise • Próximos passos • Referências bibliográficas

27. Valores reportados Energias primárias

28. Valores reportados Energia eléctrica (1/2)

29. Valores reportados Energia eléctrica (2/2)

30. Valores reportados Mobilidade

31. Agenda Fase 1 – Reunião intercalar • Enquadramento • Análise bibliográfica • Unidades funcionais • Valores reportados • Temas para análise • Próximos passos • Referências bibliográficas

32. Temas para análise • Qualidade de energia (diferenciar os diversos tipos de energia). • Taxa de desconto intertemporal para a energia (progresso tecnológico). • 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). • 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).

33. Temas para análise 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

34. Temas para análise 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)

35. Agenda Fase 1 – Reunião intercalar • Enquadramento • Análise bibliográfica • Unidades funcionais • Valores reportados • Temas para análise • Próximos passos • Referências bibliográficas

36. Próximos passos 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.

37. Próximos passos 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

38. Agenda Fase 1 – Reunião intercalar • Enquadramento • Análise bibliográfica • Unidades funcionais • Valores reportados • Temas para análise • Próximos passos • Referências bibliográficas

39. 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.

40. 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.

41. 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.

42. 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.

43. 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.

44. 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

45. Instituto Superior de Engenharia de Lisboa ::.BRAIN.:: Balanço Energético das Principais Tecnologias com Incidência no Sector Energético Fase 1 – Análise de Estudos Internacionais Reunião # 2 Reunião intercalar da fase 1 22 Abril 2010