situação técnologia dos veiculos elétricos - palestra da UNISAL
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1/17 – EMISSÃO INICIAL 13/05/
Rev. 09/12
SITUAÇÃO TECNOLÓGICA E DE MERCADO DE VEÍCULOS HÍBRIDOS E
ELÉTRICOS.
SUMARIO:
1. VEÍCULOS HÍBRIDOS .................2
1.1 FUTURO .................3
2. VEÍCULOS 100% ELÉTRICOS - VE .................4
2.1 BATERIAS .................4
2.2 CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL .................5
2.3 COMPONENTES DE UM VEÍCULO ELÉTRICO .................6
2.3.1 MOTOR ELÉTRICO .................6
2.3.2 CONTROLADOR .................7
2.3.3 RESUMO .................8
3. MERCADO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS .................9
1) VEÍCULOS HÍBRIDOS São veículos que possuem um motor á combustão interna e um conjunto motor / gerador/ baterias
que auxilia a propulsão do veículo. Desse modo, em baixas velocidades, o motor elétrico fica sendo
o responsável pelo movimento do veículo. À medida que se necessita de maior força de tração, o
motor á combustão parte automaticamente e assume conjuntamente com o motor elétrico o
movimento do automóvel. Em momentos de alta velocidade ou baixa carga do conjunto de baterias,
o motor à combustão assume todo o movimento do veículo e também se inicia a carga das baterias,
caso necessário. Com esta tecnologia, estes veículos fazem 25km/l.
No mundo, os dois maiores representantes deste tipo de veículo são o Toyota PRIUS (vendido nos
EUA à US$ 24,000) e o Honda Insight. Este último modelo, está nas lojas desde março/ 2009 na
sua segunda geração, com novo preço de US$ 24,000. Foi o veículo mais vendido no Japão em
abril/ 09 – à frente de FIT e Yaris (Toyota). Em compensação a Toyota já vendeu mais de um
milhão e novecentas mil unidades de PRIUS no mundo. Um novo modelo (3ª geração está
prometido para março/2013. – Será o Prius PLUG-IN).
Foto 1 – Presidente da Toyota com um PRIUS do tipo PLUG-IN.
Com tantos PRIUS vendidos no mundo, surgiu uma nova característica deste tipo de modelo híbrido,
que é o “PLUG-IN”. Feito inicialmente por convertedores1 independentes nos EUA, o plug-in nada
mais é do que um conjunto de carregador de baterias instalado dentro do veículo PRIUS. Assim, é
possível a recarga das baterias sem a necessidade da partida do motor à combustão, carregando-se
as baterias na tomada de casa. Muitos convertedores1 efetuam também a troca do conjunto de
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baterias originais por modelos mais potentes. A Toyota já efetua testes deste tipo de aplicação, mas
promete este tipo de modelo somente para 2010. Ver foto 1.
Nos EUA os fabricantes de origem americana também possuem seus exemplares Híbridos.
Destaca-se neste segmento o FORD FUSION HÌBRIDO. A nova política de independência dos
combustíveis fósseis dos EUA já contempla a produção em larga escala deste tipo de veículo,
apesar de que com a situação econômica mundial não favorecer este tipo de propulsão devido á
baixa do preço do barril do Petróleo e seu preço de venda superior aos veículos convencionais.
BRASIL:
No Brasil, com a tecnologia “FLEX” dos novos veículos, não se vê montadoras vislumbrando a
utilização desta tecnologia para os próximos 5 anos. Além de tudo, vale ressaltar o grande nível de
sofisticação tecnológica existente principalmente do sistema de tração do veículo, aonde o trabalho
conjunto entre o motor à combustão e o motor/ gerador elétrico (que são dois elementos de
características de desempenho distintas) é o fator decisivo para a implementação desta
funcionalidade.
1.1 FUTURO:
Esta tecnologia atualmente possui duas grandes vertentes: Uma delas comenta-se que o veiculo
híbrido é uma tecnologia apenas de intermediação entre os veículos que conhecemos hoje e os
veículos puramente elétricos que estão por vir.
Mas esta vertente pode estar enganada, pois há muito que se desenvolver (e analisar) sobre os
carros 100% elétricos
Em compensação, uma outra corrente de idéias, indica que esta tecnologia ainda deverá atender o
mundo automobilístico por mais de 10 anos. Esta tecnologia já elimina uma grande parte as
emissões de poluentes na atmosfera, mantém a cadeia produtiva do veículo à combustão ainda
ativa, alia desempenho e autonomia dos moldes atuais, ou seja, não necessita de mudança na
cultura energética da sociedade.
______________ 1convertedores: denominação coloquial de pequenas empresas nos EUA que efetuam conversões de veículos com
motores à combustão para modelos elétricos. Efetuam modificações diversas, de modo a tender solicitações especiais de seus clientes. A maioria se encontra no estado da Califórnia.
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2) VEÍCULOS 100% ELÉTRICOS – VE:
Comemorado por entusiastas e simpatizantes radicais da proteção do meio ambiente, este tipo de
veículo é visto como a solução do problema mundial, tanto em termos de emissão de poluentes,
como também sob aspectos que podemos destacar:
Baixo ruído: um motor elétrico emite praticamente o mesmo nível de ruído em toda a faixa de
rotações, sendo este próximo do ruído de um motor à combustão em marcha lenta.
Facilidade na dirigibilidade (ausência de troca de marchas), principalmente no transito
pesado das grandes cidades.
Melhoria nos quesitos de manutenção do veículo – ausência de troca de óleo, correias
dentadas, sem escapamentos que furam, etc.
Historicamente, é importante salientar que o veículo nascido nos fim do século 19 era elétrico. O
primeiro veículo do austríaco Ferdinand Porsche (1875-1951) era elétrico. Com o tempo, a grande
densidade de energia existente nos combustíveis fósseis, fez com que a tração elétrica sucumbisse
diante de seus problemas com suas baterias da época.
Na realidade, hoje o veículo elétrico ainda está dependendo do mesmo “calcanhar de Aquiles” do fim
do século 19: o conjunto de acumuladores, ou seja, as baterias.
2.1 BATERIAS:
Os últimos 10 anos foram decisivos para o incremento desta tecnologia: Os aparelhos celulares e
notebooks exigem a disponibilidade desta “energia portátil”. Com isso, surgiram as tecnologias
aplicadas de Níckel-Cádmio, Níquel Metal-Hidreto e Ion-Lítio. Cada tecnologia tem suas deficiências
e qualidades, ao qual não fazem parte deste trabalho o seu estudo específico.
Hoje os estudos estão em andamento, onde as variações da tecnologia estão apontando cada vez
mais para o uso do Lítio e suas variações. LiFePo4 (lítio-ferro-fosfato) e Li-Po (polímero de lítio) são
as grandes promessas do futuro. Ressaltamos também a tecnologia do NaNiCl2 – sódio-níquel-
clorido – (criada na 2ª Guerra Mundial) que sua patente está nas mãos da empresa suíça
denominada Mes-DEA. A nanotecnologia está fortemente ligada ao desenvolvimento deste
produto.
Comenta-se hoje que talvez a limitação das baterias de Lítio esteja em suas reservas no mundo. O
Lítio é um metal escasso na natureza e suas maiores reservas (56,6%) encontra-se no deserto de
sal da Bolívia. No Chile há 31,4% e os EUA ficam com 4,3%. Se a utilização do lítio entrar em
grande escala de produção, alguns pesquisadores vêem a disponibilidade de seus recursos como
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um problema. Como todo novo estudo, há controvérsias dos especialistas no assunto, pois inclusive
os EUA não disponibilizam seu nível de produção e consumo para estudo.
Para fins de informação, o Brasil possui uma pequena produção de Lítio, através da CBL – Cia.
Brasileira de Lítio, instalada em MG.
FUTURO:
No desenvolvimento deste tipo de acumulação de energia, destacam-se a China, com a empresa
BYD, líder na produção de baterias de Lítio no mundo e que no ano de 2008 resolveu adentrar no
mercado de veículos híbridos e elétricos, atendendo uma estratégia do governo Chinês. Os
americanos apontam como os desenvolvedores que mais estudam a aplicação da nanotecnologia
no aprimoramento das baterias de Lítio (empresas ALTAIRNANO, A123 e ENERDEL). Os japoneses
trabalham mais na confiabilidade do produto e ainda têm um pouco de reticências sobre a utilização
do Lítio, mas em compensação são os que possuem os estudos mais adiantados na aplicação e
melhoria dos supercapacitores – células de potência, com baixa energia, que podem auxiliar na
autonomia dos veículos elétricos e possui vida útil superior a 20 anos.
Finalizando, destacamos alguns estudos sobre melhoria da atual tecnologia das baterias de
chumbo-ácido, (chamadas de chumbo-carbono e silicone) e a criação de várias joint-venture para o
desenvolvimento deste setor: Johnson Controls-Saft; Samsung-Bosch; Kokam-Dow; Honda-
Outra linha de pesquisa é no tocante ás células de
combustível. Com este tipo de equipamento,
transforma-se Hidrogênio (H2) em energia elétrica.
Como subproduto desta reação, temos vapor
d´agua.
Inicialmente este tipo de obtenção de energia
elétrica era bastante promissor, pois se acreditava
que era fácil a obtenção de hidrogênio através do
metanol ou produtos similares. O que aconteceu
foi que na obtenção de hidrogênio por este processo eram gerados alguns subprodutos. Estas
impurezas em contato com as células de combustível determinavam a sua rápida deterioração,
diminuindo a sua vida útil, de um equipamento com alto custo de produção.
Figura 1 – Célula de Combustível – Fonte: Wiki
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Ressaltamos aqui que a obtenção de hidrogênio através da eletrólise da água não é viável, uma
vez que se necessita de uma quantidade de energia maior para a produção do H2 do que o obtido
na célula de combustível, ou seja, o balanço energético não é viável.
Tecnicamente uma célula de combustível também possui a característica de trabalhar “flat”, ou seja,
possui uma capacidade de fornecimento de energia em valores constantes, diferentes das
necessidades de um veículo de rua.
Assim, um veículo à célula de combustível, necessita de um conjunto de baterias para trabalhar
como “reserva de pico” nos momentos de aceleração, por exemplo. Volta-se assim na importância
da utilização de baterias também para este tipo de veículo.
Como futuro, testes de laboratório mostram que se pode produzir H2 através de algas. Os estudos
de tanques que trabalhem com pressões em torno de 400 atm também estão em andamento.
Hoje o principal exemplar deste tipo de tecnologia que está nas ruas é o HONDA FCX Clarity,
comercializado sob regime de leasing na Califórnia, mas com o intuito de veículo de teste e
percepção dos clientes potenciais.
Mas em 11/05/2009, reproduzimos parte da matéria publicada no “www.carroonline”:
César Tizo Alegando a necessidade de “priorizar soluções imediatas que melhorem a eficiência dos carros comercializados nos EUA”, segundo explicou o Secretário de Energia dos EUA, Steven Chu, a administração Obama encerrou um programa para desenvolvimento de carros a hidrogênio, que só emitem vapor de água de seu escapamento, no valor de US$ 1,2 bilhão.
Esta notícia do governo dos EUA deve balançar em muito o mercado de veículos à célula de
combustível, pois a matéria comenta também que a mudança de infraestrutura necessária para o
atendimento deste tipo de tecnologia é alta e acredita-se que se necessita ainda de duas décadas
de tecnologia para tornar esta utilização viável – pelo menos para o meio automobilístico.
2.3 COMPONENTES DE UM VEÍCULO ELÉTRICO:
A simplicidade de um Veículo Elétrico está exatamente na pequena quantidade de equipamentos
principais para seu perfeito funcionamento. Além do conjunto de baterias, um veículo elétrico
necessita de mais dois componentes principais: o motor elétrico e seu controlador eletrônico de
velocidade.
3.3.1 MOTOR ELÉTRICO: O motor elétrico existe há mais de 100 anos e é empregado na indústria de transformação desde os
primórdios da revolução industrial. O maior desenvolvimento surgiu diante da necessidade de
automação da indústria que aliado ao desenvolvimento da eletrônica, permitiram que se obtivesse
um controle preciso de sua velocidade. Surgiram então os motores BLDC (Brushless DirectCurrent)
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de imãs permanentes usados nos robôs industriais e os motores de corrente alternada de indução
com controle de velocidade, substituindo os motores de corrente
contínua que necessitam de maior manutenção e que são mais
caros para sua fabricação.
No Brasil, há um dos maiores fabricantes de motores elétricos do
mundo, a WEG Motores, localizado no estado de Santa Catarina.
A WEG participa do projeto ITAIPU1 mas até a presente data,
mostrou o primeiro protótipo, que necessita de testes de
desempenho e análise do custo de produto. Nada de concreto
para os participantes do projeto. No momento em que o negócio
VE se tornar atraente no Brasil, com certeza este fabricante mostrará o
desenvolvimento rápido deste produto, pois na realidade o
desenvolvimento deste componente não pode ser considerado hoje de difícil execução.
No Mundo há fabricantes específicos, mas os mesmos se aproveitam da baixa oferta e praticam
preços muito diferenciados.
2.3.2 CONTROLADOR:
Os controladores eletrônicos de velocidade nasceram de uma necessidade da indústria. Os
primeiros “inversores de freqüência” (chamados assim porque variam a freqüência da rede elétrica e
com isso variam a velocidade dos motores de indução industriais) apareceram em escala comercial
em 1992 no Brasil. Naquele tempo, um inversor de freqüência de 3CV custava US$ 5,000. Hoje esta
tecnologia também está em ótimo estado de desenvolvimento e pronta para utilização nos veículos
elétricos. Similarmente aos motores elétricos, o desenvolvimento especifico de controladores para
utilização em VE´s está hoje limitado há alguns poucos fabricantes e estes se aproveitam desta
característica e a utilizam para que os preços também sejam superiores aos similares no mercado
industrial.
QUADRO COMPARATIVO – INVERSOR DE FREQUENCIA DE POTÊNCIA DE 30CV
CARACTERÍSTICA INVERSOR INDUSTRIAL INVERSOR ESPECIFICO PARA VE
PREÇO US$ 1,200 US$ 7,000
FABRICANTES NO MUNDO
MAIS DE 300 MENOS DE 10
Tabela 1 – Inversores de Freqüência
_____________ 1PROJETO ITAIPU: Projeto encabeçado pela hidrelétrica binacional ITAIPU, local com a maior linha de desenvolvimento
do VE no Brasil. Maiores informações no item 3.2 deste estudo.
Foto 2 – Motor elétrico para
VE:Fonte Tesla Motors
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No Brasil não se tem notícia sobre inversores de freqüência de fabricação nacional. A grande
quantidade de fabricantes deste tipo de equipamento no mundo e a concorrência existente implicam
em preços baixos, inviabilizando o desenvolvimento local. Vale ressaltar o baixo grau de
desenvolvimento de produtos eletrônicos em geral no Brasil .- fator comum que dificulta o
desenvolvimento não somente deste produto, mas de toda uma cadeia produtiva.
2.3.3 RESUMO:
Os motores elétricos e os controladores de velocidade já estão com alto nível tecnológico. O que
vemos no mercado de VE´s hoje é a busca incessante pela eficiência na utilização da energia.
Vislumbramos no caso dos motores elétricos a utilização de motores do tipo imã permanente
(mesmo com custo maior é o que oferece conceitualmente a menor perda elétrica). Uma outra linha
de estudo na aplicação de motores elétricos para VE´s
são os chamados “HUB Motor” que são motores
conjugados diretamente no cubo da roda. Com estes
motores, podemos eliminar a transmissão e o
diferencial do veículo, uma vez que a relação entre o
motor e a roda para esta aplicação é de 1:1. O veículo
pode então ter dois ou quatro motores. Esta é a
tecnologia mais recente e comercialmente ainda não
há aplicação deste produto. Uma variação deste
produto é a conjunção desta tecnologia com uma
suspensão ativa para o veículo, formando um
conjunto. Também existem estudos aonde o controlador de velocidade participa do HUB. As
empresas que estão trabalhando neste tipo de aplicação hoje são a Bosch-Siemens, Michelin, a
PML (UK) e pequenas empresas chinesas que ofertam este tipo de produto para scooters elétricas e
E-bikes.
Os inversores estão com seu desenvolvimento voltado para as necessidades específicas de um
veículo elétrico: controle de torque, frenagem regenerativa, parâmetros de ajuste e ampliação da
faixa de tensão de trabalho. Melhorias no firmware e aumento de produtos específicos para este tipo
de aplicação levarão para a baixa do preço deste componente para os próximos anos, exatamente
como aconteceu nos inversores de freqüência industriais.
Foto 3 – HUB motor em corte - Volvo
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3. MERCADO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS.
O mercado de veículos elétricos no mundo sofreu um impacto no seu desenvolvimento e no
lançamento de alguns modelos. Mesmo assim a orientação do Governo dos EUA em reduzir a
dependência de petróleo estrangeiro no seu mercado, deve atenuar o impacto inicial. Hoje em dia
vemos que as grandes montadoras automobilísticas começando a vislumbrar este futuro. Porém a
mudança de conceito na utilização deste veículo possui não somente um cunho de mudança
tecnológica, aonde o processo produtivo é muito afetado: não há mais necessidade de troca de
lubrificantes, não há sistemas de exaustão, muitos acessórios como correias, velas, filtros não são
mais necessários. Há também a mudança de aspecto social na aplicabilidade do veículo. Acredita-
se que os veículos puramente elétricos por terem uma autonomia mais reduzida em relação aos
veículos à combustão interna vão modificar como o consumidor vê seu meio de transporte. A
sociedade não mais dá tanto interesse aos veículos de mais de 2 toneladas de peso para transportar
pessoas de 80kg. A preocupação com o meio ambiente, na emissão de poluentes e a atitude de
atender o bom senso da real necessidade do dia a dia do transporte, pode levar sim a uma mudança
de cultura do homem da nova era do conhecimento, como vem sendo chamado.
Ressaltamos que mesmo com a necessidade de aumento de disponibilidade de energia elétrica, a
geração com combustíveis fósseis ainda é mais eficiente, como podemos ilustrar abaixo:
Figura 2 – Comparação utilização do barril de petróleo para tração elétrica – Fonte: Traduzido do congresso EVS23.