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Veículos Elétricos (HIST046)

Este artigo escrito em 1986 tem um valor histórico muito grande. Ele resultou da nossa visita a Gurgel onde conversamos muito com João Conrado do Amaral Gurgel que procurava desenvolver um veículo elétrico eficiente. O resultado foi o Itaipú que fez certo sucesso na época, mas não se tornou popular justamente pelas dificuldades de se obter baterias leves, compactas e eficientes, o que somente agora em nossos dias (2015) começa a ocorrer. Vale como história.

Uma das formas de energia que maior dificuldade apresenta no armazenamento é a elétrica. Esta dificuldade é um dos principais impedimentos a um progresso maior na obtenção de veículos elétricos realmente funcionais. Veia neste artigo como funcionam os veículos elétricos, como a energia elétrica é armazenada, e em que estado se encontra seu desenvolvimento em nosso país.

 

Veículo elétrico Itaipu
Veículo elétrico Itaipu

 

Uma das principais dificuldades que a energia elétrica merece aos seus usuários é que uma vez gerada, tem de ser consumida imediatamente.

Não existem meios realmente eficientes de fazer seu armazenamento em grande quantidade.

Por este motivo, os veículos elétricos, que podem ser considerados realmente funcionais, devem fazer uso de ligações diretas com as usinas de onde recebem energia, caso dos trólebus e trens, além do metrô.

Entretanto, a eletricidade é uma forma de energia barata em relação a outras, além de não ser poluente e de permitir a fabricação de veículos muito silenciosos.

Em nosso país, em especial, que.possui um dos maiores potenciais hidroelétricos do mundo, o desenvolvimento de carros e outros veículos propulsionados por esta forma de energia é uma alternativa que merece ser estudada com o máximo de carinho.

Em recente visita que fizemos à Gurgel, em Rio Claro, tivemos oportunidade de tomar contato com o primeiro veículo de propulsão elétrica comercial, o Itaipu, quando também verificamos todas as dificuldades encontradas no desenvolvimento de um projeto deste tipo, dificuldades tanto de ordem técnica como política.

O Itaipu é uma realidade, mas ainda está um pouco longe de ser um veículo elétrico ideal.

Acreditamos que, acompanhando a evolução das técnicas de armazenamento e propulsão elétrica mundial, o nosso carro elétrico, em breve, poderá chegar a um estágio que o leve a uma competitividade real com os carros que utilizam outros meios de propulsão.

Como nossa revista é uma revista técnica de eletrônica, neste artigo nos deteremos aos principalmente ligados ao armazenamento de energia, deixando os problemas de outra ordem para órgãos e meios correspondentes.

 

1. O problema do armazenamento de energia

Conforme dissemos na introdução, o principal problema enfrentado pelos projetistas de veículos elétricos é o armazenamento da energia.

Apesar de que desde 1950 tenha se conseguido um aumento da ordem de 25% na capacidade de armazenamento dos acumuladores de chumbo-ácido, ainda estamos longe de chegar ao máximo.

Na verdade, a quantidade de energia que podemos guardar num dispositivo deste tipo ainda está muito longe do ideal.

Entra em jogo um fator chamado densidade de energia que expressa quanto, por unidade de volume ou peso, podemos armazenar de energia num acumulador.

A densidade de energia é expressa em quilograma ou litro por quilowatt-hora (1/kWh) ou (kg/kWh).

Também podemos expressar a energia armazenada na forma de um volume de energia específico, cuja unidade é o kWh/l ou Wh/l (quilowatt-hora por litro ou watt-hora por litro).

Se considerarmos que um acumulador comum tem um volume específico de energia de 30 Wh/l, para uma base de carga de 5 horas, podemos facilmente chegar ao tamanho do acumulador necessário para a propulsão de um veículo convencional.

Como uma potência razoável seria de10 kW, que daria um equivalente mecânico de aproximadamente 13 HP, para obtermos isso é preciso, para uma hora de autonomia, nada mais nada menos, do que um acumulador de 330 kg, o que é razoável.

Os acumuladores chumbo-ácido não são os melhores no que se refere à capacidade de armazenamento, mas apresentam vantagens que fazem do seu uso atualmente o único recomendado.

De fato, além de mais baratos, são menos perigosos (não fazem uso de materiais tóxicos ou explosivos) e além disso sua manutenção e carga é bastante simples.

 

Obs. Atualmente temos tipos de muito maior densidade de energia e menor custo, sendo usados nos modernos veículos elétricos;

 

Futuramente, outras fontes de energia acumulada podem talvez se tornar melhores, mas como esta é a que no momento está mais difundida, é por ela que começamos nossas explicações.

 

2. Acumuladores chumbo-ácido

Estes acumuladores são exatamente do mesmo tipo que os encontrados em seu carro, denominados popularmente “bateria".

Na verdade, eles constituem-se numa bateria de 6 acumuladores de 2,1 volts, aproximadamente,(par de placas) o que dá uma tensão de 12 Volts ou pouco mais.

Neste tipo de acumulador, as placas são de chumbo e o eletrólito é uma solução de ácido sulfúrico. (figura 1)

 

Figura 1 – O acumulador chumbo-ácido
Figura 1 – O acumulador chumbo-ácido

 

Como num veículo elétrico as condições de operação de um acumulador deste tipo são bem diferentes das encontradas nos automóveis convencionais, sua construção segue padrões diferentes.

A carga relativamente rápida e a descarga sob regime de correntes intensas, normalmente correntes em torno do limite da capacidade, são responsáveis por contrações e dilatações violentas dos eletrodos

Formatos especiais devem ser planejados para que não ocorram rachaduras, trincamentos ou então dobras que podem levar a curto-circuitos.

O peso da bateria deve ser reduzido ao máximo, pois o conjunto em geral vai ser uma parcela importante do peso total do veículo.

Recipientes de polipropileno de paredes bastante finas, e eletrodos que já possuem na mesma peça o terminal de ligação proporcionam sensível economia de peso.

Na Europa já existem veículos urbanos que utilizam este tipo de bateria operando com motores de 144 V e 360 V, o que corresponde ao uso de 72 e 180 elementos de 2 V conectados em série.

Esses conjuntos de bateria pesam entre 800 e 4.000 kg conforme a autonomia desejada e também a potência.

A energia acumulada nesses casos fica entre 20 kWh para pequenos veículos, até 100 kWh para ônibus ou veículos de carga

O raio de ação com essas baterias é da ordem de 60 a 100 km o que significa uma operação em região urbana normal.

Mais adiante falaremos das características do Itaipu (Gurgel) que é o nosso veículo elétrico, dedicando todo um item a e!e.

Na figura 2 damos uma curva característica de descarga de um acumulador para veículo Varta com 180 elementos.

 

   Figura 2 – Curva de acumulador Varta
Figura 2 – Curva de acumulador Varta

 

Observe que é muito importante que os elementos de um acumulador tenham uma qualidade excepcional.

A uniformidade é muito importante na carga e descarga. pois qualquer diferença manifestada por um simples eletrodo pode causar deformações ou descargas irregulares que reduzem consideravelmente a vida útil da bateria.

Espera-se normalmente que uma bateria para veículo de propulsão elétrica admita pelo menos 1500 ciclos de carga e descarga (Informação Varta).

 

3. Limites de capacidade de armazenamento

A energia que pode ser liberada na reação que ocorre num acumulador chumbo-ácido está limitada pela entalpia que envolve os elementos desta reação.

Não se pode converter toda energia disponível em eletricidade, já que sempre se perde parte em calor.

A tabe!a 1 mostra o que ocorre com as reações e as energias envolvidas.

 


 

 

 

Pela tabela observa-se que, para uma massa ativa total de 64254g, a energia disponível que se pode obter é de 88,9 kcal.

Isso leva a um peso de energia específico de 161Wh/kg.

Entretanto, a realização desse sistema envolve elementos adicionais, pois as matérias puras não podem ser usadas.

Assim, o ácido sulfúrico precisa estar diluído, com uma densidade de 1,269/cm3,ácido que é consumido durante a descarga.

No final do processo de descarga a densidade cai para 1,109/cm3.

Estima-se que a quantidade de ácido necessária para cada ampère-hora é da ordem de 13,2 g, e não somente 4,2 g como estabelecido teoricamente em vista da diluição.

Para a montagem das massas ativas são necessários suportes que na prática pesam tanto como as próprias massas

Existem ainda os elementos construtivos que influem bastante no peso final como os isoladores, os separadores de placas e a própria caixa que aloja o conjunto.

O resultado final é uma densidade de energia bem abaixo do limite máximo teórico obtido.

O valor máximo que se pode obter teoricamente para um acumulador chumbo-ácido está em torno de 47,5Wh/kg.

Os valores máximos que foram alcançados até agora estão em torno de 35 wh/kg (para descargas de 20 horas) ou de 30 Wh/kg (para descargas de 5 horas).

 

4. Outras fontes de energia

O limite máximo teórico que pode fornecer de energia um acumulador chumbo-ácido leva à necessidade de se pesquisar novas formas de armazenamento de energia, que podem ser mais eficientes.

Esta pesquisa já permite a construção de acumuladores e mesmo outras fontes de energia elétrica muito mais eficientes no que se refere à densidade de energia, no entanto ainda impossibilitadas de ter uso comercial por outros motivos como por exemplo o custo, a segurança e a própria dificuldade de manutenção.

Analisemos alguns outros tipos interessantes de acumuladores e outras fontes de energia elétrica para veículos.

 

a) Acumulador de lítio

Na figura temos em corte um acumulador de lítio desenvolvido pela GM em 1966. (figura 3)

 

Figura 3 – Acumulador de lítio
Figura 3 – Acumulador de lítio

 

Os eletrólitos destes acumuladores podem ser tanto do tipo orgânico, como formado por sais fundidos.

A utilização prática deste tipo de elemento está limitada a dois fatores: o elevado custo do lítio e as dificuldades técnicas que envolvem a operação em alta temperatura.

De fato, o eletrólito opera em temperaturas compreendidas entre 600 e 800°C.

 

b) Acumuladores sódio-enxofre

Na figura 4 mostramos a estrutura básica de um acumulador deste tipo.

 

   Figura 4 – Acumulador de sódio-enxofre
Figura 4 – Acumulador de sódio-enxofre

 

Neste sistema, um intercambiador de íons cerâmico, com uma espessura de aproximadamente 2mm opera a uma temperatura de uns 300°C.

Ocorre então uma reação que envolve sódio e enxofre; inicialmente como:

2Na + S = 2NaS2

Entretanto, o sulfeto de sódio não é condutor.

A reação continua então até a formação do NaS3, que é condutor e pode liberar de 680 a 1300 Wh/kg.

A principal dificuldade técnica que encontra esta bateria para poder ser usada em grande escala é o perigo que representa a utilização do sódio metálico no estado líquido.

A presença de água, mesmo que em pequena quantidade, em contato com este elemento é responsável por violentas reações.

 

c) Acumuladores zinco-prata

Este é um tipo de bateria bem mais seguro e que apresenta já a possibilidade de um uso mais amplo, se não fosse o alto preço do elemento básico usado, e a quantidade necessária para se obter uma potência razoável.

Além de um preço de aproximadamente 12 vezes o da equivalente chumbo-ácido, e uma duração 15 vezes menor, seriam necessárias quantidades enormes de um elemento raro como a prata para se colocar na rua uma frota de veículos de propulsão elétrica.

 

d) Acumuladores zinco-ar

De todos este é o tipo de acumulador que apresenta as melhores perspectivas para o futuro, sendo amplamente estudado por empresas como a Ford e GM (1986).

As principais vantagens que este tipo de acumulador apresenta são: o custo relativamente baixo dos materiais envolvidos; o peso do zinco (muito menor que o do chumbo); e uma boa densidade de energia.

Sua construção simplificada é mostrada na figura 5

 

Figura 5 – Acumulador zinco-ar
Figura 5 – Acumulador zinco-ar

 

A única dificuldade que ele apresenta é a impossibilidade de se fazer a troca de eletrodos em caso de necessidade, sendo mais simples trocar a bateria avariada por outra nova.

Na tabela abaixo damos dados comparativos dos diversos tipos de acumuladores.

 


 

 

 

5. Células a combustível

Eis um meio de produção de energia elétrica que não se constitui propriamente num acumulador nem numa pilha.

Numa célula a combustível substâncias químicas (um combustível e um comburente) são injetadas num elemento especial.

A reação que então ocorre, em lugar de liberar energia mecânica (como num motor a combustão intera na), energia térmica (como num forno), libera energia elétrica que então pode ser usada para alimentar um motor.

Um tipo de célula a combustível, que já se encontra num estágio de desenvolvimento suficientemente avançado para encontrar aplicações simples, é a de hidrogênio.

Nesta o gás hidrogênio é injetado num elemento que possui como eletrólito o potássio.

Ao combinar-se com o oxigênio, produzindo água ocorre a liberação de energia elétrica.

Obs. No site existe um artigo que trata das versões mais modernas deste tipo de célula. (ART933 e ART754)

 

Não é preciso falar das vantagens deste tipo de Células se considerarmos, por exemplo, que o produto da combustão é a água quimicamente pura, e que é um produto que não polui de modo algum!

Este tipo de célula já tem sido usado com êxito na alimentação de naves espaciais como a Gemini e a Apolo.

 

6. O carro elétrico no Brasil

A existência de um carro de propulsão elétrica no Brasil deve-se, antes de tudo, ao pioneirismo da Gurgel que, partindo de um modelo inicial, atualmente tem no seu ltaipu E-500 um retrato fiel do grau de desenvolvimento deste tipo de propulsão.

O Itaipu E-500 é alimentado por 8 unidades 12 Volts, cada uma de chumbo-ácido com duração de 800 ciclos aproximadamente.

Estas unidades que fornecem uma tensão de 96 volts alimentam um motor de 10 kw em regime de 3 000 rpm.

 


 

 

Este conjunto confere ao veículo uma auto nomia de 80 km e permite uma velocidade máxima de 70 km/h.

Para que os leitores tenham uma ideia do que representa em termos de gasto, para comparação com outros tipos de combustível, o ltaipu E-500 tem um consumo de 0,3 kWh/km.

Na parte de controle não existem recursos eletrônicos, visando-se com isso a maior facilidade possível de manutenção, além da máxima economia com vistas ao preço do veículo.

A transmissão usa embreagem monodisco a seco de acionamento mecânico, caixa de quatro velocidades sincronizadas e com alavanca no assoalho.

A transmissão dianteira usa barras de torção em feixe, com amortecedores telescópicos com barra estabilizadora.

A transmissão traseira também é independente, com semi-eixos articulados, molas helicoidais, braços tensores longitudinais, cintas limitadoras, e amortecedores hidráulico-telescópicos..

O veículo pesa 1.600kg e leva uma carga útil de 500 kg.

Na Gurgel, em Rio Claro, tivemos oportunidade de andar num veículo elétrico, que logo na saída demonstra toda a suavidade e silêncio que são suas principais características.

A ausência de ruído, de poluição e a própria suavidade da marcha, revelam que certamente, no futuro, este será o tipo de propulsão que predominará.

Naturalmente, pelo que expusemos, a maior dificuldade do momento é o armazenamento da energia, mas certamente com o advento de novos tipos de acumuladores, de alta densidade de energia e baixo custo, este problema será superado.

O pioneirismo da Gurgel, com apoio das esferas competentes, certamente dará sua contribuição a este tipo de propulsão, eliminando assim a necessidade de importação de tecnologia ou mesmo dos elementos que permitam a industrialização de veículos elétricos.

 

 

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