terça-feira, 22 de dezembro de 2009

COP 15 - Tudo certo. Nada combinado

Muitas pessoas se perguntam qual a causa do fracasso das negociações na COP 15. Alguns tinham esperança de que a urgência da situação motivasse os líderes mundiais a ação. Não foi bem isso o que aconteceu. Na verdade, ficou a impressão de que enquanto o nível do mar não chegar ao segundo andar do "Empire States", nada será feito a respeito. Estão todos pensando em seus próprios problemas, sem considerar que o problema de um é o problema de todos. É curioso notar que o único acordo firmado foi um acordo financeiro, ainda que irrisório. É como se achassem que pode-se pagar para se livrar dos problemas do clima. Gostaria de falar sobre duas possíveis causas para o fracasso das negociações:

1. Egoismo - Como  já diz o velho ditado: "Farinha pouca, meu pirão primeiro". Esta parece ter sido a tônica das negociações. Ninguém queria abrir mão do "direito" de poluir, como se poluição e desenvolvimento estivessem indissociavelmente ligados. A maioria não consegue compreender que aqueles que conseguirem um desenvolvimento sustentável a partir de um novo paradigma que não envolva degradação ambiental obterá uma vantagem competitiva dificil de se alcançar. Não entendem também que de nada adianta ser rei de uma terra arrasada.

2. Inversão das prioridades - Fiquei impressionado com a ênfase que foi dada em estabelecer limites para emissão de carbono. E não vi ser mencionada nenhuma ação concreta para se atingir essas metas. É como se alguem quisesse construir uma casa começando pelo telhado. Além  do que, as emissões de carbono não são o único problema ambiental e não são a única causa do aquecimento. Ações objetivas como mudança na matriz energética, reflorestamento, reciclagem do lixo e mudança de padrões de consumo mal foram mencionados.

Fica a sensação que perdeu-se o bonde da oportunidade.

terça-feira, 15 de dezembro de 2009

COP-15 e o sexo dos anjos

Acredito que a ficha não caiu ainda para muita gente. Acabei de ver um comentário em uma notícia publicada pelo Terra afirmando ser o aquecimento global uma "fraude". Não consigo imaginar quem sairia ganhando com uma fraude como essas, mas talvez eu não seja tão imaginativo assim. Mas o fato é que o aquecimento global já é inegável há mais de 30 anos. E é inegável há mais de 20 que uma parte importante deste aquecimento tem origem na atividade humana (leia-se desmatamento e queima de combustíveis fósseis). Não faz o menor sentido discutir quanto desse aquecimento é por nossa causa. As pessoas não percebem que um pequeno aquecimento global por causas naturais e completamente inócuo, somado a outro pequeno aquecimento por causa humana, causa um grande aquecimento de proporções catastróficas. As pessoas não compreendem que estamos sendo forçados a nos deslocar para um novo estado climático que não pode ser facilmente revertido. Não entendem que reduzir as emissões de carbono em 15, 30 ou 50 % das emissões de 1990 pode ser completamente inócuo para evitar a mudança que já está em curso. E para piorar, preocupa-se demais em taxas de redução, mas não vejo se falar em ações concretas para efetivá-las. Ou a imprensa não dá importância aos métodos, apenas aos números. Pouco ou nada se fala em alterar hábitos, matriz energética ou modelo econômico. Pouco se faz para esclarecer de fato o que está acontecendo. Quase não vejo menção ao fato de que um dos primeiros efeitos do aquecimento global é justamente um resfriamento global, causado pelos bilhões de toneladas de gelo e água gelada que estão sendo lançados no oceano nesse instante. Estão mais preocupados com a inundação de Nova York, Veneza ou Londres do que com a redistribuição do regime de chuvas e a possível consequente savanização da Amazônia. E ninguém se lembra de que, ao contrário do que afirmava Adam Smith, a riqueza não pode ser gerada, tem que ser extraida. É invariavelmente é extraida do ambiente. Mais do que metas de redução de carbono, precisamos nos preparar para uma retirada sustentável. Precisamos de ações concretas para reverter o estrago que fizemos. E essas ações passam pela tecnologia. Ninguém pense que é possível fazer os 6 bilhões de pessoas que vivem hoje possam voltar a um estilo de vida do século XIII. Isso pioraria muito o estrago. Precisamos agora usar a energia e os recursos materiais de maneira mais responsável. Isso é feito gerando menos lixo, reciclando materiais e evitando o desperdício. Desperdício de alimentos, roupas, material de escritório, combustíveis, bens de consumo, automóveis. Mas para isso, é necessário mudar a maneira como tudo isso é produzido e comercializado. O mercado não pode ser movido pelo lucro, mas para o bem comum. Não sou contra o lucro, mas contra o lucro a qualquer custo. Lucro sem responsabilidade é prejuizo, porque alguém vai ter que pagar a conta. Mais cedo ou mais tarde.

Tenho a impressão que estamos perdendo muito tempo discutindo sobre o sexo dos anjos. Está na hora de acabarmos com a ações tímidas e passar para as resolutas. Se quisermos de fato salvar o planeta, a produção de ítens dispensáveis ou danosos, como armamentos, deve cessar imediatamente. O esforço científico e industrial precisa ser todo canalizado para a guerra contra o aquecimento global, que tem potencial para fazer muito mais vítimas do que a Segunda Guerra Mundial. Se a verba e os cérebros destinados às pesquisas militares fossem canalizados para o desenvolvimento de veículos e plantas industriais limpas, poderia ser feito em apenas um ano o que não foi feito em 20.

Estou cansado de ver pessoas ignorantes e egoistas falarem em "fraude do aquecimento global". Se existe fraude é no sentido de ocultar o que de fato está acontecendo. De ocultar o que de fato precisa ser feito por cada um de nós.

Site oficial do COP 15

quinta-feira, 19 de novembro de 2009

Veículos elétricos - o custo da mudança de paradigma


É desnecessário lembrar que eu sou um defensor ardoroso dos veículos elétricos. Sua elevada eficiência energética compensam todas as demais limitações. No entanto, tenho plena consciência de que esta não será uma mudança indolor, como não o é nenhuma grande mudança de paradigma. Vou ilustrar meu ponto de vista com uma história que eu não sei se é verdadeira, mas é muito didática.

O relógio de pulso a quartzo, que hoje é o padrão no mercado, foi inventado por um relojoeiro suiço chamado Max Hetzel. Na época, foi uma inovação gigantesca, pois permitia fabricar relógios dezenas de vezes mais precisos. No entanto, os fabricantes de relógios suiços não mostraram grande interesse. Diz a lenda que um deles chegou a dizer a Hetzel que um relógio que não tem corda e balanço não é um relógio. Pouco tempo depois, o relógio a quartzo de Hetzel começo a ser fabricado nos Estados Unidos e em seguida no Japão. Eram relógios mais precisos e muito mais baratos do que os tradicionais relógios mecânicos suiços. A consequência foi a quase falência da indústria relojoeira suiça, o que a levou a se adaptar ao novo paradigma, não depois de perder sua hegemonia no mercado. Hoje os relojoeiros suiços concentram-se no restritíssimo mercado de alto luxo, com marcas como Rolex e Breitling. Muito mais joalheria do que relojoaria.

Estamos prestes a testemunhar uma mudança de paradigma semelhante no mercado automotivo. Dominado por quase 100 anos pelos fabricantes americanos, este mercado está prestes a dar uma guinada gigantesca devido a inevitável mudança representada pelos veículos elétricos. Digo inevitável porque em pouco tempo, os veículos à combustão interna não serão mais capazes de  atender à legislação de emissões já prevista, ou mesmo em vigor em alguns locais. Além disso, a tendência de alta no preço do petróleo pressionará para um uso mais eficiente da energia. Não é mais uma questão de se, mas de quando. E como. E devido a essa iminente mudança de paradigma, diversos setores da economia terão que se adaptar rapidamente, ou serão extintos. Abaixo enumero alguns que sofrerão mais impacto:

1. Indústria automotiva

Os fabricantes de veículos e de autopeças terão que se adaptar mais rapidamente. A pressão por novos veículos elétricos que se equiparem em desempenho e autonomia poderá fazer com que muitos desses fabricates saiam do mercado ou sejam obrigados a se unir a outros fabricantes, a exemplo do que já ocorreu entre a Crysler e a Fiat. Além disso, pressões ambientais obrigarão a esses fabricantes a produzir automóveis mais duráveis e que requeiram menos manutenção.

2. Postos de combustível


O destino destes depende essencialmente do modelo energético adotado para alimentar os VE's. Se a opção for pelo hidrogênio (o que pode demorar bastante, pois esta tecnologia ainda não está madura), não muda muita coisa. Será necessário apenas uma mudança no equipamento de abastecimento, que provavelmente será muito parecido com o usado hoje para o GNV. No entanto, mesmo esta mudança implicará em custos e provavelmente durante algum tempo os sistemas atuais de abastecimento de gasolina, álcool e diesel terão que ser mantidos. Caso a opção seja pelas células de combustível a álcool, ou adote-se o modelo híbrido, a mudança será mínima. O impacto certamente será maior caso a opção seja pelos elétricos puros. A maioria das pessoas irá preferir abastecer em suas próprias casas durante a noite. Também estão sendo previstos carregadores em estacionamentos, que seriam semelhantes a parquimetros. Restaria aos postos a oferta de carga rápida, para aqueles que usarem intensivamente VE's em ambiente urbano ou para os "esquecidinhos" que não fizeram a sua carga noturna. Uma oportunidade pode surgir nas rodovias, pois em um primeiro momento, a distância entre postos de abastecimento terá que ser menor do que hoje em dia, abrindo espaço para pequenos negócios de recarga. Finalmente, caso seja adotado o modelo de troca de baterias, como fizeram Israel e Portugal, os postos ainda podem ter o seu lugar garantido no mercado. De uma maneira ou de outra, eles terão que se adaptar. provavelmente terão que diversificar os seus serviços, tendência que já começa a se observar.

3. Empresas de Geração, Transmissão e Distribuição de eletricidade


Atualmente, estas empresas são, por razões óbvias, os principais promotores dos veículos elétricos. Mas mesmo estes terão que se adaptar ao novo modelo. Primeiro porque talvez seja necessário mudar a maneira como a energia é gerada. Usinas termoelétricas terão que ser repensadas. Uma idéia é o aproveitamento do lixo doméstico como combustível. Além disso, a eficiência dos sistemas termoelétricos terá que aumentar muito, tanto para reduzir as emissões de carbono como para aumentar a disponibilidade de energia na rede. Outras formas de geração mais sustentáveis, como a eólica e a solar terão que ser adotadas. Embora muitos não gostem (e eu  particularmente incomodado com a idéia), a presença da energia nuclear será maior. As linhas de transmissão e distribuição também terão que ser revistas, com a utilização de mais sistemas automáticos e mais redundância e descentralização (necessidade que ficou muito clara após o recente apagão ocorrido este mês).

4. Governos e Legislativos

Toda a nossa legislação automotiva foi construida pressupondo veículos a combustão. Inclusive a parte referente a regulamentações e a legislação tributária. Tudo isso precisa ser revisto com urgência. Sem isso, o Brasil particularmente corre o risco de andar na contramão da história. De novo.

5. Indústria do Petróleo


Sem dúvida, é sobre este segmento que incidirá o impacto maior. A adoção imediata dos VE's representaria uma redução drástica no consumo de petróleo. Mas mesmo esta indústria pode ser beneficiada com esta mudança, caso esteja disposta a mudar o seu próprio paradigma, de indústria de energia para indústria de matéria prima. O petróleo é um material riquíssimo, do qual se extraem plásticos, pigmentos, solventes, fibras, lubrificantes, fertilizantes e muitos outros materiais. Queimar o raro e precioso petróleo é um verdadeiro crime. O petróleo deveria ser integralmente reservado paraa produção dessas matérias primas. A nova indústria dos semicondutores orgânicos, que utilizam carbono no lugar do silício, certamente será uma grande consumidora de insumos oriundos do petróleo. Células solares e LEDs orgânicos podem representar o novo mercado da indústria petrolífera, o que ajudaria a aumentar a parcela de geração de energia sustentável e reduzir o consumo mundial de energia. Talvez seja este o foco correto para o pré-sal brasileiro.

6. O Motorista


Tudo o que foi dito é inútil sem o motorista. E é ele o alvo da maior mudança de paradigma. Ele terá  que repensar a maneira como escolhe, compra, dirige e mantém seu automóvel. Verdades absolutas no mundo automotivo serão derrubadas. Cuidados antes essenciais passam a ser desnecessários, enquanto outros cuidados (com as baterias, por exemplo) passam a ser cruciais. Isto será impossível sem uma ampla campanha de informação pública. E esta será impossível sem a participação de todas as entidades envolvidas.

Para saber mais:

Breitling
Paradigma na Wikipédia
Semicondutores orgânicos no Brasil

segunda-feira, 16 de novembro de 2009

Veículo Elétrico Livre????



Este é um tema delicado. O que se segue é principalmente opinião pessoal, mas acredito que meus argumentos são razoáveis. Mencionei certa vez no grupo de veículos elétricos a idéia de um projeto livre. As reações foram as mais diversas, desde o apoio irrestrito até a oposição enfurecida. Acredito que este tipo de reação pode ser consequência de uma compreensão inapropriada do que seja um projeto livre, ou aberto. O termo "open source" (fonte aberta ou código aberto) normalmente é usado em associação a projetos livres. Tenho alguma experiência com o software livre, não como desenvolvedor mas como usuário e divulgador. Quando se fala em código aberto, a primeira coisa que normalmente nos vem à mente é o Linux. Isso devido ao sucesso que este sistema operacional alcançou no mercado. Parte deste sucesso deve-se ao fato de o Linux normalmente ser distribuido livremente, o que tem feito as pessoas confundirem software "livre" com software "gratis". Para piorar as coisas, o termo em inglês tanto para "gratis" como para "livre" é "free", o que ajudou um pouco a aumentar a confusão. Na verdade, é possível desenvolver um software livre e cobrar por ele. É o que faz por exemplo a RedHat ou a Novell. A diferença encontra-se no modelo como é feita essa cobrança. No modelo de software proprietário, o software nunca é transferido para a pessoa que o compra. Na verdade, o que é comercializado é uma licença de uso. É como se você fosse até uma loja e comprasse uma geladeira, mas a mesma continuasse propriedade do fabricante. Este poderia inclusive determinar que tipo de alimentos você pode ou não guardar na geladeira. Afinal, a geladeira não é sua. Parece absurdo? Mas é exatamente o que acontece hoje no mundo do software. E começa a surgir uma tendência de aplicar este princípio em outras áreas. Eu não gostaria que um fabricante de carros pudesse interferir sobre os locais eu posso ir com meu carro. Ou em que postos eu devo abastecê-lo.

Eu posso usar o meu carro para ir para onde eu quiser. Inclusive para aqueles locais para os quais o carro não foi projetado. Por conta e risco meus, é claro. Mas se eu precisar de manutenção, vou precisar que o fabricante me forneça peças de reposição e mão de obra especializada. Se eu quiser fazer o serviço eu mesmo e pedir ao fabricante informações técnicas sobre o carro, certamente terei problemas. Os fabricantes restringem esta informação para a sua própria rede de concessionárias. Quando eu levo meu carro a um mecânico que não é da concessionária, ou que nunca tenha trabalhado para uma, estou correndo um grande risco. E quanto mais moderno e "eletrônico" é o carro, maior o risco.

Vamos voltar para o Linux. Ele é um software "aberto", o que significa que o conjunto de instruções que compõem o seu código é de livre consulta e alteração. Se houver alguma característica de Linux que não me agradar ou que não atender as minhas necessidades, eu sou livre para alterar este código, desde que, é claro. eu tenha competência técnica para isso. Este tipo de alteração é simplesmente impossível em um software proprietário como o Windows. Isso porque o acesso ao código fonte é restrito (ou em outras palavras, proibido) e também porque o contrato de licença não o permite. Mas você pode pensar: "Tudo bem, eu estou pagando e esses caras vão cuidar para que tudo funcione bem". Infelizmente não é bem assim que as coisas funcionam. Vamos supor  que um usuário de Windows identifique um bug ou uma falha de segurança. Supondo-se que este usuário possua uma cópia legalizada de Windows (e nós sabemos que nem senpre as coisas são assim), ele entrará em contato com a Microsoft informando a natureza da falha encontrada e de que maneira ela está prejudicando a sua "experiência" com o Windows. Esse usuário pode ficar tranqulo, porque dentro de uns 6 meses, a Microsoft fornecerá uma atualização que corrige esta falha. Parece bacana, não? Mas no mundo Linux, em geral a pessoa que reporta o bug já propôe também a correção para o mesmo. E quando não propõe, outro desenvolvedor o faz em até 24 horas. O comitê do Linux avalia esta correção rapidamente e se for considerada eficaz e segura, ela fará parte da próxima atualização do kernel. Tudo isso é possivel por causa do trabalho comunitário, feito sem preocupação financeira ou sobre direitos autorais, mas com o único objetivo de manter o sistema operacional estavel e seguro. Outros softwares livres seguem processos semelhantes. O que podemos concluir desta experiência real é que não é a busca pelo lucro que promove o desenvolvimento, mas o trabalho da comunidade visando o bem comum. O mais curioso é que esta abordagem dá lucro, pois todos os que usam o sistema operacional profissionalmente podem contar com um produto de qualidade, e portanto podem oferecer um serviço de qualidade. Empresas gigantes com a IBM, Novell e SUN apoiam e usam o software livre.

Não quero que acreditem que eu defendo uma posição extremista com relação ao software livre. Reconheço que em alguns contextos, o uso de software proprietário pode ter algumas conveniências. Mas acredito que todos os nichos de mercado podem se beneficiar da abordagem livre. Inclusive aquelas não diretamente ligadas ao software, como projetos de engenharia. O caso dos veículos elétricos é emblemático.

Uma vez que ficou claro que veículo elétrico "livre" não é veiculo elétrico "gratis", descreverei por que acredito no conceito livre neste caso:

1. Exceto em casos raríssimos, os componentes de um veículo elétrico (ou de qualquer outro veículo) não estão sujeitos a patentes de invenção, apenas patentes de desenho industrial. Em outras palavras, os proncípios básicos de um veículo elétrico já são livres.

2. Como grande crescimento da comunidade de entusuastas de veículos elétricos, está surgindo um grupo de especialistas autodidatas, num processo semelhante ao que aconteceu com os microcomputadores no final dos anos 70 e início dos 80. Isso acontece porque não existem (por razões óbvias) cursos de formação de construtores de veículos elétricos. Estes especialistas tem mais condições de contribuir com um projeto viável do que os profissionais hoje na indústria, pois estes muitas vezes ainda estão presos ao paradigma dos motores a combustão.

3. Em virtude da situação de urgência em que se encontra a Terra quanto a necessidade de redução drástica nas emisões de carbono, é imprescindível apressar o desenvolvimento de um projeto de carro elétrico viável, seguro e que represente um padrão de mercado e um consenso. Não acredito que no atual modelo, com as montadoras competindo entre sí, sem compartilhar informação e presas ao paradigma do petróleo, esta meta possa ser atingida.

4. Um modelo de desenvolvimento livre permite que empresas menores entrem no mercado automotivo como fabricantes em igualdade de condições, pelo menos no que se refere a tecnologia. Às vezes me pergunto por que não existe nenhum fabricante de automóveis nacional, ja que a China e a Coreia possuem vários? Nas terras tupiniquins, a única tentativa relativamente bem sucedida foi a Gurgel, que todos nós sabemos foi sabotada pelos interesses econômicos da época. A pergunta é, se fabricamos aviões de primeira linha, por que o mesmo não acontece com automóveis? Acho que é porque perdemos o "bonde" da tecnologia. Vejo os veículos elétricos como uma forma de redenção para a indústria nacional.

Uma das vantagens do modelo de desenvolvimento livre é a capacidade de estabelecer consensos. Somente com a união da indústria, governos, empresas de energia e desenvolvedores independentes é que será possível estabelecer um padrão viável de veículo elétrico. Este padrão é necessário para que uma política de energia que leve em conta os VEs seja estabelecida. Assuntos como fontes de energia, geração, transmissão, distribuição, abastecimento, fabricação e manutenção devem ser discutidos de forma ampla e democrática. Mas se o debate for deixado a sí mesmo, pode levar dezenas de anos para que se chegue ao consenso. Não dispomos de dezenas de anos. Talvez não disponhamos nem mesmo de uma única dezena.

Assim como vimos as "grandes", como IBM e Novell abraçarem o software livre, talvez possamos assistir outras "grandes" como GM e Toyota abraçando o "Elétrico Livre"

Para saber mais:

Linux BR
Projeto Ubuntu
Creative Commons
Fiat Mio

quarta-feira, 11 de novembro de 2009

Lições de Itaipu e o apagão: Não coloque todos os ovos na mesma cesta.

Ja diziam os antigos: "Não coloque todos os ovos na mesma cesta". No entanto, é exatamente isto que estamos fazendo no sistema elétrico brasileiro. Estamos dependendo demais de Itaipu. E se ela não estiver disponível, por um motivo ou outro, o resultado é o caos.


É curioso notar que o apagão ocorreu por volta das 22:15hs, fora do horário de pico. Portanto, é de se presumir que na falta de Itaipu, as demais usinas dariam conta do recado. Porque isso não ocorreu? Por causa de uma decisão equivocada, tomada a alguns anos pelo governo: a adoção de usinas termoelétricas.


Entre 2001 e 2002, o Brasil sofreu com o racionamento de energia elétrica, provocado por sucessivos crescimentos econômicos recordes que não foram acompanhados do devido investimento em infraestrutura. Na época, não somente a energia elétrica, mas também estradas, aeroportos e redes telefônicas estavam defasadas. O País amargou 2 anos de racionamento, causando impacto direto no crescimento econômico. Esta crise tem um lado positivo e outro negativo. O lado positivo foi a consciência de que a energia elétrica é um recurso limitado e que deve ser bem utilizado, sem desperdício. O lado negativo foi a opção governamental pelas usinas termoelétricas como forma de suprir um fornecimento de energia complementar. Do ponto de vista estritamente econômico, esta decisão parecia acertada. Usinas termoelétricas são de implantação relativamente rápida e barata, o que permitiu amenizar a situação em um prazo relativamente curto. Mas do ponto de vista tecnico e ambiental, a decisão foi desastrada. É de conhecimento público e notório o impacto ambiental causado por usinas termoelétricas no que se refere a emissões de carbono, além de outras emissões poluentes. Do ponto de vista técnico, o problema das termoelétricas é que, como elas são movidas por combustíveis como gás ou óleo diesel, por razões de economia elas são desligadas ou tem sua potência reduzida nos horários de menor consumo. Se neste horário ocorrer uma pane em Itaipú (que responde ainda por 20% da energia consumida pelo país), não haverá energia suficiente no sistema para manter a rede elétrica, pois não há tempo habil para "dar a partida" nas usinas termoelétricas. O resultado é o desligamento em cascata e o apagão.

Na época, o governo se viu impossibilitado de construir novas usinas hidrelétricas, principalmente devido a dificuldades com o Ibama, que sistematicamente vetou novas obras por razões socioambientais. No entanto, outras formas de geração, como a eólica, simplesmente não foram cogitadas. O Brasil possui um dos maiores potenciais eólicos do mundo. Existe também a opção nuclear, mas esta ainda apresenta muita resistência de uma parte dos ambientalistas, embora seja atualmente apoiada por outra parte. Energia solar e das marés também não foram consideradas. A consequência desta decisão foi o apagão de ontem (10/11)



O sistema elétrico precisa ser modernizado, aumentando o índice de automação e descentralizando sistemas de controle. Outra medida a ser tomada e o aproveitamento da energia excedente gerada dos horários de baixa demanda. Uma solução para isso é a adoção de veículos elétricos carregados na tomada nestes horários. As companhias elétricas podem incentivar esta prática oferecendo tarifação diferenciada nestes horários para os usuários domésticos, assim como já faz com os grandes consumidores. Finalmente, deveria haver incentivos para a redução do consumo, tanto por boas práticas (como apagar as luzes que não estão em uso e reduzir o tempo de banho) como por novas tecnologias que reduzam o consumo dos equipamentos elétricos. TVs de cristal líquido deveriam receber incentivos para a substituição das TVs de tubo e as de plasma, que possuem consumo descabido. Sisitemas de aquecimento solar deveriam ser tão acessíveis como chuveiros elétricos. Geladeiras e equipamentos de ar condicionado deveriam usar tecnologias de estado sólido, mais eficientes do que os atuais compressores mecânicos. Iluminação por LED, mais eficiente do que as lâmpadas fluorescentes e mais duráveis, deveriam ser obrigatórias, enquanto as de filamento deveriam ser proibidas.



Itaipú é a maior hidrelétrica do mundo em capacidade de geração de energia. Mas isso não foi suficiente para evitar o apagão. Estamos colocando todos os ovos na mesma cesta. Você está disposto a correr este risco?

Para saber mais:

http://www.itaipu.gov.br/
Itaipu na Wikipedia

sexta-feira, 6 de novembro de 2009

Carros elétricos realmente reduzem as emissões de carbono?

Meus primeiros ensaios tratavam o veículo elétrico do ponto de vista funcional. Fiz isso principalmente com o objetivo de esclarecer alguns enganos, principalmente do ponto de vista físico e energético. Essa introdução técnica é necssária para que possamos tratar do tema com isenção e livre de preconceitos. Passo agora a tratar o tema do ponto de vista socioambiental e político. Fiz uma breve introdução por este caminho em meu artigo sobre matriz energética.

Em minhas pesquisas sobre o tema dos VEs, percebí que um dos principais argumentos dos críticos a tração elétrica envolve a geração de energia elétrica usando combustíveis fósseis. Afinal, dizem eles, se vamos ter que queimar combustiveis fósseis para gerar eletricidade, por que não queimá-lo diretamente no motor? As emissões de carbono não seriam as mesmas? Não seriam piores, uma vez que existem perdas na geração, transmissão e distribuição da energia?

A primeira vista, pode-se pensar que eles estão certos. Afinal, nos locais onde a energia elétrica é produzida em termoelétricas, o combustível fossil realmente terá que ser queimado, gerando emissões. Contudo, esta análise é, como veremos, superficial e não leva em conta considerações sobre eficiência de motores térmicos variando em função do regime de operação. Para ilustrar os princípios, façamos algumas considerações sobre o consumo de combustível em automóveis.

Todos sabem que o consumo de combustível no automóvel é maior em percursos urbanos do que nos rodoviários. Todos aceitam este fato e atribuem esta diferença às constantes paradas e acelerações a que o veículo é submetido em um percurso urbano. Certamente essas paradas e acelerações são uma parte da equação do consumo urbano. Mas o que muita gente não se da conta é que mesmo quando o trânsito está livre e o motorista pega todos os sinais verdes o consumo urbano é muito maior do que o rodoviário. Por que isso acontece?

Já mencionei anteriormente que a eficiência energética de um motor a gasolina chega a 15 ou no máximo 20%, se o carro for muito bom e as condições forem ideais. Mas quais são as condições ideais? O que as torna ideais? A eficiência máxima de um motor a gasolina ocorre quando a sua rotação está em algum ponto entre a rotação de torque máximo e a rotação de potência máxima. O ponto exato depende muito do projeto do motor. alguns motores são projetados para operar em altas rotações, como os carros de Fórmula 1. Isso porque a sua eficiência máxima precisa ocorrer a altas velocidades, quando o motor solicita a potência máxima, ou próximo disso. Outros motores, como é o caso dos caminhões e tratores, precisam que o torque máximo ocorra em baixas rotações. Os veículos de passeio são projetados para algo intermediário. E esse intermediário coincide com uma velocidade entre 100 km/h e 120 km/h. Chamamos a isso de velocidade de cruzeiro. Nesta velocidade, o motor irá operar em sua eficiência máxima. O peso máximo do veículo, as relações de marcha e a aerodinâmica do carro são planejadas para uma sintonia com o motor nesta velocidade de cruzeiro. Em resumo: automóveis de passeio foram projetados para uso rodoviário. Se isso não fosse feito, ou o desempenho rodoviário seria medíocre ou o consumo seria proibitivo. No Brasil, os veículos de 1000 cilindradas são os que mais se aproximam de um compromisso intermediário. Eu já consegui uma média de 20 km/l em um Ford Fiesta 1.0, na estrada a 120 km/h. Isso foi obtido em um dia em que a estrada estava completamente vazia, sem caminhões ou outros veículos lentos, pelo que eu pude manter uma velocidade constante. Contudo, em percursos urbanos, dificilmente eu chegava aos 12 km/l.

Em resumo, aquela eficiência de 15 ou 20% só ocorre em condições especiais e controladas, o que é muito difícil de se obter em um automóvel. No entanto, não é o que ocorre nas usinas termoelétricas. Nelas, o motor ou turbina utilizados operam sempre a uma rotação precisamente controlada. Isso ocorre porque a energia elétrica precisa ser fornecida em uma frequência exata de 50 ou 60 Hertz, dependendo da região. Esta frequência depende exclusivamente da rotação do gerador. Portanto, a usina geradora possui controles automáticos para manter a rotação absolutamente estável, mesmo quando a carga elétrica varia. Por razões de economia, as usinas são planejadas para obter o rendimento máximo em sua rotação de trabalho. No caso das turbinas a gás, esta eficiência pode chegar próximo a 50%, muito mais do que pode ser obtido queimando o combustível diretamente no motor do carro.

Portanto, mesmo que todas as usinas elétricas do mundo fossem movidas a combustíveis fósseis, o uso de veículos elétricos representariam uma redução nas emissões de carbono de aproximadamente 50%, o que é muito mais do que a mais ambiciosa meta de redução de carbono já proposta.

Outro aspecto que deve ser considerado é a energia ociosa. Por razões operacionais, as usinas elétricas (principalmente as maiores) não podem ser desligadas à noite, quando a demanda é menor. Portanto, existe sempre uma quantidade de energia muito grande que está disponível na rede, mas que não é utilizada. Este problema é maior nas usinas hidrelétricas, pois não se pode simplesmente fechar as comportas, bloqueando o fluxo do rio. Por este motivo, eu vejo com bons olhos os veículos elétricos exatamente como são hoje, com carga lenta feita durante a noite, quando a energia elétrica é abundante e mais barata. Acredito que uma parte substancial da frota brasileira (ou da americana) possa ser mantida simplesmente utilizando a energia elétrica noturna, que de outra forma seria desperdiçada. Tenho encontrado dificuldades em encontrar números exatos a respeito, mas sem dúvida é por onde devemos começar.

Minha conclusão é que os veículos elétricos possuem um potencial gigantesco para a redução de emissões de carbono.

quarta-feira, 4 de novembro de 2009

Armazenamento de Energia Elétrica para VEs

Dizem que a diferença entre o sábio e o especialista é que o sábio sabe quase nada sobre quase tudo, enquanto o especialista sabe quase tudo sobre quase nada. Tenho procurado viver entre esses dois extremos, o que não é tarefa fácil. O mercado preza os especialistas, talvez porque o conhecimento humano tenha se tornado tão vasto e diversificado que é impossível uma única pessoa dominá-lo por completo. No entanto, quando especialistas de áreas diferentes precisam trabalhar em equipe, surgem grandes dificuldades de comunicação. Nessas horas, um sábio pode ser necessário como intérprete.

Tratarei o tema a seguir sem a pretensão de falar como especialista, pois o mesmo envolve conhecimentos que domino apenas superficialmente. Embora tenha alguma formação em física, meu conhecimento de química é marginal. Para tratar deste tema, tenho que recorrer continuamente a outras fontes (nessas horas, quem me salva é o Google!).

Já discorri anteriormente sobre energia. Mencionei que força e energia são conceitos distintos, ainda que relacionados. Um exemplo que uso é o do imã. Um imã é uma fonte de força magnética, às vezes uma fonte muito poderosa. Esta força não se esgota, a menos que o imã seja desmagnetizado por um campo magnético mais potente. Um imã pode ser uma fonte de energia magnética. Eu disse "pode ser" pois isso não depende somente de suas propriedades intrínsecas. Depende também da posição. Se um imã for colocado próximo de um objeto ferroso ou de outro imã, uma energia potencial é estabelecida. Esta energia depende da intensidade do campo magnético e da distância. Se a força for atrativa, considera-se que a energia potencial é máxima quando a distância tende ao infinito e é igual a zero quando a distancia também for zero. Se for repulsiva é o inverso. Como um ima sempre tem dois polos, a tendência é que eles se movam para uma posição em que a força seja atrativa (polos opostos se atraem. Esta força atrativa fará com que os imãs entrem em contato, situação em que a energia potencial será zero. Não há mais energia potencial. A energia cinética, adquirida pelo trabalho da força magnética, dissipou-se em calor quando os dois imãs se encontraram.

A conclusão que tiramos é que uma força só produz ou armazena energia quando encontra-se em uma posição em que pode realizar trabalho, ou seja, provocar uma alteração de movimento. Por alteração, entenda-se aceleração. Se o movimento se estabilizar, acabou o trabalho. Mesmo que a força ainda esteja presente. Ainda pode existir a energia cinética, mas esta foi convertida a partir da energia potencial e pode ser convertida em outra, como energia térmica, ou seja, calor. Este princípio vale para qualquer forma de armazenamento de energia. Vale para a energia química dos combustíveis ou das baterias elétricas. Vale para as usinas hidrelétricas ou a carvão. Vale para as usinas nucleares. Por causa deste princípio, é impossível uma fonte infinita de energia. Todas se esgotam. até mesmo o Sol. Chamamos a isso de Princípio da Conservação da Energia, também conhecido com Primeira lei da Termodinâmica. É possível converter energia em trabalho. É possível converter trabalho em energia. É possível converter um tipo de energia em outro. Mas as quantidades inicial e final de energia e trabalho precisam ser as mesmas. Se você dispuser inicialmente de 1 joule de energia potencial e aplica-la em um processo qualquer, no final a soma entre trabalho e energia dissipada tem que ser igual a 1 Joule. Ser for diferente, é porque você errou as contas.

Todo processo que envolve trabalho e energia apresenta perdas. Infelizmente é impossível obter 100% de eficiência. Mas em alguns casos, podemos chegar muito perto disso. Os transformadores elétricos, desses que encontramos nos postes de rua, ou mesmo em menor tamanho nos aparelhos eletrônicos, podem chegar a 99% de eficiência. Máquinas térmicas, como motores de automóveis, tem limitações teóricas que impedem que se obtenha eficiências tão altas. Estas limitações teóricas são conhecidas como Limite de Carnot. Este princípio físico diz que a eficiência de uma máquina térmica depende, entre outras coisas, da diferença de temperatura entre a fonte quente (que pode ser o combustível queimando) e a fonte fria (que é o gás do escapamento). Quanto maior esta diferença de temperatura, mais eficiente é o motor. Para conseguir motores com a eficiência de 90%, seria necessário que ele trabalhasse com a fonte quente a temperaturas muito altas, de milhares de graus Celsius, ou com o gás  do escapamento a temperaturas próximas do zero absoluto. Por este motivo, turbinas a gás, que trabalham com altas temperaturas, possuem eficiência da ordem de 40 a 45%, enquanto motores convencionais trabalham em torno de 15% e motores diesel com 25%.

O armazenamento de energia também está sujeito às mesmas leis de conservação. Diferentes sistemas apresentam eficiências distintas. Além disso, quando se trata de veículos, fatores como peso e volume precisam ser considerados. Discorrerei aqui sobre as formas em que a energia pode ser armazenada de maneira prática em veículos.

Energia Química

A energia pode ser armazenada por meios químicos. Pode-se obter energia a partir da reação química entre substâncias diferentes. Esta energia pode ser produzida como calor ou como uma corrente elétrica. Apresento abaixo as formas usuais:

1. Combustão: um combustível qualquer (gasolina, óleo diesel, álcool, etc) pode ser queimado na presença de oxigênio para gerar calor. Este calor pode ser usado em uma máquina térmica, como um motor a pistão ou a turbina. Este, por sua vez, pode ser diretamente conectado ao eixo do motor ou pode também ser ligado a um gerador que alimentará um motor elétrico. Embora esta última solução seja mais complexa do ponto de vista mecânico, apresenta mais eficiência do que o motor a combustão usado isoladamente. Isso porque, desta forma pode-se usar o motor em rotação constante, operando em sua rotação de melhor eficiência. Pode-se também, por causa disso, utilizar um motor bem menor e mais econômico. Este é o princípio dos veículos hibridos série, que conseguem fazer entre 30 a 40 km/l, extendendo a autonomia.

2. Células de combustível: alguns tipos de combustível, como o hidrogênio, podem sofrer uma reação de combustão controlada em uma célula de combusível. Nestas células, a energia resultante da combustão (ou pelo menos grande parte dela) é captada diretamente como eletricidade. A eficiência das céludas de combustível varia entre 80% e 90%. Já existem células capazes de trabalhar com outros combustíveis, como metanol, mas as de maior eficiência trabalham com hidrogênio gasoso. Embora altamente eficientes, as células de combustível são limitadas pela dificuldade em se armazenar hidrogênio gasoso. O hidrogênio é altamente reativo e não pode ser armazenado a pressões muito altas. O hidrogênio se liquefaz a -253ºC. Portanto, liquefazer o hidrogênio não é prático, pois necessita de sistemas criogênicos complexos, que só podem ser mantidos em laboratório. Sistemas de armzenamento de hidrogênio são viáveis para veículos grandes, como ônibus, mas em veículos menores ainda são um desafio.


3. Baterias: Apesar de todas as limitações de densidade de carga em relação ao peso que as baterias atuais apresentam, elas oferecem a vantagem de armazenar a energia elétrica diretamente, na forma de ions carregados. Sua eficiência energética é da ordem de 90%. Por causa disso, a grande maioria dos projetos de veículos elétricos armazenam a energia em baterias. É uma tecnologia que vem se desenvolvendo rapidamente e a cada ano vemos baterias menores e mais leves.


Ultracapacitores.


Uma forma de se armazenar energia elétria muito eficiente são os capacitores. Um capacitor é composto por duas superfícies condutoras com área muito grande (chamadas de placas) separadas por um material isolante muito fino, de modo que a distância entre as duas superfícies seja a menor possível. A capacidade de armazenar energia de um capacitor é chamada de "capacitância", que depende da área das placas do capacitor, da distância entre elas e do material que compõe o isolante. A energia que pode ser armazenada em um capacitor é dada pela expressão:


E=CV²/2


Onde "E" é a energia armazenada, "C" é a capacitância e "V" a tensão entre as placas. Quanto maior esta tensão, mais energia está armazenada. A capacitância é dada em Farad (F), em homenagem a Michael Faraday, que descobriu o princípio da indução e realizou os primeiros trabalhos com capacitores.



Os capacitores possuem uma limitação quanto a tensão que pode ser aplicada sobre o mesmo. Esta limitação depende essencialmente do material isolante e da distãncia entre as placas. Portanto, quanto maior a capacitância, menor a tensão que pode ser aplicada ao capacitor.


Uma coisa que eu aprendi no meu curso técnico, nos idos de 1980, é que um capacitor de 1 Farad seria uma esfera do tamanho da Terra! Isso indica que o Farad é uma unidade que representa um valor realmente grande. No entanto, mais ou menos nessa época, começaram a surgir os primeiros ultracapacitores, capazes de armzenar 1 Farad ou mais em poucos centímetros cúbicos. Hoje existem ultracapacitores de até 4000 F. Contudo, eles possuem uma grande limitação quanto a tensào de trabalho. Um ultracapacitor típico opera entre 2,5V a 5V. Para obter valores maiores, é necessário associar capacitores em série. Só que ao fazê-lo, a capacitância diminui. Se 10 capacitores de 1 F forem associados em série, a tensão de trabalho será multiplicada por 10, mas a capacitância será dividida por 10. Mesmo assim, a energia armazenada depende da capacitância e da tensão. Bancos de ultracapacitores, assossiados a sistemas eletrônicos de carga e descarga, possuem atualmente a capacidade de armazenamento equivalente a das baterias de Ion de Lítio. No entanto, ainda são muito caros.


Armazenamento Mecânico (Baterias Eletromecânicas).


Já discutimos que a energia pode ser armazenada em sua forma  cinética. Qualquer corpo em movimento possui uma energia cinética que é dada por Ec=mv²/2, onde "Ec" é a energia cinética, "m" a massa  do corpo e "v" a velocidade. O mesmo princípio vale para movimentos rotativos. Neste caso, usamos uma expressão análoga: Ec=Iw²/2, onde "I" é o "momento de inércia, uma grandeza análoga a massa e que depende desta massa e da maneira como ela é distribuida ao redor do eixo de rotação do corpo; "w" representa a "velocidade angular", ou rotação, dada em radianos por segundo.
Baseado nisso, tem-se criado maneiras de armazenar energia em rodas pesadas, pois quanto mais pesadas e quanto maior a rotação, mais energia pode ser armazenada. Uma das mais notáveis é o "flyweel", onde um disco pesado suspenso em um campo magnético é posto a girar dentro de uma câmara de vácuo. A energia é transferida para o disco através de um motor elétrico que serve também como gerador. Este sistema é um dos que são usados no sistema Kers, adotado na Formula 1. Este sistema é muito promissor, pois possui tempo de armazenamento curto e pode armazenar grandes quantidades de energia, mas ainda encontra-se em fase de desenvolvimento.


Qual o melhor?


Isso depende muito do que se define como "melhor". Cada sistema de armazenamento possui vantagens e desvantagens. Em um primeiro momento, parece conveniente a associação de dois ou mais sistemas de armazenamento. Baterias associadas a ultracapacitores tem sido utilizadas com sucesso, principalmente em veículos híbridos. Vejo com bons olhos a diversidade. Me parece perigoso depender unicamente de baterias de lítio ou de biocombustíveis. Assim como a biodiversidade tem garantido a existência da vida sobre a Terra, mesmo em condições hostis, a diversidade tecnológica pode ser uma saida para um mundo que se encontra vergado sobre o peso de uma humanidade consumista. A diversificação pode dar à Terra uma chance de se recuperar do estrago que nós temos feito a ela.


Enquanto escrevo este artigo, as nações se preparam para a conferencia de Copenhagen sobre mudanças climáticas. Aproveito para fazer um apelo. Vamos lutar para nos livrar dos combustíveis fósseis. Eles estão nos destruindo, quando poderiam ser uma dádiva. Até porque, como ja disse anteriormente, petróleo é uma matéria prima nobre demais para ser  queimada.


Para saber mais:


Flyweel
Célula a combustível


segunda-feira, 19 de outubro de 2009

Motores para Veículos Elétricos


Após discorrer um pouco sobre os fatores que podem potencialmente limitar a autonomia de veículos elétricos, bem como aqueles que podem ser aproveitados para ampliá-la, gostaria de falar algo sobre motores elétricos e sua aplicação automotiva. Como já mencionei anteriormente, motores elétricos possuem eficiência elevada. Mesmo aqueles motores baratos e de projeto simples e despretensioso, como aquelas montagens comuns em laboratórios escolares, atingem eficiências superiores a 80 por cento. Mas nem todos os motores elétricos são adequados para a aplicação que temos em mente, devido a certas considerações construtivas e de controle.

Os motores elétricos podem ser divididos em dois grandes grupos: os motores de Corrente Contínua (CC), também conhecidos como Corrente Direta (em inglês, "Direct Current" ou DC) e os motores de Corrente Alternada (CA, ou do inglês "Alternate Current", AC). Entre esses dois grupos, existem os chamados Motores Universais, que podem operar tanto em CC como em CA.

O primeiro motor elétrico foi construído pelo físico inglês Michael Faraday. Esse motor nasceu de sua pesquisa com geradores, os quais também lhe podem ser atribuídos. Faraday estudava o comportamento da agulha de uma bussola ao aproximar-se de um campo magnético produzido pela passagem de uma corrente elétrica por um fio metálico. Faraday sabia que a agulha sofreria um desvio tão acentuado quanto fosse a corrente que passasse pelo fio. Este fenômeno já havia sido observado pelo físico dinamarquês Hans Christian Oersted, embora este não tivesse ousado explicar o fenômeno. Baseado neste princípio, Faraday construiu um detector de corrente elétrica bastante sensível. Este tipo de detector é hoje conhecido como Galvanômetro, em homenagem a Luigi Galvani, anatomista italiano que realizou os primeiros experimentos relacionados à eletricidade e tecido animal.

De posse de seu galvanômetro, Faraday estava capacitado a realizar os seus experimentos. Além disso, o próprio funcionamento do instrumento levou o físico a intuir que havia uma relação entre eletricidade e magnetismo, que um poderia “induzir” ao outro. Faraday começo com um experimento simples. Como ele sabia que uma corrente elétrica poderia afetar um campo magnético (como a agulha magnética da bússola), supôs que o contrário também poderia ocorrer, ou seja, o campo magnético induzir uma corrente. Então Faraday montou um arco feito com um fio metálico, conectando cada extremidade ao seu galvanômetro. Introduziu no interior desse arco um imã. Ao fazê-lo, a agulha do galvanômetro saltou e agitou-se, retornando em seguida a sua posição de repouso. Ao remover o imã, outro salto foi observado na agulha, na direção oposta à anterior. Faraday esperava a deflexão da agulha, mas não esperava que ela retornasse à posição inicial. Muito menos que nova deflexão ocorresse ao se retirar o imã. Ele intuiu então que não era simplesmente a proximidade do campo magnético que induzia a corrente no condutor, mas sim o seu movimento. Para confirmar esta tese, movimentou continuamente o imã no interior do arco metálico e uma sequência de pulsos foi reproduzida pela agulha.

Faraday então ampliou o seu experimento. Supôs que se um imã em movimento pode induzir uma corrente elétrica e esta última pode induzir um campo magnético (o que ele já sabia graças ao galvanômetro), uma corrente elétrica poderia induzir oura corrente elétrica. Adicionou à sua montagem mais um arco metálico paralelo ao primeiro, conectado a uma poderosa (para a época) pilha elétrica, com um pequeno interruptor para interromper o circuito. Quando o interruptor foi acionado, observou-se mais uma vez a agulha saltar e retornar à posição neutra. Ao desligar o circuito, novo pulso de corrente foi observado e novamente a agulha retornando ao neutro. Este experimento intrigante levou a Faraday a concluir que uma corrente estática (contínua) não poderia induzir outra corrente em um condutor próximo. Mas nos momentos de transição, quando a energia era ligada ou desligada, a corrente sofria uma variação até atingir um estado estacionário de equilíbrio. Durante a transição, concluiu, o campo magnético produzido no arco metálico sofria uma variação, comportando-se como o imã movimentado manualmente. Portanto, é o movimento do campo magnético que induz uma corrente elétrica. E é o “movimento” da corrente elétrica (ou a sua variação) produz um campo magnético “móvel”, ou seja, que varia no tempo.

Não demorou muito para que Faraday pensasse: se o movimento do campo magnético pode gerar uma corrente, seria uma corrente capaz de gerar movimento? Afinal, era exatamente o que já acontecia com a agulha do galvanômetro. Contudo, este movimento era errático e de maneira nenhuma contínuo. Contudo, ele observou em seus experimentos que a corrente era induzida no condutor sempre que o imã se movimentava em direção perpendicular à direção da corrente. Supôs, por simetria, que o mesmo aconteceria no sentido inverso, ou seja, se a corrente se movimentasse em direção perpendicular à direção do campo magnético do imã, um torque seria produzido entre este e o condutor. Para por à prova esta idéia, idealizou o seguinte experimento.


Um imã em forma de barra é fixado em pé ao centro de um recipiente contendo um líquido condutor de eletricidade (por exemplo, o mercúrio). Suspenso por um suporte, um fio metálico rígido e livre para girar tem uma ponta mergulhada no líquido e a outra conectada a um dos pólos de uma bateria elétrica. O líquido é conectado ao outro pólo da bateria, de modo que a corrente elétrica atravesse o líquido. Faraday esperava que o fio metálico girasse em volta do imã, em um movimento circular de pêndulo. E foi o que de fato ocorreu.



Isso porque a corrente elétrica moveu-se na direção perpendicular ao campo magnético do imã, produzindo outro campo magnético que se opunha ao primeiro. A medida que o fio se desloca, provoca uma mudança na direção da corrente elétrica, mantendo o movimento circular. Obviamente este não é um modelo prático de motor, mas serve para demonstrar o princípio.

Vemos então que o primeiro motor elétrico inventado foi um motor CC. Uma variação deste princípio Foi aplicado no disco de Faraday.



Nesta montagem, um disco metálico é colocado entre os dois pólos de um imã. O eixo do disco é conectado a um dos pólos da bateria enquanto um contato elétrico do tipo “escova” liga o outro pólo da bateria à borda do disco. O disco começa a girar no momento em que a corrente é aplicada. Essa mesma montagem pode ser usada como gerador. Para isso. O disco deve ser movimentado (por exemplo, por uma manivela) e a bateria substituída pela carga (um galvanômetro, por exemplo).

O motor descrito acima é muito eficiente, mas possui uma capacidade limitada de produzir potência. Isso acontece porque o campo magnético produzido pela passagem da corrente pelo disco é muito pequeno. Descobriu-se mais tarde que se um fio condutor for enrolado na forma de bobina, ou solenóide, a intensidade do campo magnético produzido pela corrente aumenta em proporção ao número de espiras. Assim, os projetistas de motores começaram a pensar em motores que incluíssem solenóides para aumentar a potência produzida.

Não cabe aqui traçar um histórico completo do desenvolvimento dos motores elétricos. Meu objetivo foi apenas demonstrar que o motor elétrico nasceu como uma máquina de Corrente Contínua. Mais tarde, Nicola Tesla cria os primeiros motores e geradores de corrente alternada práticos e economicamente viáveis, transformando por completo a indústria elétrica (que ainda era insipiente) e popularizando o uso da energia elétrica.

Como disse anteriormente, os motores elétricos podem ser divididos em dois grandes grupos: os motores CC e os motores CA, tendo os motores Universais como intersecção entre os dois grupos. Existem os seguintes tipos de motores CC:

Motores CC de imã permanente: O tipo de motor mais simples. É composto por um estator (a parte externa do motor) no qual imãs permanentes são fixados. Um rotor ou armadura (a parte móvel) possui enrolamentos de cobre que produzem um campo magnético que se opõe ao campo do estator. Escovas de grafite são usadas para fornecer corrente ao rotor através de um coletor de cobre.



Originalmente este tipo de motor era usado apenas para aplicações de pequeno porte, pois os imãs permanentes eram muito fracos. Hoje em dia, imãs poderosos feitos de “terras raras” são capazes e superar em força eletroímãs poderosos, o que viabiliza as aplicações de grande porte.

Motores CC de bobina de campo: Nestes, o imã permanente é substituído por eletroímãs. Estes podem ser de excitação independente, caso em que uma fonte de energia separada é necessária para as bobinas de campo. Estas também podem ser ligadas em série ou em paralelo a armadura, ou mesmo é possível uma bobina em série e outra em paralelo. O tipo de excitação depende essencialmente das condições em que o motor será operado.

Motores de Corrente Alternada: Uma das desvantagens dos motores CC é a necessidade de escovas e coletores para fornecer corrente para a armadura. As escovas são pontos de perda de energia, tanto por atrito como por efeito Joule, que é o aquecimento resultante da passagem de corrente por um condutor. Quanto maior a resistência elétrica, maior a perda. Além disso, as escovas requerem manutenção constante em função do desgaste que sofrem. Mas por que a corrente tem que ser fornecida por escovas? Como vimos, uma corrente pode ser induzida em um condutor por um campo magnético. Então, por que não induzir a corrente na armadura? Na verdade, para induzir esta corrente, é necessário que o campo magnético varie no tempo. Isso é possível alimentando as bobinas de campo com uma corrente alternada. Existem basicamente tipos de motores de corrente alternada: monofásicos e trifásicos. Uma explicação sobre o funcionamento desses motores seria muito extensa para ser exposta neste artigo. Por razões técnicas, os motores de maior porte são produzidos na versão trifásica. Esses motores também são conhecidos como motores de Indução, pois uma corrente é induzida na armadura. Existem também os motores síncronos, onde a armadura é alimentada através de escovas ou substituída por imãs permanentes poderosos. Esses motores apresentam torque elevado e melhor relação peso-potência, mas também são de construção mais complexa ou usam materiais mais caros. Os motores de indução, por serem produzidos em larga escala e de construção simples são hoje os motores com a melhor relação custo/benefício para a indústria. Mas em virtude de suas aplicações serem tipicamente estacionárias, como em eletrodomésticos e máquinas industriais, não há uma preocupação com relação ao peso. Portanto, são normalmente motores muito pesados.

Apresento abaixo um resumo dos tipos de motor disponíveis no mercado, passíveis de utilização em veículos:

Motores CC de imã permanente;
Motores CC de excitação em série ou paralelo;
Motores CA de indução;
Motores CA Síncronos;

Existem também os motores CC “brushless”, ou sem escovas. Na verdade, estes são motores CA que incluem internamente um circuito eletrônico inversor. Portanto são, na verdade, motores CA.

Motores CA são muito convenientes quando uma fonte de energia CA (por exemplo, uma tomada). Mas no caso de veículos elétricos, a energia disponível vem de uma fonte CC (baterias). Para usar motores CA em veículos, é necessário converter CC em CA. Isso é feito através de inversores, circuitos eletrônicos especiais, semelhantes aos usados nos motores brushless.

Motores CC podem ser alimentados diretamente pelas baterias. No entanto, é necessário um controle de potência. Isso pode ser feito de duas formas. Uma delas é controlar a corrente na bobina de campo. Essa é a forma tradicionalmente usada na indústria e é o que foi utilizado nos primeiros veículos elétricos. Outra é utilizar controladores PWM, circuitos eletrônicos semelhantes aos inversores, mas muito mais simples. Estas informações nos permitem dividir os veículos elétricos em três grandes grupos:

Veículos CC com controle de corrente na bobina de campo;
Veículos CC com controle PWM;
Veículos CA com inversor.

A primeira opção permite um controle eficiente do motor. No entanto, como o controle é feito com o uso de resistências variáveis, o que implica em perdas e desgaste de componentes.

A segunda opção é mais eficiente energeticamente do que a anterior, mas o motor CC ainda apresenta perdas e desgaste nas escovas e coletores.

A terceira opção é a mais eficiente de todas. No entanto, o controle por inversor é caro e complexo. Contudo, a produção de inversores em escala industrial de consumo pode fazer o custo destes equipamentos cair muito.

Um aspecto interessante sobre os veículos elétricos e que eles estão, assim como computadores e telefones celulares, sujeitos à Lei de Moore, aquela que “profetizou" que a velocidade e capacidade de armazenamento dos computadores dobriam a cada 18 meses. Até hoje a lei de Moore não tem falhado na informática. Seria interessante observar fenômeno semelhante na indústria automobilística, pois conceitualmente, esta apresenta-se estagnada a mais de um século.

Para saber mais:

Apostila sobre motores elétricos - Fac. Engenharia Unesp

Lei de Moore

segunda-feira, 5 de outubro de 2009

As Quatro Forças

Para compreender as supernovas, é necessário compreender as estrelas, os planetas e como são formados. e para isso, é necessário comprender as leis que os regem e as  forças que atuam sobe os mesmos.

O que é uma força? Todos nós temos uma noção intuitiva do que seja uma força. Quando suspendemos um objeto, empuramos um móvel ou arremessamos uma pedra, exercemos uma força  que provoca um movimento ou deslocamento. No entanto, a experiência cotidiana nos leva a crer que quando a força cessa, o movimento também cessa. Afinal, quando soltamos o objeto que suspendemos ele tende a cair. Quando paramos de empurrar o móvel, o mesmo se imobiliza. e não importa com quanta força tenhamos arremessado a pedra, em poucos segundos ela cai e fica imóvel. Às vezes nos esquecemos de que o objeto que suspendemos, quando solto, cai porque há outra força que o puxa para baixo. Ou que se o móvel tiver rodinhas, pode continuar se movendo por algns metros depois do impulso inicial. Mas quando nos damos conta disso, percebemos que nosso conceito de força precisa de uma revisão.

O primeiro a formular uma teoria consistente e matematicamente embasada para o conceito de  força foi o físico inglês Isaac Newton. Observando pequenos carrinhos se deslocando em uma superfície plana e polida, com baixo atrito, ele formulou, a partir de seus experimentos, 3 "Leis" do movimento. São elas:

Primeira Lei: Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele. Ou seja, se um corpo (um objeto qualquer) estiver em repouso (parado) ou em movimento, se nenhuma força for aplicada ao mesmo, a tendência é de preservar o estado inicial, seja parado ou em movimento

Segunda Lei: A mudança de movimento é proporcional à força motora imprimida, e é produzida na direção da linha reta na qual aquela força é imprimida. Em outras palavras, se uma força for aplicada a um corpo, o mesmo vai sofrer uma mudança em sua velocidade. Esta mudança vai acontecer na direção em que a força foi aplicada. Se a um objeto parado for aplicada uma força, a tendência é do mesmo acelerar, ou seja, ganhar velocidade, na direção em que a força foi aplicada. Esta variação depende apenas da força aplicada ao corpo e de sua massa. Em nosso dia a dia, associamos a massa de um corpo ao seu peso. Isso ocorre por razões históricas que discutirei mais tarde.

A Segunda Lei pode ser expressa da equação: F=ma, onde;

"F" é a força aplicada ao corpo (por exemplo, um empurão);
"m" é a massa do corpo;
"a" é a sua aceleração, ou seja, a razão pela qual a velocidade deste corpo se altera.

Se a força "F" for constante, ou seja, não variar nem de intensidade e nem de direção, o corpo será acelerado com uma aceleração "a", também constante.

Terceira Lei: A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade, ou, as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas a partes opostas. Ou seja, se eu empurro o guarda-roupa, ele me empurra de volta com uma força semelhante, mas oposta. Quando uma pessoa caminha sobre a superfície da Terra, o impulso do pé sobre o chão empurra a pessoa para frente. No entanto, a pessoa também empurra o chão para trás com a mesma força. Como a massa da Terra é muito maior que a da pessoa, seu deslocamento para trás é imperceptível.

Com essas 3 leis, Newton criou um método para analizar objetos em movimento e as forças aos quais estes estão sujeitos. No entanto, estas três "Leis" não explicam o que é uma força, apenas nos dão uma pista de como deve ser seu comportamento. Somente no final do século XIX e começo do XX é que o conceito de "força" começou a ser melhor compreendido. Compreendeu-se também que existem 4 forças distintas. Todos os demais são manifestações de uma ou mais dentre essas 4. São elas, em ordem crescente de intensidade:

Primeira Força - Nuclear Forte.

A Força Nuclear Forte é a força que está associada às reações no núcleo dos átomos. É a "cola" que mantém unidos os protons no núcleo, apesar da gigantesca força de repulsão entre eles, como veremos adiante. É fortemente atrativa em distâncias muito curtas, como o tamanho de um núcleo atômico. e fortemente repulsiva emm distâncias maiores.

Segunda Força - Eletromagnética.

A Força Eletromagnética engloba as forças elétricas e magnéticas. É milhares de vezes mais fraca que a Força Nuclear, mas possui longo alcance, pois sua intensidade vairia com o inverso do quadrado, ou seja, se aumenta a distância em 2 vezes, a intensidade da força é dividida por 4. Existem 2 tipos de força eletromagnética, que são a positiva e a negativa. Forças do mesmo tipo se repelem, enquanto as de tipo diferentes se atraem. Uma forma de manifestação da Força eletromagmética envolvendo os dois tipos é o foton, associado à luz e às ondas de rádio, raios X, etc, conhecidos como ondas eletromagnéticas.

A força eletromagnética dá conta da grande maioria das manifestações de força com as quais convivemos no dia a dia. Quando eu empurro o guarda-roupa, são os campos elétricos e magnéticos que existem entre a minha mão e a madeira que exercem a força que o empurra (e que me empurra de volta). As reações  quimicas, forças de atrito, calor e a luz do Sol são todos manifestações da força eletromagnética.

Terceira Força - Nuclear Fraca.

A Força Nuclear Fraca é dez bilhões de vezes mais fraca de a Força eletromagnética. Apesar de tão pouco intensa, ela é importante porque está associada a certos fenômenos nucleares, associados à radioatividade. Entre as partículas que transportam a Força Nuclear Fraca, destaca-se o Neutrino, que terá grande importância em nosso caminho em direção às supernovas.

Quarta Força - Gravitacional.

A Força Gravitacional é, de longe, a mais fraca de todas as forças. Se a Força Eletromagnética fosse 1, a Gravitacional seria 10 elevado a -39, ou seja, 0,000000000000000000000000000000000000001. Apesar dessa escala quase infinitesimal, a Força Gravitacional é fundamental para a formação de planetas, estrelas, galáxias e do próprio Universo. Isso devido a 2 propriedades. Em primeiro lugar, ao contrário da  Força Eletromagnética, ela é sempre atrativa. Como todas as partículas de matéria exercem a Força Gravitacional, seu efeito é cumultivo. Quato mais matéria for acumulada, maior será o efeito da Força Gravitacional. Em segundo lugar, esta força também obedece a lei do inverso do quadrado, como a Eletromagnética. Isto significa que a Força Gravitacional diminui de intensidade com a distância, mas sempre se fará sentir, não importa quão distante estejamos de sua fonte.

Esta é uma descrição muito breve das 4 forças e de como elas atuam. Assim como nas Leis de Newton, não temos uma explicação do que é uma força, de onde ela vem ou por que se comporta se um modo e não de outro. Na tentativa de compreender o Universo, a ciência desistiu de se preocupar com o "por quê" e passou a se concentrar no "como". Mas com o modedo das 4 forças, temos condições de fazer previsões sobre como o Universo deve se comportar.

Para saber mais:

Wikipedia - Partículas e Forças

Asimov, Isaac - O Colapso do Universo - Ed. Francisco Alves
Hawking, Stephen W. - Uma Breve História do Tempo - Ed. Rocco

O que é uma Supernova?

De maneira muito simplista, uma supernova é uma estrela em explosão. Mas ela é muito mais que isto. Supernovas são os cadinhos estelares, onde toda a matéria que conhecemos é forjada a partir do hidrogênio original, que é o principal constituinte de todas as estrelas. Quando na fase de supernova, uma estrela pode brilhar várias vezes mais que todas as estrelas da galáxia juntas! Estima-se que são visualizadas (com a ajuda de telescópios) mais de 100 supernovas por ano. Mas infelizmente (ou felizmente, como veremos mais tarde), muito poucas delas chegam a ser visíveis com uma estrela de quinta ou sexta grandeza (quanto maior a grandeza, menor o brilho. É por isso que nos referimos às estrelas muito brilhantes como de primeira grandeza).

Supernovas estão intimamente relacionadas com a constituição atual do Universo, a formação do Sistema Solar e da Terra, e consequentemente da vida sobre esta. Somente nas supernovas os elementos químicos mais pesados do que o ferro podem ser formados e somente seu violento processo explosivo é capaz de expulsar estes elementos dos densos e ultraaquecidos núcleos estelares.

Encontramos na história da astronomia diversos relatos sobre "estrelas novas", que brilham no céu brevemente por poucos dias ou semanas e depois lentamente caem na obscuridade. Mas ocasionalmente, uma dessas estrelas brilharam de maneira fugurante. O Séculos XVI  e XVII foram agraciados cada um com um evento semelhante. Em 1572, uma brilhante Nova surgiu na constelação de cassiopeia e foi documentada por diversos astrônomos da época, dentre os quais destaca-se Tycho Brahe, autor do trabalho "De Nova Stella". Em 1604, outra Nova particularmente brilhante foi documentada pelo discípulo do Tycho, Joannes Kepler. Ambas eram particularmente brilhantes, superando várias vezes o brilho de venus no céu noturno e podiam ser vistas mesmo durante o dia. Há relatos que mencionam um brilho semelhante ao luar.

A atual compreensão das leis da física e da astrofísica auxilia na compreensão desse fenômeno impressionante. Na verdade, esta compreensão os torna ainda mais impressionantes, pois nos permitiu a compreensão da verdadeira escala dessas magníficas explosões. E também nos fez saber que, na verdade, existem dois tipos distintos do que hoje chamamos de supernovas.

Por outro lado, esta compreensão trouxe consigo outras inquietantes perguntas, algumas das quais permanecem até hoje sem respostas.

Procurarei apresentar um pouco do que sabemos sobre as supernovas, sua origem e destino. Antes porém, farei uma introdução básica sobre a física necessária para comprender como as supernovas ocorrem e em que condições.

sexta-feira, 2 de outubro de 2009

Autonomia dos Veículos Elétricos - Segunda Parte

No post anterior mencionei que a maior capacidade de armazenamento de energia da gasolina em comparação com baterias elétricas permitiriam ao veículos movidos com este combustível uma autonomia 25 vezes maior que a dos veículos elétricos. No entanto, ao compararmos esta informação com o mundo real, observamos que isso de fato não ocorre. A autonomia dos veículos a gasolina é apenas 3 a 5 vezes superior a dos elétricos. Por que isso ocorre?
Um erro muito comum ao se comparar veíuculos elétricos com veículos a combustão é fazer esta comparação baseado no paradígma dos veículos a combustão. Isso implica em aplicar aos elétricos certas "verdades"  que só são aplicáveis a combustão. Por exemplo, quando comparamos a capacidade de armazenamento de energia, nos esquecemos que um veículo a gasolina não transporta um peso em combustível comparável ao peso de baterias. Na verdade, este peso é muito menor, o que implica em uma autonomia também muito menor. Se fossemos transportar no tanque de combustível 400 ou 500 kg de gasolina, seria necessária a adoção de motores muito mais potentes do que o usual, em virtude dos problemas de curva de torque que eu apresentei anteriormente (veja o meu tópico  Por Que Elétrico? ). Ou então sacrificar drasticamente a capacidade de carga, o que não é muito interessante.  Para exemplificar, imaginemos um caminhâo tanque, desses usados para transporte de combustível.




Um caminhão desse tipo pode transportar 30.000 litros de combustível. A densidade do óleo díesel é de aproximadamente 0,85 kg/l, o que dá um peso de 25.500 kg. o consumo médio de um caminhão transportando uma carga como esta é de 1 km/l. Assim, se este tanque for conectado diretamente ao motor, permitirá uma autonomia de impressionantes 30.000 km, talvez até um pouco mais, pois a medida que o combustível é consumido, o peso diminuii, consequentemente diminuindo o consumo. Mas esta autonomia impressionante não é muito prática do ponto de vista econômico. Primeiro porque seria um veículo muito caro e pesado para transportar apenas 3 pessoas. É muito mais viável usar um pequeno carro de passeio e abastecer ao longo da viagem (na maioria dos casos práticos, postos de gasolina podem ser encontrados por todo o percurso). Um carro de passeio pequeno pode fazer até 15 km/l na estrada. Os mesmos 30.000 litros nesta situação permitiriam uma autonomia de 450.000 km, mais do que a distância entre a Terra e a Lua. Apresento estes dois casos extremos apenas para mostrar que existe um limite prático para o peso de combustível que pode ser transportado em um veículo. Por isso, normalmente o peso de combustível transportado em carros de passeio varia entre 50 e 100 kg. Nesta conta, não estou mencionando o peso do tanque de combustível e de todo o sistema de alimentação (tubulações, mangueiras, bombas, filtros, boias, etc.).



Fica claro por este exemplo que devemos tomar muito cuidado ao comparar veículos a combustão com veículos elétricos, pois estamos comparando duas coisas que são diferentes em sua essência. É como comparar cebolas com batatas. Ambos são alimentos nutritivos de origem vegetal, mas as semelhanças acabam por ai. Pensando nisso, elaborei o que chamo de Verdades Relativas aos Veículos Elétricos, as quais apresento a seguir.

Primeira Verdade: Veículos elétricos não armazenam energia da mesma forma que veículos a combustão.

Esta verdade é decorrente do exposto acima. Esta afirmação pode parecer trivial e óbvia, mas possui implicações profundas quanto ao projeto de veículos. Por exemplo: o peso maior das baterias poderia ser amplamente compensado pelo peso menor dos sistemas motor e de transmissão, ou por um projeto de carroceria usando materiais mais adequados. Se ônibus e caminhões utilizassem em sua construção os mesmos materias que são usados em carros de passeio, seu peso se tornaria proibitivo. É por isso que nesses veículos, materiais como alumínio e fibra de vidro são amplamente utilizados.

Segunda Verdade: Veículos elétricos não usam a energia da mesma forma que veículos a combustão.

Esta afirmação não é tão óbvia como a primeira, o que tem ocasionado muitos erros conceituais, inclusive entre projetistas de veículos elétricos. Para entender esta diferença tão importante, é necessário observar o comportamento de veículos em funcionamento. Algumas coisas são comuns a qualquer veículo. Por exemplo: todos os veículos possuem massa. Portanto, todos os veículos possuem as propriedades da massa, como por exemplo a inécia, a propriedade dos corpos com massa de manter uma velocidade constante quando nenhuma força é aplicada ao mesmo. Se um veículo é levedo a uma pista reta e plana e é acelerado até, por exemplo, 100 km/h, sua tendência é de manter estes 100 km/h. Forças de atrito com o solo e com o ar tendem a desacelerar este veículo. Se o desenho aerodinâmico deste veículo for bom e os pneus estiverem em bom estado e corretamente alinhados e calibrados, este veículo pode manter esta velocidade por uma distância razoável. Pode atingir uma distância de 1 ou 2 quilômetros sem perder muito desta velocidade (eu sei porque eu fiz o teste). Esta é uma propriedade que poderia ser usada para melhorar a autonomia de veículos. No entanto, no caso dos veículos a combustão, uma característica dos motores interfere nesta utilização. Esta característica está associada a partida dos motores. A ignição de motores a combustão é algo complexa. Esses motores não ligam-se espontaneamente quando se fornece combustível. Para acioná-los, é necessário um impulso inicial. Nos primeiros motores a gasolina, este impulso era dado através de uma manivela girada manualmente. Esta manivela era pesada e desistimulava o uso de automóveis pelas mulheres (que na época mostravam uma clara preferência pelos elétricos). Posteriormente, um pequeno motor elétrico passou a ser usado no lugar da manivela.




Para isso, uma pequena bateria de chumbo foi adicionada ao sistema, bem como um gerador para manter a bateria carregada. Neste sistema de partida elétrica, um pequeno botão é acionado ou uma chave é virada, fechando o contato elétrico e acionando o pequeno motor de partida. Este impulso inicial comprime a mistura de ar e combustível no interior dos cilindros do motor, o que provoca a ignição e põe o motor em funcionamento. Uma vez acionado, o motor de partida não é mais necessário e pode (ou deve) ser desativado. E uma vez acionado, o motor a combustão deve ser mantido em funcionamento durante todo o período em que for utilizado, mesmo durante pequenas paradas ou em situações no plano (ou mesmo descidas), uma vez que a partida do motor é complexa e sujeita a falhas, o que pode colocar em perigo o motorista e passageiros se for tentada com o veículo em movimento. Além disso, atrualmente muitos sistema do veículo, como freios e direção, dependem do motor para seu correto funcionamento. Existem alguns projetos modernos, como o Stop & Start do Citroën C3, que tentam compensar esta deficiência usando um motor de partida mais potente, que também pode ser usado como gerador para a carga da bateria, associado a um controle eletrônico que detecta automaticamente as situações em que o motor pode ser desligado e em quais ele precisa ser prontamente acionado, sem que o motorista precise se preocupar com isso. O motor de partida mais potente permite que o motor principal seja acionado mais rapidamente.




Em um veículo elétrico, o motor não precisa permanecer constantemente ligado. Além disso, a automação necessária para a sua partida e controle é muito mais simples do que a requerida para um motor a combustão. Existe a possibilidade de tornar o controle do motor inteiramente automático, permitindo ao motorista dirigir sem se preocupar com o motor. Em uma situação de deslocamento no plano, o sistema pode ser programado para fornecer ao motor apenas a potência extritamente necessária para vencer as forçãs de atrito. Se for uma descida, o motor pode atuar como um gerador, transportando para a bateria qualquer energia ganha que de outra forma aceleraria o veículo. Mesmo em uma frenagem, o mesmo processo pode ser usado, recuperando a energia cinética do veículo (que como vimos no post anterior, não é pouca coisa). Estas características apresentadas, mostram que não é suficiente comparar a  eficiência específica dos motores ou a capacidade energética dos combustíveis. É indispensável levar em consideração a maneira como a energia é utilizada. O grande poder calórico da gasolina por muitos anos incentivou o desperdício na indústria automotiva. Quando o preço do petróleo começou a subir, este modelo perverso já estava estabelecido e não se podia mais voltar atrás.

Terceira Verdade: Veículos elétricos não se comportam como veículos a combustão.

Uma consequência das duas Verdades anteriores. As diferenças  conceituais quanto a forma de armazenar e utilizar a energia, juntamente com as diferenças de eficiência e comportamento dos motores exigem que se pense de maneira diferenciada quando se projeta veículos elétricos. Um exemplo de desempenho diferenciado e autonomia bastante aceitável pode ser encontrado nos projetos da Tesla Motors. Os projetos da Tesla, como o famoso Roadster, evidenciam que seus projetistas compreenderam e adotaram o novo paradigma. Infelizmente, os preços de seus produtos ainda estão muito elevados, uma consequência do mercado ainda não haver  adotado este novo paradigma.




Para saber mais:


terça-feira, 29 de setembro de 2009

Autonomia dos Veículos Elétricos

Gostaria de fazer um comentário, antes de iniciar o assunto deste post, sobre a criativa "reinvenção da roda" apresentada pela Michelin no último Salão do Automóvel de Franfurt. A matéria completa  está aquí.

Gostei muito da idéia. Só espero que esteja disponível para a indústria a preços viáveis.

Terminei o post anterior afirmando que a limitada autonomia dos veículos elétricos foi a causa de sua não popularização e a consequente ascenção dos veículos a combustão interna. Mas se o motor elétrico é tantas vezes mais eficiente que os a combustão (também conhecidos como térmicos), porque esta limitação ocorre?

A energia elétrica é uma das manifestações mais organizadas que a energia pode assumir na natureza. Talvez a mais organizada. Ela pode ser gerada, transmitida e usada de maneira relativamente simples. Contudo, o seu armazenamento tem sido um desafio desde que a mesma foi descoberta. Isto ocorre em virtude do caráter dinâmico desta forma de energia. Para a melhor compreensão deste fenômeno, discutirei aqui um pouco sobre energia.

Como ja discuti anteriormente, energia representa a capacidade de se realizar trabalho. Esta correspondência entre energia e trabalho é tão grande que, do ponto de vista matemático, costumamos tratar estas duas entidades como equivalentes. Isto porque, se algum trabalho foi realizado, uma certa quantidade de energia foi necessária e a correspondência é exata (mesmo as perdas de energia que um sistema venha a apresentar representam algum trabalho, mesmo que este não seja aproveitável).

Podemos dividir a energia em dois grandes grupos:

Energia Potencial - Representa a energia armazenada de alguma forma, pronta para executar trabalho.
Energia Cinética - Representa a energia que um corpo em movimento possui, e que está associada à sua massa e velocidade.

Um exemplo clássico é a energia potencial gravitacional, que é a energia que um corpo material possui em função de sua posição (altura) em relação ao solo. Imagine um paraquedista que se encontra em um avião, pronto para realizar o seu salto:



Vamos supor que a altura do avião em relação ao solo, no momento do salto, seja de 1000m. Não farei uma demonstração matemática aqui, mas a teoria diz que a energia potencial do paraquedista, em relação ao solo, é dada por:

Ep=mgh

Onde:
Ep= a energia potêncial do paraquedista;
m= a sua massa, que em condições normais de gravidade terrestre corresponde ao seu peso;
g= a aceleração da gravidade próxima a superfície da terra, que é aproximadamente 9,8 m/s².

Como a terra é muito grande, até uns 10 ou 15 km de altura ainda pode-se considerar "próximo" a superfície. Então a altitude do avião não vai afetar de maneira significativa os nossos cálculos.

Uma vez que o paraquedista salta, sua energia potencial começa a ser usada para acelerá-lo para baixo (é o que costumamos chamar de queda livre, ou atração da gravidade). Nesta situação, surge no paraquedista a energia cinética, que é dada por:

Ec=(mv²)/2

Onde:
Ec= é a energia cinética
m= mais uma vez é a massa do paraquedista
v= é a velocidade instantânea do paraquedista. Como ele está em queda, esta velocidade está aumentando a cada instante.

Vamos supor que o peso do paraquedista, incluindo o paraquedas, seja de de 100 quilos (para facilitar as contas). Assim, sua energia potencial será de:

Ep=100x9,8x1000=980000 Joules

Esta energia é suficiente para ferver 3 litros de água a partir dos 25 graus. Não parece muita coisa. mas a partir da comparação entre a enegia potencial inicial do paraquedista (imediatamente antes do salto) e sua energia cinética final, podemos calcular a velocidade que ele atingiria caso se esquecesse de abrir o seu paraquedas. Sabemos que a energia potencial se converte em energia cinética. Portanto a quantidade de energia cinética está limitada pela quantidade de energia potencial disponível. Ou seja;

Ec=Ep=mgh=980000 Joules

mas Ec=(mv²)/2

então  v²=2Ec/m=2x980000/100

v=√(2Ec/m)=140 m/s = 504 km/h


Na prática, o paraquedista nunca atinge esta velocidade, mas por causa do arrasto aerodinâmico, esta velocidade se estabiliza em algo entre 150 e 200 km/h. Mas isso nos dá uma idéia da energia potencial gravitacional e nos ajuda a entender porque não se deve saltar de um avião em vôo sem usar um paraquedas. E na próxima vez que for ferver água, pense na  quantidade de energia que é necessária para fazer algo tão trivial.


Felizmente, nossa preocupação não é ferver água. Mas seria se tivéssemos que usar motores a carvão. É esta dificuldade em ferver a água é que a torna ideal para refrigeração de motores. Então, quando o motor do seu carro ferver, pode estar certo de que há algo muito errado com ele.


Mas o que eu quero ressaltar é a equivalência entre as duas formas de energia, a potencial e a cinética. E a capacidade de ambas como forma de se armazenar energia. E para demonstrar esta capacidade, vamos usar, no lugar do paraquedista, o "Buster", o famoso boneco de testes dos Mithbusters. Se o Buster for lançado do avião a 1000m de altura, e se pudéssemos desprezar o atrito com o ar (não podemos), então ele atingiria o solo a 504 km/h. e ene faria isso com a energia necessária para ferver 3 litros de água. Mas no momento do impacto, a velocidade cai a zero e portanto a energia cinética também cai a zero. Para onde foi esta energia? A Primeira lei da Termodinâmica afirma que esta energia não pode desaparecer, tem que ir para algum lugar. Na verdade, toda esta energia acaba por se transfoarmar em calor. Se houvesse uma maneira de concentrar todo este calor em um único ponto, como por exemplo uma panela contendo 3 litros de água, ela instantaneamente atingiria a fervura. Contudo, esta fervura não se manteria, pois não há mais calor adicional a ser fornecido e a água começaria lentamente a esfriar, ou seja, este calor começaria a ser dissipado no ambiente.


O Calor também é uma forma de energia, assim como a energia cinética do Buster ou uma corrente elétrica. O calor é a energia térmica em trânsito entre dois corpos, ou entre partes diferentes de um mesmo corpo. A energia térmica está associada ao movimento dos átomos e moléculas que compõem um material qualquer. Quanto maior a velocidade destes átomos e moléculas, mais energia cinética eles contém. Como a  quantidade de átomos e moléculas (que a partir de agora chamarei de partículas, mas por favor, não  confunda com as partículas subatômicas) é muito grande, e cada partícula pode se mover em uma direção diferente, acabamos com uma distribuição caótica desta energia pelo corpo. A energia térmica não é muito organizada. Por isso, obter trabalho a partir da energia térmica acaba sendo um pouco complicado e não muito eficiente (em um post futuro, tratarei com mais detalhes as características da energia térmica). Comparativamente, a energia cinética contida em um único corpo em um ambiente livre de atrito é muito mais organizada, e em condições adequadas, esta energia pode ser aproveitada com um alto gra de eficiência. No entanto, manter um único corpo em condições de atrito zero é uma condição relativamente difícil de se obter. Pode-se obter efeito semelhante a partir de um corpo em rotação dentro de uma câmara de vácuo. É mais ou menos assim que a energia é armazenada no sistema KERS utilizado atualmente nos carros de Formula 1.







Quase tão organizada quanto a energia cinética de um único corpo é a energia elétrica. eu digo quase porque esta organização pode ser afetada pela forma como ela é armazenada e distribuida. Os condutores elétricos metálicos oferecem muito pouca resistência a passagem de uma corrente elétrica. Mas esta resistência não é nula. Uma corrente elétrica se estabelece quando dois extremos de um material condutor (por exemplo o cobre ou o alumínio) são submetidos a um campo elétrico (por exemplo, o condutor pode ser conectado ao dois polos de uma pilha elétrica). Quando este campo elétrico é estabelecido, os elétrons mais externos que orbitam nos átomos deste condutor tendem a ser atraidos pelo polo positivo e começam a se deslocar nesta direção. Uma vez que um dos eletrons se desloque, deixa um espaço livre no orbital do átomo, que logo é preenchido por outro elétron. Este processo é muito rápido, mas a quantidade de átomos também é muito grande. Então, se tivéssemos que esperar que um eletron atravessasse toda a extensão do condutor para obter uma corrente, este processo poderia levar alguns segundos. Mas não é isso que se observa. Quando fechamos o circuito, a corrente se estabelece instantaneamente. Isto ocorre porque, ao fechar o circuito, todos os eletrons são simultaneamente submetidos ao campo elétrico e começam a se deslocar de maneira quase  que siultânea. É mais ou memos o que ocorre quando abrimos a água em uma mangueira de jardim: se a mangueira já estiver cheia de água, a mesma começa a jorrar no instante em que a torneira é aberta, pois as moléculas de água empurram umas às outras, estabelecendo o fluxo quase que instantaneamente.







Como já discutimos anteriormente, todos os materiais em temperatura ambiente apresentam um movimento caótico de suas partículas, associado a energia térmica. Chamamos a este movimento de agitação térmica. Esta agitação térmica interfere no movimento dos elétrons em um condutor, dificultando este movimento. Quanto maior a temperatura deste objeto (que é uma forma de medir esta agitação térmica), maior a resistência elétrica deste material. Podemos inferir que se um material for  suficientemente aquecido, mesmo que a temperatura ambiente ele seja um bom condutor, pode se tornar um mau condutor ou mesmo um isolante elétrico. Um isolante é um material cuja condutividade é tão baixa que, para todos os efeitos práticos, pode se considerar que não conduz corrente elétrica. Mas na prática, com raras exceções, esta temperatura seria muito acima do ponto de evaporação destes materiais. Mas se o aumento de temperatura aumenta a resistência, poderiamos esperar que uma diminuição desta temperatura tenha o efeito oposto, melhorando a condutividade elétrica do material. Poderíamos ainda imaginar  que, se abaixarmos o suficiente a temperatura, podemos atingir um ponto em que a condutividade do material seja perfeita, ou seja, sua resistência elétrica seja zero! E isso de fato acontece. Chamamos a este fenômeno se supercondutividade e ele tem inúmeras aplicações tecnológicas e industriais. Em condições adequadas, uma corrente elétrica pode ser aplicada a este supercondutor e esta corrente poderia permanecer circulando indefinidamente.

A partir do que foi discutido, podemos identificar 3 maneiras de se armazenar energia:

Pode-se armazenar energia potencial gravitacional. Isso na prática é feito nas usinas hidrelétricas, Ao invés de se levantar um corpo pesado até uma certa altura e soltá-lo (o que não seria muito prático), constroem-se barragens muito altas, as quais contém grandes quantidades de água represadas. Quanto mais alta a barragem, mais energia pode ser obtida para girar as turbinas e os geradores.




Pode-se armazenar energia cinética. Como já dissemos, este é o método utilizado no sistema KERS da Formula1.

Pode-se também armazenar energia através de surpercondutores. Embora já tenha sido feito em laboratório, não conheço nenhuma aplicação comercial prática que use o princípio, pois o mesmo ainda requer aperfeiçoamentos (caso alguém conheça uma aplicação assim, por favor me informe).




Todas as formas de armazenamento mencionadas  não podem ser diretamente aplicadas a um veículo por serem grandes e volumosas (não consigo imaginar um carro transportando uma usina hidrelétrica), ou ainda não se encontram suficiente amadurecidas tecnologicamente para a aplicação.

O que pode ser feito então?

Obviamente eu não discorrí sobre todas as formas possíveis de armazenamento de energia. E ainda não mencionei a forma mais usual. Refiro-me a energia química.

Para que os átomos que compõem os materias se liguem entre sí, uma certa quantidade de energia é necessária. Algumas substância, como a gasolina, apresentam tanta energia em suas ligações que elas tendem a ser instáveis. Por causa dessa instabilidade podem se combinar facilmente com o oxigênio do ar, liberando grande quantidade de energia térmica no processo.

Os átomos também podem ser eletricamente carregados. Grandes quantidades de átomos carregados podem ser acumulados nos eletrodos das baterias elétricas. Existem diversos tipos de baterias elétricas no mercado. Normalmente as baterias envolvem metais como chumbo, zinco ou níquel, mas também podem usar grafite ou polímeros especiais, plásticos desenvilvidos para a aplicação. As primeiras baterias eram feitas de zinco e cobre, metais que eram consumidos durante o seu funcionamento. essas baterias não podiam ser recarregadas. As pilhas descartáveis que usamos hoje são descendentes diretas destas baterias originais, embora usando outros materiais. Logo ficou clara a necessidade de baterias que pudessem ser recarregadas a partir de uma fonte externa e que não fossem destruidas no processo de descarga. As baterias de chumbo ácidas encontram-se entre as primeiras baterias recarregáveis viáveis e encontram-se em uso até hoje. Possuem grande quantidade de corrente e carga, mas possuem a incômoda limitação de serem muito pesadas. Em termos de energia por peso, o uso de gasolina é muito mais vantajoso do que armazenar energia em baterias. Enquanto a gasolina possui um potencial energético de 12500 Wh/kg (ou 45 MJ/kg, a bateria de chumbo ácida permite armazenar apenas de 25 a 30 Wh/kg ( 90 a 108 KJ/kg), ou seja, aproximadamente 120 vezes menos que a gasolina. Mesmo as modernas baterias de lítio são capazes de armazenar de 3 a 5 vezes mais que as de chumbo. Então se considerarmos apenas a capacidade de armazenar energia (o que é decisivo em termos de alcance para um altomóvel), mesmo que um motor a gasolina apresente uma eficiência de 20%, ainda assim, seu alcance seria 25 vezes maior do que um elétrico. E foi esta diferença que foi decisiva no início da indústria automotiva e que estabeleceu o motor a gasolina como padrão absoluto, desbancando os elétricos.

Esta lógica fazia muito sentido em uma época em que a gasolina era muito barata e simplesmente não havia preocupações ambientais. No entanto, vivemos em uma outra época, onde essas condições sofreram profundas mudanças que começam a viabilizar os veículos elétricos.

No próximo post, continuarei a tratar do problema da autonomia.