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.

quarta-feira, 23 de setembro de 2009

Veículos elétricos e a indústria do petróleo

Vocês acharam o post anterior complicado? Eu também. É difícil explicar certas coisas em poucas palavras, principalmente se tentamos acrescentar evidências. Eu não fiquei satisfeito com a minha última exposição e resolvi abordar um pouco mais o assunto. Mas desta vez não vou elaborar muito o tema, apenas expor as minhas conclusões.

A maioria das pessoas não sabe, mas o automóvel praticamente nasceu elétrico. As primeiras experiências eram máquinas a vapor, mas a partir dde 1830 já havia automóveis elétricos. Contudo, seu uso era restrito devido a limitada capacidade dos motores e baterias da época. No final do século XIX, havia três opções possíveis para motorização de automóveis: a vapor, a gasolina e elétrico. Embora costume-se creditar a invenção do automóvel a Karl Benz, já havia vários experimentos com relativo sucesso usando motores a vapor e elétricos. Por volta do ano 1900, a maioria dos automóveis eram elétricos. O próprio Santos Dumont possuia um automóvel elétrico, com o qual se deslocava pela elegante Paris (isso quando não o fazia de dirigível ou com o seu charmoso Demoiselle).



Isso acontecia porque a eficiência dos motores a combustão ainda era muito baixa, aliada aos problemas de controle de potência e de transmissão. O motor elétrico era mais eficiente e mais facil de controlar. As primeiras corridas de automóveis eram dominadas pelos velozes elétricos. Foi um elétrico que pela primeira vez bateu o recorde dos 100 km/h, mesmo antes dos aviões fazerem o mesmo.




Quando a eficiência dos motores a gasolina atingiu um paramar aceitável, estes tornaram-se um padrão, desbancando os elétricos. Isso em virtude de sua autonomia muito superior e do baixíssimo preço da gasolina na época. Numa época em que não havia preocupações ambientais, isso foi suficiente para levar os elétricos ao esquecimento. Simplesmente a pesquisa na área foi abandonada e nenhum avanço surgiu até a década de 1960, quando por motivos ambientais, o elétrico voltou a ser cogitado. A crise do petróleo levou a outras tentativas nas décadas de 1970 e 1980, mas nenhuma delas resultou em mudança. Um paradigma havia se estabelecido, e a inércia  social, aliada aos interesses da indústria, impediram o desenvolvimento do veículo elétrico economicamente viável.

Entre 1996 e 1999, a General Motors lançou o EV1, veículo totalmente elétrico, que era comercializado somente pelo sistema de leasing. O carro era elegante e tinha um excelente desempenho, com um alcançe bastante aceitável, entre 80 e 140 km e a velocidade alcançava a incrível marca de 290 km/h.






Por algum motivo misterioso, entre 2003 e 2004, a GM simplesmente recolheu de circulação todos os EV1 do mercado, exercendo seu direito ao final dos contratos de leasing. Estes veículos foram simplesmente destruidos.



Mas um fato novo está mudando este quadro. A constatação de que o aquecimento global, provocado pelo efeito estufa excessivo resultante das emissões de gás carbono de nossa economia indurtrial, está provocando o derretimento acelerado da calota polar do Ártico, provocou o pânico na sociedade. Uma corrida pelo automóvel de emissões baixas o mesmo nulas está em marcha e ao que tudo indica, é um movimento irreversível. A preocupação existente entre os ambientalistas é de que este movimento tenha chegado tarde demais para reverter as mudanças no clima. Como o tempo entre o  surgimento de uma nova tecnologia e sua popularização pode variar entre 20 e 40 anos (veja como exemplo o próprio automóvel, o avião, a televisão, o telefone, o celular e o computador pessoal), encontramo-nos no estágio de utilização dos elétricos que deveríamos estar a 40 anos atrás. Para corrigir isso, ações concretas dos governos e da indústria devem ser tomadas no sentido de incentivar e apressar a transição (posteriormente tratarei com mais detalhes o problema da mudança climática).

Por outro lado, podemos considerar que a tecnologia elétrica possui mais de 170 anos e não 40. Encarando assim, podemos ter uma esperança de que a mudança de paradigma se acelere e consigamos alcançá-la não em 40 ou 20 anos, mas em 5.

Apresento abaixo os principais motivos para realizar esta mudança:

1. Para conter a mudança climática, é necessário não somente reduzir as emissões de carbono, mas retirar grandes quantidades de carbono que já se encontram na atmosfera. O atual modelo de combustíveis fósseis não permite este ajuste;

2. O precioso petróleo, fonte de inúmeros insumos e matérias primas está em vias de se esgotar. O consumo de petróleo já está crescendo mais rápido do que a produção e se as economias continuarem no atual rítmo de crescimento (mesmo com a crise econômica), em poucos anos a curva da produção e do consumo irão se cruzar. Nesta hora, vai faltar petróleo e o seu preço irá às alturas;

3. Em um contexto econômico como o nosso, fortemente dependente de energia, é inconcebível usar esta mesma energia com uma eficiência de 20%, quando são possíveis 80 ou 90%.

Não menciono aqui outras vantagens do VE, como a operação absolutamente silenciosa (tanto que alguns fabricantes estudam a adoção de um  ruido de motor artificial como forma de alertar os pedestres da aproximação do veículo), simplicidade de manutenção, emissão zero de poluentes (o gás carbônico não é o único poluente emitido pela queima de gasolina) e direção mais simples. Contudo, os veículos elétricos ainda possuem uma desvantagem, a mesma que impediu a sua popularização no início do século XX: a autonomia. Mas este é o assunto do próximo post.

Para saber mais:

http://pt.wikipedia.org/wiki/General_Motors_EV1
http://www.lps.usp.br/lps/arquivos/conteudo/grad/dwnld/CarroEletrico2005.pdf
http://www.maxicar.com.br/old/reporter/carroseletricos.asp

segunda-feira, 21 de setembro de 2009

Matriz energética, política energética e a tração elétrica

Vimos no post anterior as inúmeras vantagens do uso de tração elétrica em relação aos motores a combustão (e eu ainda não mencionei todas elas). Mas se o uso da tração elétrica apresenta tantas vantagens, por que não é mais amplamente utilizada?

Atualmente, do ponto de vista oficial, quando se fala em tração elétrica, normalmente estamos falando de ônibus e locomotivas. Para veículos grandes e pesados, o ganho com a eficiência energética é muito mais significativo, Neste tipo de veículos, os quais normalmente percorrem percursos fixos, o uso de eletricidade como forma de propulsão é particularmente vantajoso. Normalmente nestes casos, a alimentação para estes veículos é fornecida diretamente da rede elétrica, dispensando o uso das pesadas baterias. Todos já devem ter visto a fiação suspensa utilizada para alimentar trolleibus e locomotivas. No caso do metrô, esta fiação é mais discreta, pois normalmente a mesma é colocada junto aos trilhos.




Do ponto de vista oficial (falando em termos de Brasil) isto é tudo o que existe em termos de tração elétrica. Outras aplicações, tais como empilhadeiras e carros para transporte em distâncias curtas, são consideradas pequenas distorções à regra e não existe nenhuma política oficial que lhes reconheça a existência ou a necessidade. Alguns estados oferecem isenção ou redução de IPVA, mas isso acontece principalmente porque, normalmente, esses veículos não são destinados a trafegar nas ruas. Automóveis elétricos não tem sequer a sua existência oficialmente reconhecida. Isso a despeito do movimento mundial em direção aos veículos elétricos e aos diversos lançamentos que as montadoras fazem diariamente, para atender as demandas do mercado europeu, americano e asiático. Isto não acontece porque o governo ou o congresso não gostem de carros elétricos. Existe até mesmo um projeto de lei propondo a isenção de IPI para veículos elétricos. Contudo, desconheço qual o nível de importância que a classe política tem dado a este projeto, pois nunca ouço falar sobre ele na mídia. Soube dele através de sites especializados (veja em http://abve.org.br mais sobre o assunto). Assim sendo, não tenho como julgar se há ou não interesse político ou governamental em incentivar esta forma mais econômica, eficiente e ambientalmente correta de locomoção. Tudo o que eu consigo é fazer uma fotografia do que vejo hoje. E o que eu vejo hoje é a política energética oficial. Esta política é definida pela Lei número 9478, promulgada por Fernando Henrique Cardoso em 1997, dispôe sobre a política energética nacional. De seus 10 artigos, 8 falam de petróleo e gás natural. Hidreletricidade e biomassa não são sequer citados, apesar de sua importante participação dentro da matiz energética do país. Os dois primeiros capítulos tratam muito vagamente da questão energética. Cito abaixo o promeiro capítulo:

CAPÍTULO I
Dos Princípios e Objetivos da Política Energética Nacional
Art. 1º. As políticas nacionais para o aproveitamento racional das fontes de energia visarão aos seguintes objetivos:

I - preservar o interesse nacional;
II - promover o desenvolvimento, ampliar o mercado de trabalho e valorizar os recursos energéticos;
III - proteger os interesses do consumidor quanto a preço, qualidade e oferta dos produtos;
IV - proteger o meio ambiente e promover a conservação de energia;
V - garantir o fornecimento de derivados de petróleo em todo o território nacional, nos termos do § 2º do art. 177 da Constituição Federal;
VI - incrementar, em bases econômicas, a utilização do gás natural;
VII - identificar as soluções mais adequadas para o suprimento de energia elétrica nas diversas regiões do país;
VIII - utilizar fontes alternativas de energia, mediante o aproveitamento econômico dos insumos disponíveis e das tecnologias aplicáveis;
IX - promover a livre concorrência;
X - atrair investimentos na produção de energia;
XI - ampliar a competitividade do País no mercado internacional.

Embora este capítulo da Lei mencione coisas como "valorizar recursos energéticos", ou "utilizar fontes alternativas de energia", o restante da lei versa apenas sobre petróleo e gás natural. Não quero dizer com isso que a posição governamental ignore os demais elementos da matriz energética. Isso apenas mostra a falta de posição oficial quanto às outras fontes de energia. Isto em parte se explica pelo monopólio estatal sobre o petróleo, enquanto as outras fontes estão mais sujeitas ao livre mercado (veja o texto completo da lei em http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/Leis/L9478.htm).

O resumo de tudo isso é que a política energética nacional nada mais é do que uma carta de boas intenções, construida para legislar sobre direitos de exploração petrolífera. Como o petróleo possui um peso gigantesco na matriz energética (embora não tão grande como, por exemplo, nos Estados Unidos), esta abordagem é compreensível, mas não aceitável.

Em termos mundiais, o peso da indústria petrolífera foi muito maior. Antes de se falar amplamente em aquecimento global, a única preocupação das empresas de petróleo era maximizar seus lucros. Eventuais acidentes que provocaram grandes derrames de petróleo provocavam os ecologistas e a opinião pública, mas nunca era um questionamento duradouro, seja pelo empenho das próprias empresas em "limpar a sujeira", seja pela percepção de que, em poucos anos, o próprio ambiente acabava por se livrar do petróleo. Mas quando surgem evidências incontestáveis de que o uso de combustíveis fósseis está alterando o clima e ameaçando a vida na Terra, as empresas de petróleo sentiram que "limpar a sujeira" ficou um pouco mais difícil. Essas empresas começaram a ser pressionadas a "pagar a conta" do carbono lançado na atmosfera, juntamente com a indústria automobilística. Esta pressão tem sido mais intensa na Europa e alguns países da Asia, como Japão e Coréia, mas ja começa a se manifestar nos Estados Unidos. O Presidente Obama acaba de aprovar uma verba bilionária para pesquisa em energias alternativas, incluindo propulsão elétrica. Por estes motivos, prativamente todas as montadoras ja possuem modelos elétricos, senão prontos para venda, com previsão para lançamento em 1 ou 2 anos.

Mas no Brasil não vemos este movimento, talvez por comodismo, talvez por se considerar que a propulsão elétrica seja uma concorrência (e uma ameaça) aos programas do álcool e do biodiesel, que a despeito do que foi dito acima sobre a política energética, tem sido a "menina dos olhos" do governo brasileiro, pois servem como uma bandeira ao mundo, mostrando que o Brasil é "ambientalmente responsável" (posteriormente discutirei os prós e contras dos programas do álcool e do biodiesel).

Vemos então que as posições oficiais pelo mundo tem variado entre o completo descaso à acirrada oposição e que só muito recentemente estas posições tem mudado. Só espero que o Brasil perceba que pode estar "perdendo o bonde da história"

Para saber mais:

http://planetasustentavel.abril.com.br/noticia/estante/estante_263106.shtml

sexta-feira, 18 de setembro de 2009

Por que elétrico???

Durante muito tempo, os VE estiveram restritos ao "muito pequeno" ou ao "muito grande". No "muito pequeno" encontramos a propulsão elétrica em brinquedos e carros de golfe. Neste grupo, o que encontramos de maior são as empilhadeiras elétricas, muito usadas em ambiente interno, onde não há condições adequadas de ventilação, dificultando a dispersão dos gases de escape de um motor a combustão. No "muito grande", encontramos os trolleibus, os bondes (é, em alguns países eles ainda existem) e as locomotivas elétricas ou híbridas. Recentemente, avanços na  eletrônica de potência permitiram VEs ocupando o espaço entre esses dois mundos. O automóvel elétrico tornou-se tecnicamente viável.

No Brasil, mesmo antes desses avanços na eletrônica, tivemos o trabalho do pioneiro João Augusto Conrado do Amaral Gurgel, com o seu Itaipú. Era um veículo pequeno e agil, mas com autonomia muito limitada. No entanto, foi utilizado por algumas empresas de energia elétrica como parte de suas frotas.

Mas por que elétrico? Qual a sua real virtude?

A primeira e principal vantagem é energética. Um motor a combustão obtém sua energia mecânica a partir da queima de um combustível, usando o calor gerado no processo para expandir algum fluido (vapor, ar, etc), que por sua vez impulsiona uma parte móvel (êmbolo, turbina, etc). Devido a limitações físicas, conhecidas como Limite de Carnot, a eficiência de um motor a combustão será sempre da ordem de 25% a 30%, se for um motor muito bom. Os motores de automóvel que temos à disposição dificilmente passam dos 20%. Um motor elétrico de má qualidade teria uma eficiência de pelo menos 85% e um de boa qualidade pode chegar fácil aos 98%.

A outra vantagem está relacionada com a curva de torque. Mas antes, gostaria de explicar alguns conceitos que tem sido mal compreendidos, os quais são de vital importância para a correta análise desta questão.

Primeiro, é necessário fazer uma distinção clara entre os conceitos de força, torque, energia, trabalho e potência.

O conceito de "força" foi primeiramente formalizado por Sir Isaac Newton e sintetizado na conhecida fórmula F=ma, onde "F" representa a força, "m" a massa do corpo a ser acelerado e "a" a aceleração deste corpo. Resumindo numa simplificação grosseira, "força" representa a capacidade de "acelerar" um objeto qualquer, ou seja, de alterar a sua velocidade. Se esta força for constante, esta variação ocorrerá de maneira também constante. Quando eu empurro um objeto, um carrinho de supermercado, por exemplo, este carrinho será acelerado enquanto eu continuar empurrando. Mas existe um limite, definido pelo atrito, que atua como uma  força contrária àquela que iniciou o movimento. Ou seja, se eu der um impulso no carrinho (um empurrão forte), o mesmo ganha velocidade até perder o contato com a minha mão, quando começa a desacelerar até a imobilidade. Se eu dispusesse de um piso completamente livre de atrito, eu daria o mesmo impulso e o carrinho manteria a sua velocidade máxima obtida com o impulso até encontrar o primeiro obstáculo que o leve a imobilidade. Esta capacidade dos corpos de manter a velocidade inalterada quando livre do efeito de forças é conhecido como "inércia". Graças as inércia, é possível manter satélites em órbita terrestre mesmo após terminado o combustível do foquete que lhe deu o impulso inicial.

"Torque" é um conceito mais sutil. Tem a ver com alavancas. Diz o mito que o lendário físico e inventor grego Arquimedes afirmou certa vez: "Dê-me uma alavanca e um ponto de apoio e eu levantarei o mundo!" Esta fantástica afirmaçao, embora exagerada, dá uma idéia do poder das alavancas. O torque dá a medida da capacidade de uma alavanca de realizar esforços em função do comprimento desta alavanca e da força aplicada sobre a mesma. Formalmente temos  T=FL, onde T representa o torque, F a força aplicada sobre a alavanca e L a distância entre o ponto de aplicação da força e o ponto de apoio, ou seja, o ponto de rotação da alavanca. A parte da alavanca posterior a este ponto de apoio e que realiza o esforço sobre o objeto a ser movido deve ser tratado como uma outra alavanca, de comprimento menor. Podemos tratar um motor qualquer como uma alavanca (ou conjunto de alavancas) que transmitem um determinado torque ao eixo do motor. O torque é uma das mais importantes características de um motor e  é o que define o seu desempenho.





Podemos dizer, de maneira sumária, que "energia" é a capacidade de realizar "trabalho" Ambos os conceitos estão intimamente relacionados, tanto que uma pode ser transformado no outro e  vice-versa. A formalização matemática de energia e trabalho é um pouco mais complexa. Como existe uma equivalência matemática entre os dois conceitos (veja bem, esta equivalência é apenas matemática!), vou apresentar a fórmula (extremamente) simplificada para trabalho. Em condições em que a força não varia no tempo, tanto em intensidade como em direção e sentido, podemos usar a representação T=Fd, onde "T" representa o trabalho (apresentado em negrito para distinguir de T usado para torque), "F" a força que realiza o trabalho e "d" o deslocamento do corpo que recebeu trabalho. Este "d" é fortemente dependente das condições de oposição ao movimento, como atrito, gravidade, campos elétricos ou magnéticos, etc.

"Potência" representa a taxa de "realização" de trabalho em função do tempo, ou também a taxa de transferência de energia para a realização deste trabalho. Matematicamente é representada por P=T/t, onde "P" representa a potência, "T" indica o trabalho realizado e "t" o período de tempo durante o qual este trabalho é realizado. Em um motor (elétrico ou a combustão) a potência é medida direta do torque e da rotação do eixo.

Após este minincurso de física, necessário em virtude da importância desses conceitos e da confusão que costuma acontecer entre eles (por exemplo, a confusão entre os conceitos de "força", "energia" e "potência"), podemos tratar das dintinções entre os motores a combustão e os elétricos.

Conforme mencionado anteriormente, a potência de um motor é função de seu torque e sua rotação. Matematicamente, P=Tr, onde "P" é a potência do motor, "T" o seu torque e "r" a rotação do motor. Contudo, esses valores não são fixos. Os motores podem operar em uma faixa de rotações que varia de zero até a sua rotação máxima. O torque pode ter um comportamento ainda mais variável, em função desta rotação. Nos motores a combustão, este torque varia em função da rotação. Quanto maior a rotação maior o torque. Quando a rotação é zero, o torque também é zero. Além disso, esse torque não varia de maneira linear com a rotação.





No gráfico acima, temos uma idéia do comportamento do torque de um motor a combustão em função da rotação. Observe que o gráfico começa em 1500 RPM. Abaixo disso, o torque cai tão drasticamente que a potência resultante torna-se insuficiente para operar o veículo. Observe também que tanto o torque quanto a potência crescem de maneira iregular com a rotação.

Os motoes elétricos tem um comportamento bem diferente. Meso em rotação próxima de zero, seu torque é máximo ou próximo do máximo. Alguns tipos de motores elétricos são capazes de operar em torque máximo numa grande faixa de rotações. Abaixo apresento a curva de torque e potência do Tesla Roadster, um esportivo elétrico de  sucesso:



Como podemos observar, a  curva de torque do motor do Roadster é quase linear e praticamente constante até quase 7000 RPM. Isto significa que a potência do motor  sobe de maneira praticamente linear até atingir a rotação na qual o torque começa a cair.

Podemor extrair duas consequências desta diferença de comportamento do  torque entre motores a combustão e elétricos:

Primeira consequência: Veículos elétricos necessitam de menos potência que veículos a combustão.

Os fabricantes de automóveis usam a potência de seus carros como chamariz de venda. Quanto maior a potência, dizem, melhor é o desempenho do carro. Tenho visto alguns veículos com potência máxima impressionante, mas com desempenho e comportamento medíocres. Porque isso acontece? Por causa da curva de torque de seus motores. No Brasil, são fabricados veículos de 1000 cilindradas que rivalizam em potência com outros de 1600 cilindradas. No entanto, seu desempenho continua medíocre como de qualquer veículo de 1000 cilindradas. Isso acontece por causa da curva de torque. Nos veículos de 1000 cilindradas, o torque máximo acontece em uma rotação muito elevada, muito próxima da rotação máxima. É por isso que nesses veículos, é necessário andar com a  rotação do motor elevada. No entanto, a potência máxima quase nunca é usada. Para manter a veloxidade máxima de 120 km/h no plano, são necessários apenas 15 a 20 hp. Em um veículo de 1000 cilindradas típico, que tem entre 60 a 80 hp, esta diferença é usada apenas em acelereções rápidas, e mesmo assim só em regimes em que altas rotaçoes do motor são possíveis. No restante do tempo, trata-se de uma reserva de potência inútil, porque ela só está lá como um efeito colateral do torque necessário para acelerar este veículo até os 120 km/h.

Em um veículo elétrico, um motor de 40hp pode fazer o serviço de um motor a combustão de 80hp MESMO TENDO QUE CAREGAR UM PESO ADICIONAL EM BATERIAS. Isso acontece em consequência da curva de torque deste motor, que fornece torque máximo em baixas rotações. Cito como exemplo o projeto de VE da Fiat em parceria como a Itaipú. O veículo, apesar de carregar várias centenas de quilos adicionais e possuir um motor com a metade da potência do original a gasolina, possui um desempenho ligeiramente superior a um carro 1000, com exceção da velocidade, que é limitada eletronicamente a 120 km/h para poupar baterias. Até porque, este é o limite de velocidade nas estradas brasileiras.

Segunda consequência: Veículos elétricos não necessitam de câmbio.

Como o  torque máximo ocorre desde a rotação quase zero, não é necessário realizar a conversão de potência em torque que ocorre no câmbio. Basta uma redução adequada ou nem mesmo isso, se o motor tiver potência suficiente. Isto simplifica a construção do veículo e reduz seu peso, bem como as perda por atrito inerentes a um sistema de câmbio.

Cito rapidamente outras vantagens do motor eletrico. Uma delas é que ele não precisa ficar ligado quando o veículo está parado (como em um semáforo ou um congestionamento). Outra é que este motor (ou pelo menos alguns tipos) podem funcionar como geradores durante uma frenagem ou a descida de uma ladeira, o que permite recuperar grande parte da energia gasta para colocar o veículo em movimento. Isto é chamado de frenagem regenerativa.

Todas essas características de alta eficiência energética, curva de torque constante, frenagem regenerativa, aliados à possibilidade de controle automatizado mais efetivo, poupando energia, faz do motor elétrico o ideal para aplicações tracionárias. Mas se é assim, por que não é amplamente usado?

Este é assunto para o próximo post.

Para saber mais:

http://carros.hsw.uol.com.br/motores-de-carros.htm
http://carros.hsw.uol.com.br/carros-eletricos.htm
http://www.teslamotors.com/

quinta-feira, 17 de setembro de 2009

A Revolução Industrial e os combustíveis fósseis

Nós conhecemos um mundo dependente do petróleo. Precisamos dele para nos locomover, vestir, morar, alimentar, medicar. Dele saem combustíveis e matérias primas, sem os quais a sociedade que conhecemos hoje simplesmente não existiria. Mesmo a atual população mundial de 6 bilhões de habitantes não poderia ser mantida sem o petróleo. No entanto, tendemos a pensar em petróleo apenas como combustível e nos esquecemos que dele também saem os plásticos, tecidos, solventes, corantes, fertilizantes, pesticidas, medicamentos, etc. O petróleo permitiu a consolidação da Revolução Industrial, iniciada com base no carvão mineral. Com isso em mente, me dei conta de que podemos estar, literalmente, "queimando" nossa principal  fonte de recursos. E enquanto o fazemos, provocamos a maior mudança ambiental da qual ja se teve notícia, somente superada por aquelas que, teoricamente, deram causa às grandes extinções em massa, a mais recente ocorrida a 60 milhões de anos e que vitimou os dinossauros.

O petróleo é um material nobre e não renovável. Queimar petróleo é como rasgar dinheiro. É como rasgar notas de 100 dólares. Ou como usar notas de 100 dólares para acender charutos.

Mas a nossa sociedade está  viciada em  petróleo. (veja em http://planetasustentavel.abril.uol.com.br/noticia/desenvolvimento/conteudo_412689.shtml). E este vício, assim como o vício do cigarro ou de outras drogas, pode nos levar à destruição. Algo tem que ser feito com urgência.

Que tipo de algo????

Vou discutir algumas propostas que tem sido apresentadas para este impasse:

1 - Economia sustentável

De acordo com esta proposta, os recursos naturais devem ser manejados de maneira não predatória, respeitando as características de cada lugar e repondo aquilo que foi tirado da natureza. Podemos cita alguns exemplos deste tipo de abordagem, como extração de madeira de áreas plantadas para este fim, substituição da atividade pecuária em áreas de floresta pela exploração renovável de recursos da mesma, reciclagem do lixo urbano e industrial, etc. No Brasil, o expoente máximo deste tipo de abordagem é o programa do álcool combustível, que baseou-se em uma cultura preexistente e tem sido muito elogiada pela capacidadede sequestro e carbono (que será assunto de um futuro tópico).

2 - Retirada sustentável

Esta proposta é muito mais radical. Proposta pelo fisiologista britânico James Lovelock, ela leva em conta que o planeta não é apenas um recurso a ser explorado, mas um sistema complexo e interligado, cuja principal característica é a autoregulaçao, num comporamento muito semelhante ao de um organismo vivo. Conhecido inicialmente como Hipótese Gaia, hoje e a pós a aceitação da comunidade científica, recebe o nome de Teoria Gaia. Em resumo, a teoria diz que o conjunto de todos os seres vivos e os elementos ambientais (solo, atmosfera, oceanos, radiação  solar, etc) atuam entre si de maneira a manter um equilíbrio ambiental (de temperatura, umidade, radiação solar, ecológico, etc). De acordo com Lovelock, a humanidade já extraiu recursos da natureza além da conta, o que está interferindo neste equilíbrio. Sua proposta é a Retirada Sustentável. Em resumo, ele propõe uma redução brutal do nível de extração de recursos naturais, mantendo-se extritamente o necessário para a manuenção da vida. E os seus argumentos são, do ponto de vista científico, irrefutáveis. Só há duas maneiras de se alcançar este objetivo:

a. Drástica redução na atividade econômica - Esta receita pode matar o paciente como a cura. Pela recente experiência como a crise financeira mundial, vemos que este remédio pode ser amargo demais. Milhões podem morrer pela falta de emprego e recursos. E como a corda sempre arrebenta do lado mais fraco, temos uma idéia de quem serão esses milhões...

b. Drástica revisão no modelo de consumo - Esta receita mexe nas bases do atual modelo de produção capitalista industrial (e do comunista industral também). Implica em uma revisão completa no modo como as matérias primas são extraidas, tratadas, utilizadas, descartadas e recicladas. Implica em descartar o atual modelo de desenvolvimento baseado no crescimento econômico. Ao contrário do acreditava Adam Smith, não é possível gerar riqueza. Ela deve ser extraida de algum lugar. E  este lugar tem sido o meio ambiente.

Talvez um meio termo entre esses modelos seja possível. Talvez não. Mas dependendo das decisões que tomarmos AGORA, colheremos consequencias difirentes no futuro. O fato é que não temos muito tempo. Os recursos naturais estão se esgotando. O petróleo, se continuar a ser queimado, acabará em poucos anos, provocando uma crise sem precedentes de fornecimento de combustíveis e (principalmente) matérias primas. O meio ambiente continua sendo envenenado, inviabilizando as fontes de água e o solo. O efeito estufa, descalibrado em função do excesso de gás carbônico na atmosfera, consequencia da queima de combustíveis fósseis, ameaça provocar uma mudança climática que pode inviabilizar a vida na Terra.

Acredito que a primeira coisa que deve ser feita é mudar a maneira irresponsável e perdulária pela qual temos usado a energia. Em pleno século XXI, não são aceitáveis veículos como uma eficiência energética de 20%, quando temos o conhecimento, os meios e os recursos para produzir veículos com 80% ou mesmo 90% de eficiência. Não faz sentido usarmos energia elétrica, que é energia primária, altamente organizada e de alta qualidade, para aquecer a agua do banho, mas não usá-la para propulsão. É incompreensível que ainda se fabriquem lâmpadas incandescentes quando já existem alternativas muito mais eficientes, como as fluorescentes e as LED.

A segunda coisa a ser feita é mudar a maneira perdulária e irresponsável pela qual temos usado os materias. Por que fabricar automóveis com tempo de vida de 5 anos? Deveriam ser 50! Por que os computadores são fabricados com tempo de vida de 1 ano? deveriam ser 10! Por que o celulares são feitos para durar 6 meses e não 6 anos?

Tudo isso é apenas o começo. Temos os meios e os motivos para fazer melhor que as gerações passadas. Os países em desenvolvimento devem resistir à tentação de trilhar o mesmo caminho que o assim chamado Primeiro Mundo.

Esta coletânea de motivos me levou ao VE. No atual contexto, não faz sentido outro típo de veículo. Estamos atrasados em sua implantação e algo deve ser feito AGORA para tirar este atraso.

Pense nisso.

Leitura recomendada:

Lovelock, James: A Vingança de Gaia - 2006 - Editora Intrínseca

quarta-feira, 16 de setembro de 2009

Veículos elétricos - A salvação da lavoura

Este blog é o resultado de uma idéia que vem amadurecendo a muito tempo e que tem tomado forma nos últimos 2 anos. Começo como uma curiosidade e subtamente me deparei com algo que realmente pode mudar a vida das pessoas de maneira substancial. Estou falando dos veículos elétricos. Descobri que, muito longe do estereótipo popular, os veículos elétricos são potentes, rápidos, econômicos, silenciosos e confortáveis, além de ambientalmente corretos. Descobri todo um mundo de possibilidades e um mundo de resistências, representadas por interesses econômicos, escravidão a paradigmas e indiferença oficial. Mas descobri também um múmero assombroso de pessoas  que, como eu, descobriram as mesmas verdades e se defrontaram com as mesmas barreiras. Resolvi montar este espaço de debates para propor minhas idéias, apresentar propostas e possíveis soluções.

Além disso, tenho um sentimento de que a popularização dos veículos elétricos (que a partir de agora indicarei usando a sigla VE) passa pelo Open Source. Meu trabalho com TI me fez ver as inúmeras vantagens do modelo livre de desenvolvimento. Não sou radicalmente contra patentes e propriedade  intelectual. Apenas acho que não funciona como deveria. a própria livre concorrência não tem funcionado como deveria, principalmente devido às distorções causadas pelo atual modelo de propriedade intelectual.

Convido todos a seguir o meu blog e participar do mesmo.

Gostaria de fazer um reconhecimento ao pessoal do Grupo Veículos Elétricos do Google Groups. Muito do  que aprendi sobre o assunto eu devo a eles, por isso recomento a participação neste grupo.

Bem vindos ao VE Livre!