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