Baterias dos Carros Elétricos - Vantagens, Desvantagens e Inovações

Há diferentes tipos de baterias para veículos elétricos. Dentre as mais utilizadas está a bateria de íon de lítio. Entre as vantagens destaca-se o facto de serem facilmente recarregáveis, não ficarem viciadas, armazenarem o dobro da energia e serem leves. Embora sejam mais caras, possuem vida útil mais longa. Por outro lado possuem suas desvantagens. Apesar destas baterias serem reutilizáveis, não são suficientes para abastecer uma frota mundial de carros eléctricos. Além disso, convém referir que as baterias de íon de lítio são perigosas pois o metal é bastante instável, altamente inflamável e pode deteriorar-se facilmente. Seguem em mais detalhes as vantagens e desvantagens dessas baterias.

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Vantagens das Baterias íon de lítio:

·         As baterias de íon de lítio são a grande esperança dos construtores de Elas não apresentam o efeito memória, o que significa que não é preciso descarregá-las totalmente antes da recarga, como acontece com outros tipos de baterias (Brain, Marshall; How Stuff Works;

·         Costumam ser muito mais leves do que outros tipos de baterias recarregáveis do mesmo tamanho. Os eletrodos de uma bateria de íon-lítio são feitos de lítio e carbono leve. Além disso, o lítio também é um elemento altamente reativo, o que significa que é possível armazenar bastante energia em suas ligações atômicas. Significando uma densidade de energia muito alta para essas baterias.

(BRAIN, Marshall. How Stuff Works. Disponível em: <hsw.uol.com.br>)

Desvantagens das Baterias íon de lítio:

·         São extremamente sensíveis a temperaturas altas. O calor faz com que as baterias de íon-lítio se decomponham muito mais rapidamente do normal;

·         Se você descarregá-las completamente, elas não podem mais ser utilizadas;

·         Um conjunto de baterias íon-lítio deve ter um computador de bordo para gerenciá-la, tornando-as ainda mais caras do que já são;

·         Há uma pequena chance de que, se uma bateria de íon-lítio falhar, ela se incendeie.

(BRAIN, Marshall. How Stuff Works. Disponível em: <hsw.uol.com.br>)

Figura: Bateria de lítio automotiva.

Fonte: Powercells (powercells.de)

Figura: Sistema com bateria de Lítio em um Mitsubishi iMiEV.

Fonte: ridelust.com

            A tabela a seguir traz um quadro comparativo entre os principais tipos de bateria: de NiCd, NiMH e de Lítio. (Adaptação da tabela disponível no site em alemão da POWERCELLS. Disponível em: powercells.de)

Tabela 1: Quadro geral das características das baterias de NiCd, NiMH e de Lítio

Fonte: Adaptação da tabela disponível no site em alemão da Powercells (powercells.de)

            Percebe-se que as baterias de Lítio apresentam vantagens significativas com relação às outras, como menores índices de auto-descarga, estado funcional em temperaturas mais baixas, maior tempo de armazenamento e sistema de gerenciamento da bateria.

Soluções e Inovações Para Baterias de Lítio

            Como visto, as baterias de lítio também tem suas desvantagens, mas hoje há pesquisas e inovações para solucionar tais problemas, como será visto a seguir:

Baterias de Lítio-Silício

Em 2010, pesquisadores conseguiram pela primeira vez substituir o carbono pelo silício nas baterias de íons de lítio. O silício consegue acomodar 10 vezes mais íons de lítio do que o carbono, mas ninguém até então havia conseguido fazer isto na prática. Porém, a equipe da Dra Sibani Lisa Biswal, da Universidade de Rice, construiu protótipos capazes de suportar 250 ciclos de recarga, cerca de um quarto do necessário para que uma bateria alcance escala comercial.

Agora, a equipe não apenas alcançou 700 ciclos de recarga, como demonstrou que a sua técnica permite a construção de baterias reais com uma capacidade de até 1.000 miliamperes-hora por grama (mAh/g).

Os melhores anodos de carbono hoje no mercado alcançam uma capacidade de 350 mAh/g. Os pesquisadores acreditam que, mesma com uma ciclagem média, a combinação com a elevada capacidade de carga poderá permitir que seu protótipo impulsione na prática o campo das baterias, praticamente estacionado em termos tecnológicos há vários anos. Resultados que acabam de ser superados pelo trabalho de Jiepeng Rong e seus colegas da Universidade Sul da Califórnia, nos Estados Unidos. A equipe já havia conseguido um grande avanço usando nanofios de silício, mas os nanofios são frágeis e, embora funcionem bem em condições de laboratório, ainda não existem técnicas robustas para fabricá-los em escala industrial. Por isso os pesquisadores passaram a trabalhar com nanopartículas de silício já disponíveis comercialmente, criando um material com a mesma porosidade que os nanofios - os poros são essenciais para que os íons de lítio fluam para fora e para dentro do anodo. Enquanto o melhor resultado anterior (da Universidade de Rice) havia alcançado uma capacidade de 1.000 miliamperes-hora por grama (mAh/g) de material, o novo protótipo alcançou nada menos do que 1.500 mAh/g depois de 100 ciclos, com um decaimento de menos de 0,05% por ciclo.

 

Figura: Nanopartículas de silício já disponíveis comercialmente (à esquerda) e material criado com a mesma porosidade que os nanofios (à direita).

Fonte:  Mingyuan Ge/Chongwu Zhou (Disponível em: <inovacaotecnologica.com.br>)

  

Enquanto a bateria original, usando nanofios, suportou 2.000 ciclos, o protótipo com nanopartículas durou apenas 200 ciclos, abaixo dos 500 estipulados pela equipe para que a tecnologia atinja a viabilidade comercial. Contudo, com base nos resultados anteriores, e nos trabalhos de outras equipes, os pesquisadores avaliam que a tecnologia das baterias de lítio-silício deverá estar no mercado nos próximos dois a três anos (EQUIPE DE REDAÇÃO DO SITE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, 2012. Disponível em: inovacaotecnologica.com.br)

            Baterias de Ar-Lítio

            Segundo MARTINS (2012), um dos principais motivos que impede a popularização dos carros elétricos atualmente é o medo do consumidor de que a bateria não dure tempo suficiente para se chegar ao destino desejado. Uma das possíveis soluções para esse problema é a utilização de baterias de ar-lítio, capaz de dar uma autonomia de 800 km para o carro elétrico. As bateria de ar-lítio criadas em laboratório parecem bem promissoras na questão de autonomia e são capazes de armazenar 10 vezes mais energia do que as melhores baterias de íon-lítio presentes no mercado atualmente. Isso é possível pois, no lugar dos óxidos metálicos utilizados no eletrodo positivo das baterias atuais, as de ar-lítio empregam o carbono, que é bem mais leve, mais barato e reage com o oxigênio do próprio ar ambiente para gerar a corrente elétrica necessária. Porém, mesmo parecendo bem promissora, a nova fonte de energia mostrou-se muito instável em todos os protótipos criados em laboratório, que ficaram totalmente inutilizáveis depois de alguns poucos ciclos (carga e descarga).

            Como demonstra o gráfico abaixo, a bateria ar-lítio tem um potencial teórico mais de 1.000 vezes superior às baterias mais modernas:

          

Figura 18: Gráfico comparativo entre a bateria de ar-lítio (Lithium-oxigem) com relação às baterias convencionais.

Fonte: Winfried Wilcke/IBM (Disponível em: <inovacaotecnologica.com.br>)

Por outro lado, uma equipe de pesquisadores da Universidade de St. Andrews, no Reino Unido, afirma ter conseguido estabilizar essa reação, criando assim o primeiro protótipo de bateria de ar-lítio realmente utilizável. O time do Dr. Peter Bruce substituiu o material com carbono por outro contendo nanopartículas de ouro.

           

Figura: Modelo proposto pelo Dr. Peter Bruce e sua equipe.

Fonte: TECMUNDO. Disponível em: tecmundo.com.br

            Além disso, no lugar do eletrólito que reagia com o oxigênio foi utilizado o solvente dimetilsulfóxido, ou DMSO. As mudanças deram certo e as baterias passaram a suportar cerca de 100 ciclos de carga e descarga, segundo o que foi publicado na edição de agosto de 2012 da revista Science.

Infelizmente, nem tudo é perfeito, e utilizar ouro na bateria pode encarecer demais o produto, mesmo sendo apenas nanopartículas. Outro problema é que a nova receita não foi testada juntamente com o ânodo (parte negativa de uma bateria). Dessa forma, ainda é possível que haja alguma reação química indesejada.

Mas os trabalhos da equipes de pesquisa estão só começando. Com a descoberta feita pela equipe do Dr. Peter Bruce, há um novo campo a ser explorado e mais esperança para a popularização dos carros elétricos. (MARTINS, E., 2012. Disponível em: tecmundo.com.br)

Figura: A bateria de ar-lítio está funcionando em escala de laboratório, e cientistas da IBM prometem um protótipo em escala real em breve.

Fonte: IBM Almaden – Disponível em: inovacaotecnologica.com.br

Comparações entre o Motor Elétrico e o Motor de Combustão Interna

Segundo estudo feito pelo CLUBE DO CARRO ELÉTRICO como se pode observar no gráfico geral apresentado abaixo, no motor de combustão interna, o torque máximo é alcançado antes da potência máxima e, também, não se observa, entretanto, uma forte relação (independência) entre essas duas grandezas. Essa fraca relação entre potência e torque em motores de combustão interna, leva a necessidade de instalar um sistema de engrenagens em motores a explosão, para alterar as relações de velocidade de maneira a permitir que o motor a combustão funcione na rotação/velocidade mais próxima do torque máximo, e, assim, obter um melhor rendimento.

(DANTAS, A. P., Clube do Carro Elétrico, 2012. Disponível em: <clubedocarroeletrico.com.br>).

Figura 1: Curva típica de um motor de combustão interna

Fonte: clubedocarroeletrico.com.br

Figura 2: Motor de combustão interna

(Modelo BMW V10)

Fonte: almaz-parts.ru

Conforme o gráfico abaixo, diferentemente do motor a combustão o motor elétrico, é que o motor elétrico atinge o torque máximo a partir do início de sua rotação e permanece relativamente constante, até um valor próximo a 7.000 RPM, quando, a partir daí, começa a cair. Durante a aceleração do motor elétrico, a potência vai aumentando até a um valor máximo que corresponde ao instante em que o torque começa a decrescer. A potência se mantém acima do valor do torque até o final da rotação máxima do motor. (DANTAS, A. P., Clube do Carro Elétrico, 2012. Disponível em: < clubedocarroeletrico.com.br>)

Figura 3: Curva típica de um motor elétrico desenvolvido para veículo elétrico.

Fonte: sasco-kuwait.com               

Figura 4: Vista interna de um motor elétrico

(Modelo do Honda FCX Clarity)

Fonte: clubedocarroeletrico.com.br

Conforme destaca DANTAS (2012), essa característica de um motor elétrico faz com que o veículo acelere constantemente dispensando um sistema de caixa de mudanças (ou engrenagens) até atingir a velocidade máxima. Os motores elétricos, além de uma curva de torque muito mais favorável, permitem uma rotação final muito acima do motor de combustão interna de um veículo convencional, da ordem de 12.000 RPM. (DANTAS, A. P., Clube do Carro Elétrico, 2012. Disponível em: <clubedocarroeletrico.com.br>)  

Tendências de Mercado para Componentes de Veículos Elétricos

Segundo análise de MAIA, M. A. (2012), no que diz respeito a veículos elétricos a flexibilização da legislação sobre o mercado livre de energia, as discussões acerca do smartgrid e os intensos debates sobre questões ambientais demonstram que o Brasil está preparado para receber esse mercado. A cidade de São Paulo, que apostou em táxis elétricos e já conta com estações de recarga, promete aumentar a frota e os postos durante os próximos anos. Com as tomadas de alta potência, já em fase de protótipo, o tempo de recarga dos veículos será reduzido para meia hora.

O momento agora é de lançamento, e as oportunidades não são só para as empresas de fora. O que se percebe são produtos e protótipos desenvolvidos nacionalmente, por pequenos centros de tecnologia ou por grandes empresas do mercado. E, enquanto alguns ainda buscam investimentos para viabilizar a produção, há fabricantes com anos de desenvolvimento dos produtos e que já exportaram quase 100 veículos a outros continentes. As baterias, antes modestas, agora oferecem o mesmo desempenho de um carro convencional. (MAIA, M. A. 2012)

O gráfico abaixo (FROST & SYLLIVAN, 2012) demonstra a previsão de receita para o mercado de componentes e sistemas de híbridos e elétricos. O Brasil se destaca, representando até 13,7% das receitas previstas para toda a América. No gráfico, a previsão de receita para o mercado brasileiro supera a previsão todos os outros países da América Central e do Sul somadas.

Figura 10: Previsão de Receita para o Mercado de Componentes/Sistemas de LCVs (Veículos Comerciais Leves) e Ônibus Híbridos e Elétricos

Fonte: Frost & Syllivan, 2012.

Células Fotovoltaicas

1.Células Fotovoltaicas

Uma célula solar (também chamada célula fotoelétrica ou célula fotovoltaica) é um dispositivo elétrico de estado sólido capaz de converter a luz diretamente em energia elétrica por intermédio do efeito fotovoltaico.

Os conjuntos de células usadas para fazer módulos solares utilizados na captura de energia da luz solar são conhecidos como painéis ou placas solares. A energia gerada por estes módulos solares é chamada energia solar fotovoltaica.

Segue abaixo uma ilustração esquemática, das camadas que compõem as células fotovoltaicas: (HOW STUFF WORKS, 2010. Disponível em: <hsw.uol.com.br>)

Figura: Camadas de uma célula solar fotovoltaica (PV)

Fonte: HOW STUFF WORKS (Disponível em: ambiente.hsw.uol.com.br)

1.1 Como Painéis de Células Fotovoltaicas Funcionam?

            A figura a seguir esclarece de forma simplificada o funcionamento dos painéis fotovoltaicos: (SEMPRA U.S. GAS & POWER. Disponível em: semprausgp.com)

Figura: Como funcionam os painéis fotovoltaicos

Fonte: Figura disponível no site da empresa Sempra U.S. Gas & Power.

Disponível em: <semprausgp.com>

1.      Primeiramente as partículas que compõem a luz solar (os fótons) atingem o painel de células fotovoltaicas (PV Panel). Parte dessas partículas é absorvida pelo painel, enquanto uma outra fração deles é refletiva;

2.      Os fótons absorvidos transferem energia para os átomos do painel de células fotovoltaicas;

3.      A energia transmitida pelos fótons para os átomos do painel faz com que os elétrons desses átomos sejam soltos. Os elétrons “livres” são então convertidos em eletricidade, que pode ser utilizada em diversas aplicações.

Está é uma demonstração simplificada do funcionamento dos painéis fotovoltaicos. Na visão mais complexa, outros elementos vistos anteriormente participam do processo, como a cobertura antirreflexo, que permite que uma quantidade menor de luz seja refletida, e consequentemente faz com que uma quantidade maior seja absorvida, garantindo melhor aproveitamento energético. (SEMPRA U.S. GAS & POWER. Disponível em: <semprausgp.com>)

1.2 Eficiência das Células Fotovoltaicas

Atualmente, as células fotovoltaicas apresentam eficiência de conversão da ordem de 16%. Existem células fotovoltaicas com eficiências de até 28%, fabricadas de arseneto de gálio, mas o seu alto custo limita a produção dessas células solares para o uso da indústria espacial. A intensidade da radiação solar na superfície terrestre chega até 1.000 watts por metro quadrado, o que representa um enorme potencial energético.

1.3 Potencial de Aproveitamento da Luz Solar

Apesar da luz solar não ser aproveitada extensamente no país, o Brasil é um país com grandes oportunidades no que diz respeito por sua grandeza e potencial para energia solar. O mapa abaixo, demonstra a irradiação solar no mundo inteiro (INSTITUT FÜR TECHNISCHE THERMODYNAMIK - Instituto de Termodinâmica Técnica da Alemanha):

Figura : Irradiação Normal Direta.

Fonte: Institut für Technische Thermodynamik - Instituto de Termodinâmica Técnica da Alemanha Disponível em: <dlr.de>

Segundo a DWN Engenharia LTDA., o aumento de capacidade de geração solar mundial tem sido de 65% por ano entre 2005 e 2010. O gráfico abaixo ilustra esse crescimento:

Figura 5: Crescimento do uso de energia solar nos últimos anos (de 2000 a 2010)

Fonte: DWN Engenharia LTDA. Disponível em: <dwnengenharia.com.br>

Informações da DWN Engenharia LTDA. indicam também que no mundo, já existem cerca de 100 GW de capacidade solar instalados. Só na Alemanha há 25 GW (vide gráfico abaixo) instalados, ou seja, é uma tecnologia que já é viável economicamente. No Brasil, por enquanto, há apenas 2 MW. Esses dados demonstram o quanto o Brasil precisa se desenvolver na área de energias renováveis, em especial no aproveitamento da energia solar. O gráfico a seguir representa o aumento (em MWp) do aproveitamento solar no mundo ao longo dos anos (DWN Engenharia LTDA.).

Figura 6: Aumento (em MWp) do aproveitamento solar no mundo ao longo dos anos.

Fonte: dwnengenharia.com.br

Aplicação de Células Fotovoltaicas em Veículos Elétricos

O carregamento da bateria dos veículos elétricos pode ser feito através de placas de células voltaicas que captam a energia solar e convertam em energia elétrica, que será convertida em engenharia mecânica para permitir o movimento do carro. Tem-se a vantagem de poder carregar a bateria do carro em qualquer lugar que ele esteja, de forma econômica e sem a necessidade de um ponto de abastecimento.

Esse post foi feito com o intuito de avalia e discutir soluções para o uso de energia solar através de células fotovoltaicas em veículos terrestres.

A seguir serão apresentadas algumas propostas do uso de placas solares no carregamento de veículos terrestres.

1. Uso de Painéis Solares na Superfície do Veículo 

Figura: Veículo solar apresentado no World Solar Challenge, competição na Austrália.

Modelo Bolloré Blue Car

Fonte: Cultura Mix. Disponível em: <autos.culturamix.com>

      Uma solução viável para o carregamento da bateria dos veículos elétricos é u uso de placas de células fotovoltaicas que captem a energia solar e convertam em energia elétrica, que será convertida em engenharia mecânica para permitir o movimento do carro. Tem-se ainda a vantagem de poder carregar a bateria do carro em qualquer lugar que ele esteja, de forma econômica e sem a necessidade de um ponto de abastecimento.

Segue abaixo um exemplo de uma figura esquemática, disponível no portal “Notícias da Oficina”, que demonstra uma aplicação das células fotovoltaicas num carro elétrico Volkswagen. (Notícias da Oficina, 2012. Disponível em: <noticiasdaoficinavw.com.br>)

Figura: Carro elétrico Volkswagen com placas solares no teto.

Fonte: Notícias da Oficina. Disponível em: <noticiasdaoficinavw.com.br>

2. Carregador Solar Dobrável e Portátil em Forma de Tenda

Utilizar a superfície do carro para alocar painéis solares para converter energia solar em elétrica tem suas desvantagens, como por exemplo o limite na quantidade de células que podem ser utilizadas, o que tem impacto no tempo de carregamento. Outro fator é que há veículos elétricos que não dispõem de células solares em sua superfície. Tais fatores levaram os pesquisadores a encontrar novas soluções para a aplicação das células fotovoltaicas em carros elétricos. Uma proposta bastante criativa e eficiente foi apresentada este ano (2013) numa competição promovida pela Volvo, onde a empresa juntamente com engenheiros da SDA (Synthesis Design +Architecture), saíram vencedores.

      O projeto, chamado Pure Tension Pavillion, consiste numa tenta flexível, com estruturas treliçadas e reforçadas com fibras de carbono. Essa estrutura permite que a tenda seja dobrada facilmente e pese o mesmo que uma tenda de sol, oferecendo portabilidade e facilidade de uso.

      O V60 é o novo híbrido da Volvo, um veículo elétrico que funciona com eficiência em conjunto com o carregador. O carro supostamente pode atingir 250 Km por galão utilizando um motor que combina eletricidade com diesel, permitindo que o veicule funcione como híbrido. (MILER, S., 2013. Disponível em: <engenhariae.com.br>)

      Segue abaixo a demonstração do veículo V60 em conjunto com a tenda de carregamento solar:

Figura: Carregador solar em conjunto com o Volvo V60.

Fonte: Engenharia É. Disponível em: <engenhariae.com.br>

Figura: Vista frontal do carregador solar em conjunto com o Volvo V60

Fonte: Feber TJOCK. Disponível em: <feber.se>

Figura: Detalhes do carregador solar.

Fonte: Engenharia É. Disponível em: <engenhariae.com.br>

2.1 Portabilidade e Montagem da Tenda Solar

A flexibilidade da estrutura feita com fibras de carbono permite que a tenda seja dobrada de modo a caber num porta-malas. A sequência de passos abaixo descreve como montar a tenda:

·         Passo I: Descarregue os elementos do porta-malas do carro.

Figura: Passo I da montagem do carregador.

Fonte: suckerpunchdaily.com

·         Passo II: Coloque a base de ancoragem em locais definidos.

Figura: Passo II da montagem do carregador.

Fonte: S. Punch Daily. Disponível em: <suckerpunchdaily.com>

·         Passo III: Insira os tubos pré-dobrados menores nas placas de ancoragem

Figura: Passo III da montagem do carregador.

Fonte: S. Punch Daily. Disponível em: <suckerpunchdaily.com>

·         Passo IV: Acrescentar e encaixar nas barras curvadas as membranas da malha pré-fabricada. Em seguida, dobrar as hastes de inclinação até que as membranas da malha atinjam a forma tensionada

Figura 37: Passo III da montagem do carregador.

Fonte: S. Punch Daily. Disponível em: <suckerpunchdaily.com>

·         Passo V: Inserir a estrutura tensionada nas placas de ancoragem.

Figura: Passo V da montagem do carregador.

Fonte: S. Punch Daily. Disponível em: <suckerpunchdaily.com>

Por fim, a tenda estará pronta. Basta agora plugar o cabo do carregador no veículo. O processo inverso deve ser utilizado quando o carregado for guardado. Além de converter energia solar para carregar o carro, a tenda pode ser conectado a uma tomada para fazer o carregamento do veículo por meio de outra fonte de energia, como demonstra a ilustração abaixo: (S. Punch Daily. Disponível em: <suckerpunchdaily.com>)

Figura: Aplicações do carregador solar

Fonte: S. Punch Daily. Disponível em: <suckerpunchdaily.com>

                Logo tem-se uma solução mista, pela qual é possível carregar o veículo pela energia proveniente da luz solar ou fazer o carregamento por meio de fontes de energia convencionais, como fontes de recarga doméstica ou estações de abastecimento de veículos elétricos.

               Com o uso excessivo de combustíveis fósseis, a cada dia que passa o mundo sofre mudanças drásticas nos seus ecossistemas e nos seus ciclos naturais. Tais mudanças estão afetando a vida do próprio homem. Com a realização desse trabalho, foi demonstrada mais uma vez que esse quadro pode e deve mudar se forem aproveitadas energias renováveis, como é o caso da energia proveniente da luz solar. O Brasil é um país com grande potencial para isso, mas ainda há pouca mobilidade.

               Existem projetos inovadores e transformadores como aqueles vistos anteriormente: o carregador solar portátil (Pure Tension Pavillion) e o uso de placas de células fotovoltaicas nas superfícies dos veículos. Algumas das aplicações do uso de energia solar precisam ser mais estudados, otimizados e amplamente comercializados para que o uso destas seja realmente significativo e venha reverter a atual situação na qual a atmosfera se encontra devido à poluição causada pelos veículos convencionais. 

               Como visto neste post, existe uma preocupação crescente por soluções renováveis e houve um grande aumento na utilização da energia solar nos últimos anos, isso aponta o uso das células fotovoltaicas como uma tecnologia que será mais utilizada com o passar dos anos. Consequentemente, isso faz dela um bom investimento e abre um leque de oportunidades de trabalho para o futuro.

Figuras: Ilustrações

Fonte: Google Imagens