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A revolução nos sistemas de recuperação de energia

A verdade é que eu poderia ensinar pouco a alguns gurus e estudiosos desta tecnologia. Afinal, o transporte ferroviário tem sistemas de frenagem regenerativa há muito mais anos do que temos no mundo automotivo, além de ter muito mais regulamentação legal a esse respeito. Mas eles queriam ter uma visão do que estávamos a fazer no mundo automóvel.

O dia foi extremamente interessante, especialmente porque me deu acesso a um conhecimento profundo de muitos aspectos do mundo automotivo que eu não tinha conhecimento profundo, e me ajudou a perceber como a nossa indústria automotiva às vezes é estúpida quando se trata de lidar com as obrigações, tanto morais quanto legais, de reduzir o impacto ambiental dos nossos produtos.


A idéia deste relatório é, por um lado, compartilhar alguns dos detalhes e elementos que preparei para minha apresentação, pois sei que muitos de vocês estarão interessados neles como conhecimento geral e, por outro lado, refletir sobre o enorme caminho que ainda temos que percorrer para nos aproximarmos da eficiência que temos no mundo ferroviário.

O que é um sistema ERS?

Um sistema ERS é um sistema de recuperação de energia. Quando um carro muda de velocidade em qualquer direcção ou direcção, a sua quantidade de energia varia. Quando perde velocidade, essa energia tende a dissipar-se.

Durante mais de um século, os fabricantes de automóveis ignoraram esta energia dissipada, e desperdiçaram-na. Assim, ao travar, a energia cinética do carro foi convertida em calor no sistema de travagem, enquanto as vibrações da carroçaria em relação à estrada devido a choques e irregularidades na estrada foram também convertidas em calor através dos amortecedores.

Pensa nisto assim: Um carro começa a mover-se no fundo de uma encosta direita em subida. Gasta alguma energia para chegar ao topo e começa uma descida que eventualmente a deixa na mesma altura em que estava no início. Nessa altura, pára completamente. Em termos de energia, se tudo fosse "perfeito", para chegar do ponto de partida ao ponto final dessa rota, o carro só deveria consumir a energia necessária para superar o atrito das rodas com o asfalto e o atrito do ar com a carroceria. O resto da energia utilizada para acelerar o veículo e subir a colina deve ser recuperada ao descer a colina e travar o veículo.


Obviamente, devido a questões que não vou aprofundar agora, relacionadas com a termodinâmica, entropia e outras frentes maravilhosas, isto é literalmente impossível de alcançar. Haverá sempre mais perdas de energia do que as mencionadas. Mas o importante é manter a ideia de que grande parte da energia colocada no veículo para subir e acelerar, deve ser recuperável ao descer e travar. Tanto que um trem com frenagem regenerativa seria capaz de recuperar 40% da energia fornecida durante a subida e aceleração, para que a energia não fosse perdida. Seria salvo.

Infelizmente, a realidade automóvel é que, como vos disse acima, há um século que temos vindo a ignorar essa recuperação energética. Em vez disso, os fabricantes têm investido dinheiro na melhoria da eficiência de combustão dos motores para conseguir melhorias de menos de 5% em muitos casos.

Um breve histórico dos sistemas ERS

Krieger Landaulette, 1894

É difícil de acreditar, mas o primeiro carro com um sistema de recuperação de energia data de 1894. O Krieger Landaulette é o primeiro carro comercialmente disponível na história que foi capaz de recuperar energia durante a travagem e armazená-la para posterior reutilização ao acelerar o veículo.

Era um veículo eléctrico com dois motores associados às rodas dianteiras. Cada um deles tinha um duplo enrolamento. A primeira bobina servia para alimentar as rodas, enquanto a segunda servia como gerador eléctrico, carregando a bateria do veículo.

Com um alcance entre recargas de 100 quilómetros, uma velocidade máxima de 30 quilómetros por hora e seis cavalos de potência máxima, o Landualette tinha muito pouco a invejar aos outros carros movidos por motores de combustão da época.


O problema com o Kireger, como outros exemplos que veremos mais adiante, é que o seu acelerador era controlado manualmente, mas o seu sistema de travagem regenerativa também era controlado por um interruptor rotativo manual que também não permitia a modulação da potência de travagem.

Runabout Suburbano de Baker, 1904

O Baker Suburban não era muito mais avançado. Foi outro veículo eléctrico com motor longitudinal dianteiro e tracção traseira, com 0,75 cavalos de potência. O mesmo motor funcionava como um gerador eléctrico para a travagem.

Aceleração e frenagem foram controladas por interruptores manuais separados, o que resultou no mesmo problema que o seu predecessor mais direto em termos de gestão de freios.

Owen Magnetic, 1915

Onze anos após o Baker, a evolução do automóvel tinha representado um salto radical. O Owen Magnetic representou uma ruptura total no modo de entender a criação de automóveis. Um que até o Chevrolet Volt que levamos para ver novamente em comercialização.

O Owen Magnetic era um veículo eléctrico híbrido produzido em massa. Usou um motor de combustão para fazer girar um gerador elétrico. A carga elétrica, armazenada em baterias, alimentou as rodas traseiras.

Durante os períodos de travagem, o condutor pode activar a travagem regenerativa por meio de um interruptor manual mecânico, sem possibilidade de regular o binário de travagem do próprio sistema.


Com uma produção total de 700 exemplos, o Owen Magnetic pode ser considerado o primeiro híbrido comercialmente bem sucedido.

AMC Amitron, 1967

Na década de 1920, a gasolina já se tinha tornado o método de energia preferido pela indústria automóvel, algo que a Segunda Guerra Mundial só serviria para reafirmar. Isso, aliado à mudança de paradigma na forma como os carros eram movidos por pedais, fez com que os carros elétricos praticamente desaparecessem das intenções de produção dos fabricantes.

Até que a eletrônica transistorizada chegou para mudar radicalmente o mundo. No início só através de computadores, mas logo começou a co-relacionar-se com o automóvel.

Como parte de um programa para desenvolver veículos novos, mais eficientes e menos poluentes, com ajuda estatal, a AMC, a American Motors Corporation, desenvolveu um protótipo chamado Amitron.

Era um veículo eléctrico concebido para circular pela cidade, com duas baterias de tipos diferentes, para gerir as necessidades energéticas rápidas e lentas e permitir um alcance de até 240 quilómetros entre recargas. Pesando apenas 500 quilos, era muito leve para o seu alcance.

Graças ao controle eletrônico, o Amitron permitiu ter um acelerador progressivo e um sistema de frenagem regenerativa, apoiado por frenagem por fricção. O sistema eletrônico ficou encarregado de gerenciar a transição entre os dois modos de frenagem de forma satisfatória, recuperando efetivamente parte da energia cinética do veículo e devolvendo-a às baterias.

O problema para o promissor projeto surgiu da suspensão dos subsídios governamentais para este tipo de projeto, o que tornou não rentável para a AMC a busca de uma versão de produção.

Fiat X1/23, 1972

Pouco antes do início da crise do petróleo, a Fiat apresentou um estudo inovador sobre um estranho carro elétrico, semelhante em alguns aspectos ao AMC Amitron. Era um carro eléctrico completamente transistorizado, com um alcance de 80 quilómetros e uma velocidade máxima de 90 km/h, graças às baterias de níquel-zinco.

Ao contrário do Amitron, o X1/23 era um produto muito mais próximo da realidade da produção, com materiais plásticos a comporem a sua carroçaria. A idéia era ter um carro equivalente ao Fiat Nuova 500, mas puramente elétrico.

Em termos de frenagem regenerativa, como o AMC Amitron já fazia, o X1/23 utilizava um sistema totalmente eletrônico que permitia modular a quantidade de torque de frenagem que o gerador elétrico forneceria para enviar elétrons para a bateria antes da frenagem por fricção entrar em ação.

Infelizmente, o projecto nunca passou da fase de testes.

GM EV1, 1996

Em 1990, a General Motors apresentou o seu projecto de veículo totalmente eléctrico. Depois de um protótipo provisório em 1994, o carro foi lançado comercialmente em 1996.

O GM EV1 marcou o retorno da idéia de um veículo totalmente elétrico e comercialmente viável. Após experiências da Fiat e da AMC, o EV1 foi o primeiro carro produzido em qualquer volume a integrar um sistema de frenagem que misturava frenagem regenerativa e frenagem por fricção, acionada por um único pedal.

Com 140 cavalos de potência e um alcance entre recargas de 260 quilómetros na sua versão com baterias de níquel-hidreto metálico,

Em última análise, sabes, o projecto foi um fracasso. O investimento de bilhões de dólares no desenvolvimento do carro não poderia ser compensado pelo leasing dos veículos, e a comercialização dos veículos não poderia satisfazer o retorno econômico necessário para lançar o carro no mercado com um preço competitivo.

A pequena revolução híbrida

Em 1997 a Toyota lançou o Prius no mercado japonês, e tornou-se pioneira de uma tecnologia que, na realidade, já existia há muito tempo, como você já viu.

A revolução híbrida consistiu exactamente na aplicação massiva de tecnologias de recuperação de energia de travagem. Estes automóveis, o Prius, o Insight, o Lexus que veio mais tarde, tornaram-se muito mais eficientes energeticamente simplesmente recuperando a energia cinética do automóvel em travagem e armazenando-a nas baterias para aceleração.

O progresso tecnológico permitiu a instalação gradual de baterias mais capazes, permitindo a captação de mais energia em travagem, para não ficar sem suporte de impulso em colinas íngremes, passagens de montanha, etc.

Futuro para a ERS

Mas a coisa mais surpreendente sobre a integração de sistemas de recuperação de energia de freio não está no passado. Nos 100 anos de história automóvel atrás de nós, só nas últimas duas décadas é que temos visto algum interesse real em empregar e desenvolver sistemas de recuperação de energia de freio.

A idéia da Toyota e da Honda no seu lançamento foi buscar diferenciação e ecologia aos olhos do público, mas o futuro híbrido não será influenciado pela moda, mas por obrigações legais.

A regulamentação de emissões que teremos na Europa em 2020, com emissões médias de 95 gramas de CO2 por quilómetro percorrido (consumo médio homologado de 4,1 litros por 100 quilómetros), juntamente com as novas metodologias de medição do consumo utilizando ciclos muito mais exigentes, fará com que praticamente todos os automóveis do mercado acabem por ter algum tipo de tecnologia híbrida de maior ou menor dimensão para recuperar a energia cinética na travagem.

Porquê? Por uma razão óbvia: recuperar a energia cinética durante a travagem é a solução mais eficaz, rentável e sensata para dar um enorme salto em frente na redução do consumo de combustível e das emissões.

Problemas e vantagens dos sistemas ERS

Mas por que não vimos uma revolução nos sistemas de recuperação de energia na frenagem muito mais cedo? Por que o cliente final não pressionou os fabricantes a oferecê-los ao mercado muito mais cedo?

O problema, para além da questão económica, dos sistemas de recuperação dos travões reside na sensação do pedal do travão. Quando um carro tem travagem regenerativa, tem de ser misturado com travagem por fricção. Uma vez que tudo é controlado a partir do pedal do travão, obter um único controlo para combinar os dois mecanismos é, na verdade, um grande problema de engenharia.

Quando levantamos o pedal do acelerador, um carro com travagem regenerativa pode deixar o motor em ponto morto, ao mesmo tempo que actua como travão motor para alguma dessa capacidade regenerativa. Quando pisamos no freio, a primeira parte de seu percurso ativa ainda mais potência de frenagem regenerativa, até que, quando pisamos ainda mais, a demanda pelo torque de frenagem é tal que o carro tem que recorrer ao uso da frenagem por fricção, através dos discos e pastilhas.

Nos carros, ao contrário de outros meios de transporte, como os comboios, a sensação do pedal do travão é vital para a percepção da segurança e controlo do veículo. Esperamos que o esforço exigido pelo pedal do freio seja exponencial (mais difícil quanto mais baixo você for), mas sem solavancos ou mudanças bruscas de dureza em seu percurso. Além disso, esperamos sempre a mesma quantidade de viagens para a mesma demanda de frenagem.

A mistura dos sistemas de travagem regenerativa com a tradicional travagem por fricção torna extremamente difícil conseguir esta sensação com um sistema puramente mecânico. É por isso que todos os híbridos têm problemas com a sensação de travagem.

A solução para o problema seria integrar um pedal de travagem totalmente electrónico, como o acelerador, com "force feedback", ou seja, com uma resposta de resistência a ser pisado que nos informasse do esforço de travagem que estamos a executar. Mas os travões "por fio", totalmente electrónicos, falharam na Mercedes-Benz, com o Servotronic, e têm sido lentos a serem experimentados novamente (o Giulia Quadrifoglio vai reintroduzi-los no mercado).

No mundo das corridas, tanto na Fórmula 1 como no WEC (Le Mans), os carros já usam freios eletrônicos, para gerenciar o problema da sensação de frenagem e controle de torque de frenagem regenerativa. Mas também não foi fácil nas corridas, e pilotos como Kimi Raikkonen ainda lamentam a perda da resposta do pedal do travão.

Curiosamente, uma das maiores heresias tecnológicas modernas é que o McLaren P1, sendo um carro híbrido, carece de travagem regenerativa activada pelo pedal esquerdo, por receio por parte do seu fabricante de que a sensação do pedal do travão se torne demasiado "suja".

Mas é claro, resolver este problema na sensação e progressão do pedal do travão, bem como massificar a instalação de sistemas ERS tem um prémio: Pode conseguir reduções no consumo (ganhos de eficiência) de até 45%. Estamos a falar em reduzir o consumo real de combustível de um veículo em quase metade. Isto pode não ser relevante para um determinado nível de clientes, mas com os preços do petróleo e os regulamentos que virão, a irrupção massiva destes sistemas, quer integrados em híbridos, quer através da sua utilização em veículos puramente eléctricos, é inevitável.

Tipos de sistemas de ERS aplicáveis a automóveis

Mas nem todos os sistemas de recuperação de energia num carro têm de recuperar energia cinética durante a travagem. Podemos classificar os sistemas de recuperação de energia de frenagem em três grupos principais e, por sua vez, eles podem ser desenvolvidos em diferentes tipologias. Vamos dar uma olhada neles.

  1. KERS (Kinetic Energy Recovery Systems)

Por KERS entendemos todos os sistemas que são responsáveis pela recuperação da energia cinética do veículo e pelo seu armazenamento. Eles podem ser de vários tipos mecânicos, mas vou apresentar quatro.

1.1. KERS por elastómeros

Este sistema está associado às rodas durante a travagem e o que ele faz é, através de uma transmissão contínua do variador, captar a energia cinética do veículo para rodar algumas tiras de borracha sobre outras, da mesma forma que os aviões de borracha o fazem (certamente você os conhece).

Quando o carro acelera, o variador inverte seu funcionamento e fornece essa energia para as rodas.

Em testes de protótipos, os sistemas deste tipo oferecem a capacidade de armazenar até 30 kJ e reduções de consumo de combustível de até 15%.

Este tipo de dispositivo está patenteado desde 1984, mas nunca entrou em produção.

1.2. KERS por sistemas hidráulicos ou pneumáticos

O famoso sistema PSA, o "HybridAir", comprime o ar ao retirar energia das rodas, convertendo a energia cinética do veículo em ar comprimido. Depois, ao acelerar, basta inverter o processo, usando o ar comprimido para mover uma turbina e direcionar essa energia para as rodas para recuperar a energia armazenada.

É claramente mais barato e leve que um sistema eléctrico KERS, mas ocupa muito espaço e requer dois tanques, um de alta pressão e outro de baixa pressão.

O PSA abandonou-o como um projecto devido aos problemas legislativos associados. Embora seja verdade que os governos estão priorizando a redução das emissões de CO2, a ajuda governamental está indo para veículos eletrificados, o que deixaria os veículos com sistemas de coleta de energia cinética pneumática sem ajuda de compra equivalente aos seus rivais no mercado.

Em laboratório e protótipos, estes sistemas podem armazenar até 90 kJ, reduzindo o consumo de combustível em até 35%, especialmente em viagens urbanas.

1.3. volante KERS

Estes ser-lhe-ão mais familiares, porque já lhes dedicámos relatórios em Pistonudos (pode ler aqui aquele sobre como funciona o GT-R KERS em Le Mans).

A idéia é ter uma roda pesada em uma caixa embalada a vácuo. Quando o carro trava, parte de sua energia cinética é capturada girando aquela roda pesada a velocidades muito altas. A roda gira praticamente sem fricção graças ao facto de funcionar numa câmara selada.

Este sistema é capaz de armazenar até 580 kJ por roda, e oferece reduções no consumo de combustível de até 30%. Em competição foi inicialmente desenvolvido pela Williams com um sistema misto (um gerador elétrico captou o movimento das rodas, a energia elétrica foi convertida de volta em mecânica com um motor que girava o volante) e depois foi licenciado por empresas como a Porsche (911 GT3 RSR Hybrid) e a Audi (R18 e-tron) para uso em corridas de enduro.

A Nissan optou por um sistema puramente mecânico para o GT-R LM Nismo, mas não conseguiu torná-lo competitivo.

Para veículos de produção, tanto a Volvo como a Jaguar têm versões testadas desta tecnologia, sem entrar na produção em massa.

1.4 KERS eléctricos

O sistema mais difundido consiste num motor-gerador eléctrico que converte a energia cinética do veículo numa carga eléctrica que pode ser armazenada em vários tipos de baterias ou condensadores para utilização em outro momento.

Os sistemas híbridos da Toyota, BMW ou Honda, por exemplo, baseiam-se nesta tecnologia, que oferece grandes capacidades de armazenamento de energia, com reduções de consumo de até 40% nas vias urbanas.

Além dos híbridos com tecnologia KERS elétrica "full-size", os micro-híbridos empregam um princípio semelhante, usando o gerador elétrico do motor do carro seletivamente quando o motorista levanta o pedal do acelerador e carrega a bateria naquele momento, oferecendo melhorias no consumo de combustível de até 4%.

2. recuperando a energia cinética das oscilações do corpo

Quando um carro está na estrada, a suspensão permite que a carroçaria mantenha um movimento estável enquanto as rodas se movimentam em relação a ela para se ajustar a colisões e irregularidades na estrada.

A partir deste movimento relativo entre as rodas e a carroçaria, a energia pode ser recuperada e armazenada em baterias. Existem duas tecnologias diferentes para este fim.

2.1 Suspensão activa

A suspensão activa utiliza motores eléctricos lineares para modificar constantemente a posição das rodas em relação à carroçaria, contraindo-as ou estendendo-as para se adaptar à superfície da estrada e maximizar o controlo.

Este tipo de suspensão, desenvolvido pela Bose e Lotus em diferentes projectos, necessita de uma calculadora que seja capaz de "ler a estrada" para antecipar as necessidades e modificar a sua geometria.

Ora, estes actuadores lineares que lhe dão vida, quando trabalham com movimento passivo e não activo, geram electricidade, e esta electricidade pode implicar, dependendo do estado da estrada, reduções de consumo de até 10%.

2.2 Amortecimento regenerativo

Se a suspensão não estiver ativa mas você quiser aproveitar esse mesmo efeito, você pode integrar motores com pequenos geradores elétricos lineares que substituem o fluido hidráulico convencional encontrado no amortecimento por campos magnéticos.

Estes campos magnéticos absorvem a energia dos movimentos das rodas (choques e movimentos de mola) para captar a energia que permite reduções de consumo que, em protótipos, estão entre 2% e 10%, dependendo do estado da estrada.

Nenhum destes dois sistemas de suspensão regenerativa está em uso atualmente, mas eles não devem demorar muito quando a necessidade de maximizar a eficiência do veículo se tornar maior.

3. Recuperação de energia dos gases de escape dos motores de combustão

Se o principal gerador de movimento do carro é um motor de combustão, os gases de escape podem sempre ser aproveitados para a extração e reutilização de energia.

Vale a pena lembrar que o estado ideal dos gases de escape seria ar com velocidade zero e a mesma temperatura que tinha quando foi absorvido pelo motor, algo que é impossível na realidade.

O fato é que ainda estamos longe do limite técnico possível quando se trata de extrair energia dos gases de escape em qualquer caso.

3.1 Recuperação térmica dos gases de escape

Um princípio para extrair energia dos gases de escape é extrair energia da sua diferença de temperatura com a temperatura ambiente.

Isto pode ser feito através de dois processos. Um deles é usar geradores elétricos ativados por calor, que geram eletricidade diretamente se um diferencial de temperatura for aplicado a eles.

O outro sistema envolve a utilização de um ciclo Rankine, aquecendo um líquido até evaporar com os gases de escape e extraindo a energia do vapor em uma turbina até condensar novamente e repetir o ciclo.

A BMW desenvolveu protótipos de ambos os sistemas que estarão prontos para o mercado entre 2017 e 2018. Os geradores de calor eléctricos puros oferecem melhorias de consumo de 10%, enquanto os ciclos Rankine oferecem uma redução de até 15% no consumo de combustível.

3.2.Recuperação de energia cinética a partir de gases de escape

Finalmente, vou falar sobre a recuperação de energia dos gases de escape a partir da velocidade dos gases de escape. Os gases de escape, se você freá-los com uma turbina, geram trabalho no eixo da turbina.

Este princípio é usado por turboalimentadores para melhorar o desempenho dos motores de combustão. Mas mesmo depois de passar por um turboalimentador, os gases de escape ainda armazenam energia que pode ser aproveitada em um gerador elétrico ativado por uma turbina interposta no fluxo de escape.

Estes sistemas geradores podem, de facto, ser acoplados directamente aos turbocompressores, interpondo um gerador eléctrico entre a turbina e o turbo compressor e utilizando uma turbina maior.

Essas soluções já são usadas na Fórmula 1 (com turboalimentador mecatrônico misto) e em Le Mans (Porsche 919, com um gerador independente do turboalimentador, com geometria variável).

Conclusões

O curioso de toda essa análise de tecnologias é ver como, como mencionei no início do artigo, ao combinar uma tecnologia de cada um dos três grupos apresentados, pudemos obter uma economia no consumo de combustível de mais de 50%.

O problema é o custo. Os fabricantes não investiram até agora nestas tecnologias porque a legislação não os obrigou a reduzir o consumo ao nível da tecnologia de combustão convencional.

É agora que, tendo em conta o consumo e as emissões que teremos de homologar em 2020, não haverá outra alternativa senão começar a apostar nesta tecnologia.

Outra questão é o custo. A integração de mais tecnologias nos carros existentes é sempre mais cara. A aplicação de sistemas de recuperação de energia é mais eficaz e rentável em carros puramente eléctricos, uma vez que já têm baterias para os utilizar como sistemas de armazenamento de energia, mas o problema dos veículos eléctricos já foi discutido em outras ocasiões.

Seja como for, prepare-se, a revolução da recuperação energética no automóvel só agora começou, e nós estamos nela há mais de 100 anos.

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