Ve´ıculos el´ etricos

Os primeiros ve´ıculos el´etricos surgiram muito antes dos convencionais modelos `

a gasolina. Por volta dos anos 1800 iniciaram-se pesquisas envolvendo ve´ıculos el´etricos de pequeno porte desenvolvidas por pesquisadores da Hungria, Holanda e Estados Unidos. Em 1908, com o in´ıcio da produ¸c˜ao em massa do Modelo T introduzido por Henry Ford, os carros `a gasolina tornaram-se mais acess´ıveis, reduzindo seu pre¸co em compara¸c˜ao aos modelos el´etricos. A melhora na qualidade das autoestradas interestaduais foi mais um dos motivos que incentivaram o uso dos carros movidos `a gasolina devido sua autonomia ser superior aos EV. A retomada de produ¸c˜ao e pesquisas em carros el´etricos ganhou mais for¸ca com a preocupa¸c˜ao acerca do meio ambiente juntamente com pol´ıticas de preserva¸c˜ao imposta aos pa´ıses (U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, 2014).

O segmento de ve´ıculos el´etricos vem alcan¸cando um consider´avel crescimento nos ´ultimos anos, em consequˆencia de incentivos na produ¸c˜ao aplicando pol´ıticas de isen¸c˜ao de impostos e redu¸c˜ao da circula¸c˜ao de ve´ıculos `a combust˜ao, adotados por v´arios pa´ıses (MARTINS, 2017; DELGADO et al., 2017). No Brasil a frota de EV ainda ´e bas- tante reduzida, entretanto medidas de incentivo vˆem sendo tomadas como a implanta¸c˜ao de postos de recarga, redu¸c˜ao de impostos e parcerias de empresas com universidades para o desenvolvimento da tecnologia, auxiliando na massifica¸c˜ao de EV no ˆambito naci- onal (DELGADO et al., 2017; COPEL, 2018a; ELETROPOSTO CELESC, 2016; CPFL Energia, 2017).

Um dos objetivos de utilizar ve´ıculos el´etricos em conjunto com redes inteli- gentes ´e a possibilidade de absorver a energia el´etrica para carregamento em per´ıodos de baixo custo energ´etico e inje¸c˜ao de energia el´etrica na rede em momentos de grande demanda (FARZIN et al., 2016; GUO et al., 2012). Os ve´ıculos ainda podem servir como backups do sistema fornecendo suporte `a estocasticidade de gera¸c˜ao das fontes renov´aveis (CHAN et al., 2014).

A possibilidade de utilizar o EV como estoque energ´etico tem levado as empre- sas a investir em tecnologias que desenvolvam a capacidade das baterias. Nesse sentido, ao longo dos anos nota-se um desenvolvimento na densidade de energia, sendo atualmente utilizadas predominantemente as baterias tipo Li-ion, com ve´ıculos em produ¸c˜ao supe- rando a marca de 500 km com apenas uma carga energ´etica (EV DATABASE, 2019). Mesmo assim, em compara¸c˜ao com o combust´ıvel diesel a densidade de energia das ba- terias ´e bastante reduzida. Ainda que a crescente utiliza¸c˜ao de baterias Li-ion em EV

resulte na redu¸c˜ao do seu pre¸co com o passar dos anos, o custo desta tecnologia ainda ´e elevado representando cerca de 25% do custo total investido no ve´ıculo (GJELAJ et al., 2017; IRENA, 2015). Esse ´e um dos desafios enfrentados para populariza¸c˜ao dos EV e uti- liza¸c˜ao deles como forma de armazenamento. Al´em da baixa densidade de energia el´etrica e longo tempo de carregamento as baterias s˜ao o fator determinante para o conceito de uso, o design e o modelo de mercado dos EV (FRAUNHOFER, 2010).

Na Tabela 2 s˜ao apresentadas algumas capacidades de baterias utilizadas co- mercialmente e a distˆancia percorrida pelos principais EV, respectivamente.

Tabela 2: Capacidade das baterias utilizadas comercialmente nos principais EV

Modelos (2015-2019) Autonomia (km) Bateria (kWh) Nissan Leaf 24 kWh 130 24 Nissan Leaf 30 kWh 165 30 Kia Soul EV 150 30 Mercedes B-Class ED 170 36 eGolf 300 37 Tesla Model 3 350 60

Tesla Model X Long Range 460 95

Tesla Model S Long Range 525 95

Fonte: Gjelaj et al. (2017) e EV DATABASE (2019).

Proje¸c˜oes realizadas mostram compara¸c˜oes entre as baterias do tipo Li-ion implementadas nos EV e em bancos estacion´arios, em rela¸c˜ao `a evolu¸c˜ao do pre¸co para os pr´oximos anos. ´E verificado que as baterias de EV apresentar˜ao um valor inferior `as estacion´arias, refletindo tamb´em na potˆencia instalada globalmente, em que a frota de EV possivelmente ser´a superior `a quantidade de armazenamento estacion´ario, para o mesmo horizonte de previs˜ao (TSIROPOULOS et al., 2018).

Duas configura¸c˜oes para carregamento s˜ao mais difundidas: plug-in e troca de bateria (Battery Exchange (BE)). O m´etodo BE consiste em substituir a bateria descarre- gada por uma nova, tal configura¸c˜ao ´e mais difundida nos pa´ıses asi´aticos (FARZIN et al., 2016). A tecnologia plug-in foi introduzida comercialmente para ve´ıculos el´etricos h´ıbridos (HEV) e consiste na conex˜ao direta ao sistema (U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, 2014; TIE; TAN, 2012). Mesmo o m´etodo BE sendo mais ´agil e simplificado, o custo elevado das baterias torna-se um entrave; j´a a configura¸c˜ao plug-in tem um aspecto mais complexo e maior versatilidade na troca de energia com a rede, sendo o m´etodo adequado a ser uti- lizado para armazenamento em smart grids. Entretanto o processo de carregamento dos ve´ıculos plug-in ainda possui alguns obst´aculos por apresentar uma caracter´ıstica mais

lenta (YILMAZ; KREIN, 2013; SCHALTZ, 2011).

Ao longo do per´ıodo de conex˜ao do ve´ıculo a bateria ´e frequentemente carre- gada e descarregada, ocasionando uma redu¸c˜ao na sua vida ´util refletida no decr´escimo dos valores do SOC dos EV (MWASILU et al., 2014). Dessa forma ´e necess´ario que o gerenciamento do carregador leve em considera¸c˜ao essa degrada¸c˜ao sofrida pela bateria. Na Figura 9 ´e poss´ıvel notar que descargas com percentual menor podem prolongar a vida ´util do dispositivo, deixando claro por meio dos valores ilustrados da profundidade de descarga, do inglˆes Depth of Discharge (DOD), em rela¸c˜ao ao ciclo de vida da bateria. Diversos outros fatores tamb´em influenciam no ciclo de vida, como a auto-degrada¸c˜ao da bateria, a varia¸c˜ao da temperatura ambiente durante o dia, os quais n˜ao ser˜ao discutidos em detalhes aqui por n˜ao serem o foco deste trabalho.

0,7 0,8 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,9 1 107 106 105 104 103 DoD (pu) Número máximo de ciclos NaSLi NaNiCl2

Figura 9: Ciclo de vida das baterias em rela¸c˜ao `a profundidade de descarga (Depth of Discharge - DOD).

Fonte: Adaptado de Canevese et al. (2017)

As baterias apresentadas na Figura 9 referem-se `as tecnologias de bateria de S´odio-enxofre (N aS), L´ıtio-´ıon (Li) e S´odio-n´ıquel-cloro (N aN iCl2). Nota-se que, para a

mesma DOD, as baterias de Li-ion adquirem um comportamento mais favor´avel quando comparado `as outras op¸c˜oes de armazenamento.

O equipamento que deve garantir o comportamento adequado da potˆencia des- pachada para as baterias s˜ao os conversores das esta¸c˜oes de carregamento, os quais apre- sentam caracter´ısticas espec´ıficas relacionados aos EV. Pesquisas indicam que ´e poss´ıvel alcan¸car valores de eficiˆencia por volta de 82 % at´e pr´oximo dos 98 %, dependendo da configura¸c˜ao e frequˆencia utilizada (CHAKRABORTY et al., 2019). Os padr˜oes dispo- nibilizados por alguns carregadores comerciais abrangem tanto entrada CA quanto CC, com intuito de reduzir o tempo de carregamento (ABB, 2019). No que diz respeito aos n´ıveis de potˆencia, s˜ao disponibilizados dois padr˜oes principais de fornecimento aos EV:

IEC 61851 e SAE J1772, os quais est˜ao indicados na Tabela 3.

Tabela 3: N´ıveis de potˆencia de carregamento para os padr˜oes europeu (IEC 61851) e americano (SAE J1772)

Padr˜ao Conex˜ao Potˆencia (kW) Localiza¸c˜ao IEC 61851 (Europeu) 1ϕ CA 3,7 Privado 1ϕ ou 3ϕ CA 3,7 – 22 Privado/P´ublico 3ϕ CA >22 P´ublico CC >22 P´ublico SAE J1772 (Americano) 1ϕ CA 1,44 – 3,3 Privado (on-board)

1ϕ ou 3ϕ CA 7,7 – 14,4 Privado/P´ublico (on-board) 3ϕ CA ou CC 50 – 240 P´ublico (off-board)

Fonte: Adaptado de Falvo et al. (2014)

Cabe ressaltar que atualmente n˜ao h´a um padr˜ao global de carregamento e de conectores para os ve´ıculos, assim sendo muitos postos de recarga apresentam m´ultiplas sa´ıdas de diferentes n´ıveis e conex˜oes com a finalidade de atender o m´aximo de usu´arios. Neste trabalho ´e considerada a instala¸c˜ao do modelo de carregadores Terra 54 desenvolvido pela empresa ABB, o qual disponibiliza a potˆencia m´axima de 50 kW, em conformidade com a norma europeia IEC 61851, apresentando rendimento total de 94 % (ABB, 2019). Al´em disso, tendo em vista atender o m´aximo de usu´arios poss´ıveis ´e considerado que o gerenciador seja capaz de coordenar tamanhos variados de baterias, tamb´em levando em considera¸c˜ao a precau¸c˜ao com a degrada¸c˜ao da bateria para certos modos de carregamento.

2.3.3.1 Perfis de utiliza¸c˜ao por usu´arios

Uma das quest˜oes importantes ao tratar-se de EV ´e a baixa previsibilidade do comportamento de sistemas de carregamento para setores p´ublicos. Dessa forma, estudos vem sendo realizados com o prop´osito de obter perfis caracter´ısticos do aspecto por usu´ario. Na Figura 10 s˜ao indicados os percentuais de carregamento separando os pontos de recarga com base na localidade, a partir de estudos feitos entre os usu´arios.

A preferˆencia dos usu´arios pelo carregamento no trabalho, em locais p´ublicos, ou em suas casas pode ser verificada, destacando-se o crescimento da frequˆencia de co- nex˜oes de EV entre `as 6 e 10 horas no setor comercial, refletindo na chegada dos usu´arios ao ambiente de trabalho. O perfil p´ublico exibe um comportamento constante ao longo do dia, com uma redu¸c˜ao significativa durante a madrugada. O pico de carregamento no setor residencial encontra-se das 18 `as 22 horas, paralelamente ao hor´ario de ponta

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 5 10 Fr eq uên cia d e reca rga por loca liza çã o (%) TrabalhoPúblico Residencial Horário (h)

Figura 10: Perfis de carregamento por localiza¸c˜ao do ponto de recarga. Fonte: Adaptado de Robinson et al. (2013)

neste setor, indicando o t´ermino do hor´ario comercial e a chegada dos usu´arios `as suas residˆencias.

Os modos de carregamento desse trabalho que ser˜ao discutidos no cap´ıtulo 3 foram propostos a partir da an´alise dos perfis de preferˆencia dos usu´arios pelo local e hor´ario de recarga.