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Santa Catarina
Campus de Joinville
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Centro Tecnológico de Joinville
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EMB5507
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– –Veículos de
Veículos de Tração I
Tração I 2018/2
2018/2
LOCOMOTIVAS HÍBRIDAS
LOCOMOTIVAS HÍBRIDAS
VISÃO GERAL MECÂNICA, ECONÔMICA E SOCIAL DESTA SOLUÇÃO
VISÃO GERAL MECÂNICA, ECONÔMICA E SOCIAL DESTA SOLUÇÃO
Autor: Luan Iagho
Autor: Luan Iagho Campagnollo Lottermann
Campagnollo Lottermann
Joinville, Setembro de 2018 Joinville, Setembro de 2018
Sumário
1.
Introdução………4
2.
Locomotivas Híbridas………...5
2.1 Fluxos de energias………..6
2.2 Sistemas de uma locomotiva híbrida……….9
2.3 Componentes e equipamentos………..……10
2.4 Situação ao redor do mundo nos dias de
hoje…..11
2.5 Tendências para o
futuro……….12
Resumo
Nos dias atuais, o transporte se encontra como uma forte fonte, além das indústrias e usinas de energia, da produção de poluição do ar. Assim, com as leis de restrição de gases nocivos, encontrar outras fontes de energia tem se tornado uma tarefa importante. Alguns dos transportes não utiliza a combustão, enquanto outras, ainda são dependentes
deste processo. Neste cenário, as locomotivas híbridas são uma ótima alternativa nos sistemas ferroviários. O trabalho apresenta uma breve abordagem das soluções de construção de locomotivas híbridas, assim como a comparação das mais importantes
variáveis sobre este sistema. Será apresentado também as tendências de desenvolvimento nesta area.
1. Introdução
Neste trabalho iremos expor detalhadamente como funciona os sistemas
embarcados em uma locomotiva híbrida, assim como os diversos caminhos percorridos pela energia elétrica no complexo. Ainda, iremos apresentar como obtemos reduções
significativas no consumo de combustíveis com a utilização deste sistema de transporte. Em conjunto com isto, a consciência ecológica também será analisada na forma de redução de poluentes e ruídos de operação. Além do mais, será apresentado uma breve analise de como se encontra esta tecnologia no cenário atual do mundo.
Em um cenário ideal, o motor Diesel funcionaria em 2 estágios apenas, Rotação mínima para manter apenas os sistemas periféricos como freios e outros, ou na sua faixa ideal de rotação, onde tem o melhor consumo de combustível (figura 1) junto da menor emissão de poluentes e ruídos. Porém na decorrer de uma via, a locomotiva precisa acelerar com intensidades diferentes e fornecer potências específicas em cada trecho, fazendo com que o motor diesel fique constantemente moldando sua faixa de trabalho para atender a potência requerida e perdendo eficiência energética.
Uma solução para este problema é o uso de sistemas híbridos de alimentação dos motores de tração.
Figura 1. Gráfico Consumo-Potência-Torque/RPM
Estes sistemas combinam fluxos de energia para conseguir melhorar seu consumo de combustível, emissão de poluentes e ruídos. Temos seis f luxos de energia distintos que são usados em locomotivas híbridas. Fabricantes testam e aplicam estes sistemas em suas locomotivas híbridas, cada uma com suas particularidades para funcionamento, vantagens e desvantagens.
Motor Diesel > Baterias
Os motores Diesel fornecem energia mecânica, ela é transformada para energia elétrica pelo gerador e armazenada nas células de bateria. Podendo assim sempre funcionar o motor Diesel apenas em sua faixa ideal de trabalho. (figura 2)
Figura 2. Esquema de fluxo
Motor Diesel > Motores de Tração
Fluxo comum usado em locomotivas diesel-elétricas, onde a energia gerada pelo motor Diesel é diretamente consumida pelos motores de tração. Fazendo com que o motor Diesel trabalhe em diversas faixas de rotação com rendimentos abaixo do ideal para
fornecer a quantidade certa de energia para a tração no trecho da via. (figura 3)
Figura 3. Esquema de fluxo
A energia previamente armazenada nas baterias é consumida pelos motores de tração. Não envolvendo o motor Diesel neste processo. (figura 4)
Figura 4. Esquema de fluxo
Motor Diesel + Baterias > Motores de Tração
Também conhecido como sistema em paralelo, o motor Diesel não fornece energia para as baterias, apenas fornece diretamente para os motores de tração. Este fluxo permite uma potência extra vinda das baterias sem precisar tirar o motor Diesel da sua faixa ideal de consumo. (figura 5)
Figura 5. Esquema de fluxo
Rede Elétrica > Baterias
Neste processo, as baterias são carregadas utilizando a rede elétrica da estação. Dispensando o uso do motor Diesel. (figura 6)
Figura 6. Esquema de fluxo
Motores de tração > Baterias
Neste processo, a energia da frenagem ao invés de ser dissipada em forma de calor pelas sapatas de freio, é enviada para as baterias e armazenada para um uso posterior. (figura 7)
Figura 7 . Esquema de fluxo
2.2 Sistemas de uma locomotiva híbrida
Os sistemas mais conhecidos de locomotivas híbridas são as locomotivas híbridas em série, em paralelo e regenerativas. Em série (figura 8) como o próprio nome já diz, a energia segue por uma série de componentes, seguindo os fluxos “Motor Diesel > Baterias”
“Baterias > Motores de tração”. Mantendo o motor Diesel trabalhando na faixa ideal de rotação e fornecendo energia para as baterias sem ter que alterar seu funcionamento conforme o relevo da via.
Figura 8 . Sistema em Série
O sistema em paralelo (figura 9) tem como fluxo “Motor Diesel + Baterias > Motores de Tração” ou cada um deles individualmente. Fazendo com que em aclives o motor Diesel não precise sair de sua faixa ideal de rotação e as baterias (carregadas previamente por frenagens ou pela rede elétrica da estação) forneçam a energia extra para superar a subida.
Figura 9 . Sistema em Paralelo com regeneração e carregamento em rede elétrica
O sistema regenerativo (figura 10), muito polêmico pois não se trata de uma locomotiva híbrida em si, e sim de apenas um sistema de armazenamento de energia de frenagem implementado em uma locomotiva Diesel-Elétrica convencional.
Figura 10 . Sistema regenerativo
2.3 Componentes e equipamentos
Para demonstrar os componentes de uma locomotiva híbrida, utilizaremos a Toshiba HD300. Locomotiva a qual está empregado os três principais sistemas híbridos citados anteriormente.
Figura 11 .Componentes de uma locomotiva híbrida
Cabine do maquinista é onde fica concentrada a maioria dos controles acessíveis ao operador e o próprio operador, assim como toda locomotiva.
A cabine do motor Diesel sofreu grande redução, sendo unificada a cabine do
radiador, pelo fato de o motor Diesel das locomotivas híbridas ter escalas bem inferiores ao de uma Diesel-elétrica, seu radiador e gerador foram aglomerados em um compacto
componente. Fornece energia elétrica diretamente aos motores de tr ação em momentos onde o operador necessita de elevadas potências, e envia corrente para a cabine de
baterias, carregando-as em situações de baixo requerimento de tração ou quando o sistema achar necessário efetuar a recarga das mesmas.
Cabine de baterias, talvez a mais impactante diferença e normalmente a cabine que ocupa maior parte do espaço da plataforma. Comporta as células de bateria que irão
fornecer energia aos motores de tração e podem ser carregadas tanto pelos motores de tração quanto pelo motor Diesel.
Um componente importante para o manejo da energia que circula pela locomotiva é o conversor que fica alocado em uma cabine que leva seu nome. O conversor recebe toda energia produzida pelo motor Diesel e pelo sistema regenerativo e prepara esta energia para ser armazenada nas baterias, assim como também faz o inverso.
2.4 Situação ao redor do mundo nos dias atuais
Nos dias atuais temos varios paises sendo pioneiros nesta tecnologia. No Japão a Toshiba desenvolveu protótipos de locomotivas B-B de manobra híbridas, onde são
aplicados a maior parte dos fluxos. Uma tecnologia extremamente avançada de
manejamento que controla toda a distribuição de energia do sistema. Promete redução de 22db de ruídos, 62% de redução na emissão de poluentes e 36% de Redução do consumo.
No Canadá, desde 2001 existem prototipos de locomotivas híbridas que utilizam o motor Diesel apenas para carregar as baterias, como no fluxo “Motor Diesel > Baterias” e posteriormente o fluxo “Baterias > Motor de Tração”. Prometendo de 40 a 70% de redução no consumo e até 90% nas emissões de poluentes. Houve testes inclusive substituindo o motor Diesel por células de hidrogênio.
Já nos Estados Unidos, a GE está produzindo locomotivas com o sistema de
regeneração de energia por frenagens. Como mostra o fluxo “Motores de tração > Baterias”. Produzindo uma autonomia de cerca de 2000km apenas com as baterias e reduções de 15% e 50% no consumo e emissões, respectivamente.
Em território Germânico, um protótipo chamado Alstom BR 203H que deriva da
locomotiva Diesel-elétrica com mesmo nome porém sem o “H” de híbrida, utiliza um sistema paralelo de fornecimento de energia, assim como o fluxo “Motor Diesel + Baterias > Motores de tração”. Ela consegue também utilizar seu motor Diesel para carregar as baterias ”Motor Diesel > Baterias”, assim como somente o motor Diesel ou baterias para alimentar a
tração.”Motor Diesel > Motores de Tração” e “Baterias > Motores de Tração”.
Uma particularidade encontrada na Tchecoslováquia em 1986, antes de sua separação, era uma locomotiva híbrida que pra época era extremamente tecnológica. Utilizava a energia das frenagens e ainda possibilita o carregamento das baterias na rede elétrica da estação, como mostra o fluxo “Rede elétrica > Baterias”. Tecnologia que na época já fornecia cerca de 25% de economia de combustível.
2.5 Tendências para o futuro
Como notado, economia de combustível e redução de poluentes, tanto do ar quanto sonoros, são as principais vantagens da utilização desta tecnologia. Isso faz com que se tenha muito interesse em pesquisa e avanço desta area. Na Alemanha já estão sendo empregadas locomotivas híbridas em diversas linhas ferroviárias e sempre em
aprimoramento. Os grandes investimentos feitos pelos fabricantes, indicam um futuro promissor para esta combinação de tecnologias que servirá como um importante degrau rumo à revolução energética que esta se direcionando.
3. Conclusão
Com o presente trabalho foi possível entender como funcionam as locomotivas
híbridas, assim como seus componentes, equipamentos e aplicações. Além disso, podemos observar e analisar seus benefícios e desvantagens. Ainda, com o cenário mundial atual, conseguimos notar o saldo positivo que essa tecnologia pode trazer tanto para a sociedade,
quanto para o meio ambiente, e como seu futuro próspero, que com investimentos pode alavancar este setor e impactar ainda mais na economia.
Referências Bibliográficas
[1] http://www.toshiba.co.jp/sis/railwaysystem/en/products/locomotive/hybrid.htm [2]http://m.railjournal.com/index.php/locomotives/db-and-toshiba-to-develop-hybrid-locomotives.html
[3]Konarzewski,Marcin; NiezgodaHybrid, Tadeusz; Stankiewicz, Michal; Szurgott, Piotr Locomotives, Overview of Construction Solutions. Polonia,2013
