ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM ÔNIBUS HÍBRIDO PROPELIDO A CÉLULA A COMBUSTÍVEL
Lucas Silva Ribeiro de Melo
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Silvio Carlos Aníbal de Almeida
Rio de Janeiro Janeiro de 2020
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia MecânicaDEM/POLI/UFRJ
ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM ÔNIBUS HÍBRIDO PROPELIDO A CÉLULA A COMBUSTÍVEL
Lucas Silva Ribeiro de Melo
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________ Prof. Sílvio Carlos Aníbal de Almeida, D.Sc
________________________________________________ Prof. Gustavo Rabello dos Anjos, PhD
________________________________________________ Prof. Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto, Dr. Ing
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL JANEIRO DE 2020
de Melo, Lucas Silva Ribeiro
Análise de desempenho de um ônibus híbrido propelido a célula a combustível/Lucas Silva Ribeiro de Melo – Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2019.
XII, 73 p.: il.; 29,7 cm
Orientador: Silvio Carlos de Aníbal de Almeida
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, 2020.
Referências Bibliográficas: p. 80 – 82.
1. Veículos elétricos. 2. Célula a combustível. 3. Grau de Hibridização. I. Almeida, Silvio Carlos Anibal. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Simulação e otimização de um ônibus híbrido a célula a combustível: protótipo da Empresa Metropolitana de São Paulo.
Agradecimentos
Agradeço, primeiramente, à minha família. Aos meus pais, Alexandre e Fernanda, que me apoiaram incondicionalmente nessa jornada e por todos os sacrifícios feitos para que eu pudesse ter a melhor educação possível. Agradeço aos meus irmãos, Arthur e Ana Clara, que são inspiração para mim. Agradeço aos meus tios, Leonardo e Luciana, que são meus exemplos. Agradeço à minha namorada, Beatriz, por toda a paciência e suporte.
Agradeço aos meus amigos do curso de engenharia mecânica, Guilbert Nassif, Lucas Paraquett, Arthur Souza e Michel Queiroz, que estiveram comigo nesses anos, tornando a graduação agregadora e agradável.
Agradeço aos professores da UFRJ com quem tive contato por todos os ensinamentos e experiências compartilhados. Em especial agradeço ao professor Sílvio Carlos por todo o apoio e disponibilidade durante a orientação desse projeto.
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM ÔNIBUS HÍBRIDO PROPELIDO A CÉLULA A COMBUSTÍVEL
Lucas Silva Ribeiro de Melo
Janeiro/2020
Orientador: Silvio Carlos de Aníbal de Almeida Curso: Engenharia Mecânica
O objetivo deste trabalho foi simular o desempenho de um ônibus híbrido propelido a célula a combustível. O ônibus estudado foi o protótipo da Empresa Metropolitana Transportes Urbanos de São Paulo (EMTU) e a simulação foi feita através ferramenta computacional Advisor. Primeiramente foram coletados dados do protótipo na literatura e em contatos com a empresa, com o objetivo de obter os dados de entrada da simulação. Os resultados obtidos foram comparados com os resultados disponíveis pelo fabricante, e estes apresentaram desvios mínimos, provando a validade do modelo. Posteriormente, foram feitas alterações na configuração original com o objetivo de melhorar sua performance. Desta forma, foi possível estudar o impacto da variação do grau de hibridização na performance do ônibus. Os resultados das simulações mostraram que é possível obter uma diminuição do consumo de combustível e reduções no tempo de aceleração com o aumento do grau de hibridização. Outro estudo realizado baseou-se na atualização dos modelos da bateria e célula a combustível, trocando-os por componentes mais atuais e de potência especifica mais alta. Os resultados apresentaram uma redução expressiva de 11,6% no consumo em razão do aumento da potência específica desses componentes, oriundo dos avanços tecnológicos recentes. Finalmente foi analisado o impacto do estado de carga inicial da bateria sobre o consumo de combustível, feito através da comparação do desempenho dos ônibus Plug-in e não in. Os resultados mostraram que o consumo da configuração do ônibus híbrido
Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a partial fulfilment of the requirements to obtain the degree of Mechanical Engineer.
PERFORMANCE ANALYSIS OF A FUEL CELL POWERED HYBRID BUS
Lucas Silva Ribeiro de Melo
January/2020
Advisor: Silvio Carlos de Aníbal de Almeida Course: Mechanical Engineering
The aim of this work was to simulate the performance of a hybrid bus propelled to fuel cell. The studied bus was the prototype of the Metropolitan Urban Transport Company of São Paulo (EMTU) and the simulation was ran by the computional tool Advisor. In the first phase, data were collected in the literature and in contacts with EMTU, in order to obtain the input data for the simulation. The results obtained were compared with the results from the manufacturer. The simulation results presented minimum deviations in relation to the experimental data. Subsequently, changes were proposed to the original configuration in order to improve the performance. Therefore, the impact of hybridization degree variation to the prototype performance was studied. The simulation results showed that it is possible to achieve a decrease in fuel consumption and a reduction in the acceleration time due to an increase in vehicle hybridization degree. Another study was the replacement of the battery and fuel cell models to modern models with higher specific power. The results showed a significant reduction of 11.6% in the fuel consumption, due to the increase in the specific power of these components and the advance in the hydrogen technologie. Finally, the impact of the battery's initial state of charge on fuel consumption was analyzed by comparing the performance of the Plug-in and non-Plug-in buses. The results showed that the consumption of the plug-in is much lower until 50 km.
Sumário
Lista de figuras ... ix
Lista de tabelas ... xi
Lista de Abreviaturas e Siglas ... xii
1 Introdução ... 1
1.1 Objetivo ... 2
1.2 Metodologia ... 2
1.3 Descrição dos Capítulos ... 3
2 Veículos Híbridos ... 4
2.1 Veículos Híbridos de configuração em série ... 5
2.2 Veículos Híbridos de configuração em paralelo ... 6
2.3 Veículos Híbridos de configuração em série/paralelo ... 7
2.4 Veículos híbridos Plug-in ... 9
2.5 Gestão de energia dos veículos híbridos e Plug-in ... 9
2.6 Consumo e Economia de Combustível ... 11
3 Célula a combustível ... 12
3.1 Eficiência da célula a combustível ... 13
3.2 Tipos de célula a combustível ... 14
3.3 Operação da célula a combustível em veículos híbridos a célula a combustível ... 16
4 A utilização do hidrogênio e células a combustível no transporte coletivo ... 18
4.1 Histórico do uso de células a combustível no transporte coletivo ... 18
4.2 Nova geração de ônibus com célula a combustível ... 21
5 Estudo de caso: Ônibus da EMTU ... 26
5.1 Características da EMTU e do projeto do Ônibus Brasileiro a Hidrogênio ... 26
5.3 Dados de entrada da simulação ... 30 5.3.1 Bateria ... 30 5.3.2 Célula a combustível ... 31 5.3.3 Peso ... 31 5.3.4 Estratégias de Controle ... 31 5.4 Ciclo de Condução ... 37 5.5 Validação da simulação ... 39
6 Propostas de novas configurações ... 44
6.1 Estudo de hibridização ... 44
6.1.1 Limites de hibridização ... 46
6.1.2 Avaliação de Performance ... 54
6.2 Modernização do projeto de ônibus a célula a combustível ... 62
6.2.1 Célula a Combustível ... 62
6.2.2 Bateria ... 64
6.2.3 Avaliação de performance com potências do ônibus original ... 65
6.2.4 Avaliação de performance com potências mínimas que atendam aos requisitos ... 68
7 Análise do estado inicial de carga da bateria ... 73
8 Conclusões ... 77
9 Sugestões para trabalhos futuros ... 79
Lista de figuras
Figura 2-1. Configuração em série de um HEV ... 6
Figura 2-2. Configuração em paralelo de um HEV ... 7
Figura 2-3. Configuração em série/paralelo de um HEV ... 8
Figura 2-4. Estado de carga de uma bateria (PHEV e HEV) ... 10
Figura 3-3-1. Estrutura de funcionamento de uma célula a combustível ... 12
Figura 3-3-2. Esquema para controle de operação da célula a combustível de um FCHEV. ... 17
Figura 4-1. Fuel Cell Bus P1 (1993) ... 18
Figura 4-2. Greenbus, fabricado em parceria entre a Van Hool e a MAN (1994) ... 19
Figura 4-3. Ônibus híbrido a hidrogênio e gasolina MAN city bus (1996) ... 19
Figura 4-4. NEBUS (1997) ... 20
Figura 4-5. Ballard P4 ZEbus (1999) ... 21
Figura 4-6. New Citaro FuelCELL (2010) ... 22
Figura 4-7. Van Hool A330 ... 22
Figura 4-8. Wrightbus Pulsar H ... 23
Figura 4-9. Phileas fuel cell ... 23
Figura 4-10. Solaris Urbino 18.75 ... 24
Figura 4-11. Terceira geração do ônibus a hidrogênio da Coppe ... 25
Figura 4-12. Solaris Urbino 12 Hydrogen ... 25
Figura 5-1. Ônibus da EMTU ... 27
Figura 5-2. Potência do banco de baterias de 46 módulos, de acordo com o nível de carga e temperatura. 31 Figura 5-3. Curva de eficiência da célula a combustível do modelo. ... 32
Figura 5-4. Consumo de combustível em função da Potência de operação célula a combustível... 33
Figura 5-5. Interface do Advisor para as entradas do veículo. ... 35
Figura 5-6. Tela do Advisor para definição de condições iniciais de operação. ... 36
Figura 5-7. Tela do Advisor para seleção do ciclo de condução ... 37
Figura 5-8. Variação da velocidade e da elevação de acordo com o tempo do ciclo ... 38
Figura 5-9. Percentual de tempo por faixa de velocidade do ciclo ... 38
Figura 5-10. Tela de saída da simulação para 1 ciclo. ... 40
Figura 5-12. Potência fornecida pela célula a combustível. ... 41
Figura 5-13. Potência fornecida pela bateria (W) em um ciclo. ... 41
Figura 5-14. Consumo de Hidrogênio em litros para um ciclo. ... 41
Figura 5-15. Tela de saída da simulação para 15 ciclos ... 42
Figura 6-1. Aba do Advisor para teste de capacidade de subida em rampa. ... 48
Figura 6-2. Aba do Advisor para teste de aceleração. ... 49
Figura 6-3. Resultados para os testes de aceleração e capacidade de subida em rampa. ... 52
Figura 6-4. Telas de saída do Advisor para simulações de diferentes graus de hibridização em 15 ciclos. 56 Figura 6-5. Inclinação máxima sustentada pelo ônibus para diferentes graus de hibridização ... 58
Figura 6-6. Tempos de aceleração para diferentes graus de hibridização ... 59
Figura 6-7. Velocidade máxima para diferentes graus de hibridização ... 60
Figura 6-8. Consumo de combustível para diferentes graus de hibridização ... 61
Figura 6-9. FCmove-HD da Ballard. ... 63
Figura 6-10. Tela de saída da simulação para 15 ciclos mantendo-se as potências do ônibus original. ... 66
Figura 6-11. Resultados para os testes de aceleração e capacidade de subida de rampa... 67
Figura 6-12. Simulação para 15 ciclos e potências mínimas que cumpram os requisitos da APTA. ... 70
Figura 6-13. Resultados para os testes de aceleração e capacidade de subida de rampa... 71
Figura 7-1. Comparação economia de combustível (MPGE) do ônibus Plug-in com o não Plug-in. ... 73
Lista de tabelas
Tabela 5-1: Dados do Ônibus da EMTU. ... 29
Tabela 5-2. Entradas da simulação do ônibus da EMTU no Advisor ... 34
Tabela 5-3: Condições iniciais de operação. ... 36
Tabela 5-4: Dados do ciclo CYC_UKBUS_MAS_VAR1 ... 39
Tabela 5-5: Validação da simulação do ônibus da EMTU. ... 43
Tabela 6-1: Tempos máximos de aceleração de um ônibus em uma superfície plana, de acordo com a APTA. ... 46
Tabela 6-2: Dados de Entrada das simulações de grau de hibridização. ... 50
Tabela 6-3: Resultados dos testes de aceleração e capacidade de subida em rampa. ... 53
Tabela 6-4: Resultados de performance das simulações de hibridização do ônibus da EMTU. ... 57
Tabela 6-5: Comparativo entre células a combustível e baterias. ... 64
Tabela 6-6: Comparativo dos parâmetros da configuração original e da nova proposta que mantém a potência dos componentes. ... 65
Tabela 6-7: Resultados de performance das simulações do ônibus da EMTU com componentes alterados para parâmetros atuais, mantendo-se a potência. ... 67
Tabela 6-8: Comparativo dos parâmetros da configuração original e da nova proposta com potências mínimas que atendam aos requisitos. ... 69
Tabela 6-9: Resultados de performance das simulações do ônibus da EMTU com componentes alterados para parâmetros atuais, e potências mínimas que cumpram as exigências da APTA. ... 71
Lista de Abreviaturas e Siglas
Advisor ADvanced VehIcle SimulatORAFC Alkaline Fuel Cell
APTA American Public Transportations Association
DMFC Direct Methanol Fuel Cell
EMTU Empresa Metropolitana Transportes Urbanos de São Paulo
EV Eletric Vehicle
FCHEV Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles
FCS Fuel Cell System
FINEP Financiadora de Estudos e Projetos
GEF Global Environment Facility
HD Grau de Hibridização
HEV Hybrid Eletric Vehicle
ICE Internal Combustion Engine
ICEV Internal Combustion Eletric Vehicle
Li-ion Bateria de íon lítio
MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
MME Ministério das Minas e Energia
MPGe Milhas por galão equivalente de gasolina
NREL National Renewable Energy Laboratory
PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
PEM Proton Exchange Membrane Fuel Cell
PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell
PHEV Plug-in Hybrid Eletric Vehicle
PNGV Partnership for a New Generation of Vehicles
PNUD Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento
SOC Estado de carga da bateria
1 Introdução
Há uma crescente preocupação com o paradigma energético nas últimas décadas, além de discussões em torno da sustentabilidade do uso da energia, especialmente no setor de transportes. Este fato pode ser explicado pela alta dependência do petróleo e derivados, cuja queima produz gases que contribuem para a degradação da qualidade do ar, prejudicando a saúde da população e intensificando o efeito estufa.
É necessário incorporar a variável ambiental no debate, além de reconhecer a necessidade de incorporá-la como uma questão de primeira ordem, em igualdade de condições com o tema energético por excelência que é a segurança energética (BICALHO, 2011). Assim, tendo em vista a grande importância ambiental, econômica e social do setor de transportes, as classes tomadoras de decisão devem analisar e priorizar propostas que contribuam com uma mudança gradual de paradigma no setor, elevando sua eficiência e impactando positivamente a qualidade de vida da população.
Há a alternativa proeminente do uso do hidrogênio como combustível dentro deste contexto. O hidrogênio é o elemento químico mais abundante do universo, porém se encontra em concentrações menores que 0,1%, que são extremamente baixas na atmosfera terrestre. Por ser um vetor energético e não uma fonte de energia primária, é necessário extraí-lo de outras substâncias para utilizá-lo. Ele pode ser obtido a partir de fontes renováveis ou combustíveis fósseis, porém, por motivos óbvios, a primeira opção deve ser tratada como preferencial pois garante menores impactos ambientais.
Os Veículos Elétricos Híbridos a Célula a Combustível (Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles - FCHEVs) apresentam-se como uma alternativa de grande potencial para esse mercado futuro de veículos devido às suas características de emissão zero de poluentes durante a direção, elevada autonomia e ao abastecimento rápido do tanque de combustível.
Por outro lado, uma transição no uso de ônibus movidos a derivados de petróleo para ônibus movidos a hidrogênio depende tanto do processo de produção do hidrogênio e de sua utilização nos veículos (GRANOVSKII, DINCER e ROSEN, 2006), como da implementação de uma adequada infraestrutura de estações de abastecimento (QADRDAN e SHAYEGAN, 2008) que satisfaça a demanda. Em função dos elevados custos ainda associados à produção e utilização do hidrogênio, alguns países vêm buscando superar esses entraves econômicos através do estímulo à pesquisa e desenvolvimento e da implementação de programas para atender a demanda energética
de setores específicos, como o setor de transportes. O objeto deste trabalho visa analisar a iniciativa do Projeto “Ônibus Brasileiro a Hidrogênio” da Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos de São Paulo (EMTU-SP), que foi a primeira iniciativa do tipo na América Latina.
1.1 Objetivo
O objetivo do estudo é propor novas configurações veiculares aos Veículos Elétricos Híbridos a Célula a Combustível (FCHEVs) a fim de alcançar uma potencial redução de consumo de combustível e melhorar a performance dos veículos em questão. A elaboração do estudo será pautada no caso do ônibus da EMTU-SP, protótipo que circula na região metropolitana da cidade de São Paulo. Serão avaliados os parâmetros de aceleração e consumo de combustível do ônibus através de três modificações de configuração:
Variação do grau de hibridização: variação na proporção da potência fornecida por cada subsistema em relação à potência total;
Alteração de componentes: substituição da bateria e da célula a combustível por modelos recentes e de melhor performance;
Estado de carga inicial da bateria: modificação na carga inicial da bateria, através de simulações com a bateria completamente carregada ou descarregada.
1.2 Metodologia
Para a simulação de replicação do ônibus da EMTU e das novas propostas de configurações do mesmo, será utilizada a ferramenta computacional Advisor, a qual é capaz de simular veículos de diferentes tipos de sistemas de propulsão conforme uma ampla gama de parâmetros de entrada.
A partir do levantamento dos dados de entrada adequados, será realizada a simulação base do ônibus da EMTU no Advisor, sendo ela validada segundo os dados de performance disponibilizados pela empresa. Após a confirmação do modelo, serão propostas simulações para novas configurações de graus de hibridização, estado inicial de carga da bateria e alteração da célula a combustível e bateria para componentes atuais, avaliando-se a performance em relação ao
ônibus original.
Por fim, serão elaboradas as conclusões obtidas no presente trabalho, realizando uma avaliação geral dos resultados alcançados.
1.3 Descrição dos Capítulos
O presente trabalho foi dividido em oito capítulos. Neste primeiro capítulo é apresentada a introdução e os objetivos do trabalho.
O segundo capítulo apresenta o conceito de veículos híbridos, mostrando suas vantagens e desvantagens e diferentes configurações. Por fim é dada ênfase à gestão de energia e diferentes estratégias de controle.
O terceiro capítulo descreve o funcionamento da célula a combustível, explica seus principais conceitos, apresenta sua eficiência, revela os tipos existentes e explica sua operação.
O quarto capítulo apresenta o histórico da utilização de células a combustível no transporte coletivo, citando exemplos de ônibus e suas vantagens. Primeiramente são apresentados modelos mais antigos e posteriormente modelos mais recentes, lançados nos últimos dez anos.
O quinto capítulo introduz o estudo de caso do ônibus da EMTU, apresentando a empresa, o projeto e seus aspectos econômicos e ambientais. Posteriormente são descritos os dados coletados, os dados de entrada da simulação, o ciclo de condução e os resultados de validação.
O sexto capítulo apresenta as análises propostas neste trabalho e seus resultados na performance do ônibus. São avaliados o consumo de combustível, os tempos de aceleração e a velocidade máxima para duas propostas: grau de hibridização, carga inicial da bateria e alteração da célula a combustível e da bateria.
O sétimo capítulo apresenta uma análise do estado inicial de carga da bateria, comparando o desempenho do consumo para o ônibus Plug-in e não Plug-in.
2 Veículos Híbridos
Um veículo híbrido elétrico (Hybrid Electric Vehicles - HEV) utiliza mais do que uma fonte de energia para fornecer potência ao sistema de tração. O mais comum é a utilização de um conversor de combustível (motor de combustão ou pilha de hidrogênio) e um sistema de armazenamento de energia elétrica como baterias. O aparecimento dos HEVs surgiu com a necessidade de fornecer a potência, alcance e segurança equivalente a um ICEV, com um consumo energético mais reduzido e redução de emissões poluentes nocivas (EHSANI, GAO, et al., 2010).
As vantagens dos HEVs são:
Eficiência superior do motor elétrico em comparação com um motor de combustão interna. Além disso, os motores elétricos são mais simples, tendo um número menor de partes móveis, o que resulta em manutenção mais fácil e barata;
Possibilidade de acionar o funcionamento do ICE em zonas ótimas ou de melhor eficiência, usando a bateria como um buffer para controlar melhor o fluxo de energia entre componentes;
Redução do consumo de combustível e emissões.
As desvantagens dos HEVs são:
Aumento da massa do veículo devido a adição de componentes;
Aumento do custo devido a componentes adicionais e a complexidade da estratégia de gestão de energia;
Estratégia de gestão de energia não adequada pode resultar em benefícios não plenamente explorados;
Sistema de propulsão mais complexo eletronicamente.
A propulsão dos HEVs pode ser composta por um ou dois tipos de sistema. Normalmente são utilizados motores elétricos ou conversores de combustível, como motores de combustão interna ou pilhas de hidrogênio. A energia elétrica pode ser proveniente de sistemas de armazenamento de
energia elétrica como baterias eletroquímicas ou ultra condensadores. A energia elétrica pode ser gerada por um gerador/alternador acionado por um motor de combustão interna (Internal
Combustion Engine - ICE) ou por um volante de inércia. No caso de se tratar de um veículo Plug-in, a energia elétrica pode ser fornecida diretamente da rede elétrica, exterior ao veículo. As pilhas
de hidrogênio também geram energia elétrica para carregar as baterias ou ultra condensadores. A energia elétrica pode ser também gerada através do sistema de frenagem regenerativa, que permite converter a energia cinética gerada durante a desaceleração do veículo em energia elétrica, aumentando a eficiência e reduzindo o desgaste das pastilhas e discos de freio, através do campo eletromagnético gerado (EHSANI, GAO, et al., 2010).
Os HEVs podem ser veículos velozes e ágeis, como carros de passeio, ou pesados, como por exemplo ônibus destinados ao transporte público. Um exemplo de um veículo híbrido veloz é o Toyota Prius (TOYOTA, 2019), que usa para tração um motor de combustão interna e um motor elétrico. Um exemplo de um ônibus híbrido é o Mercedes Citaro FuelCell-hybrid (MERCEDES, 2019), que usa motores elétricos para mover as rodas motrizes, alimentados por baterias, que por sua vez são carregadas por pilhas de hidrogênio. Existem diferentes arquiteturas de sistemas híbridos para atender diferentes aplicações, elas são classificadas como em série, em paralelo e em série/paralelo. Há também os híbridos Plug-in, que possibilitam a carga direta da bateria na rede elétrica. Os itens a seguir apresentam estas diferentes arquiteturas.
2.1 Veículos Híbridos de configuração em série
A configuração em série é relativamente simples, uma vez que há apenas uma relação elétrica, ou seja, as rodas motrizes do veículo são acionadas apenas pelo motor elétrico, como apresentado na Figura 2-1.
Figura 2-1. Configuração em série de um HEV
(EHSANI, GAO, et al., 2010)
O ICE (ou algum outro conversor de combustível), não tem nenhuma conexão mecânica com as rodas, e sua finalidade é apenas gerar energia elétrica para ser utilizada diretamente pelo motor elétrico ou para ser armazenada nas baterias. Em alguns casos, quando são necessárias grandes quantidades de energia, o motor elétrico é alimentado com energia elétrica partir das baterias e do conversor de combustível. Alguns exemplos de veículos híbridos de configuração em série são o Chevrolet Volt (CHEVROLET, 2019) e o Opel Ampera (OPEL, 2019).
Veículos híbridos com configuração em série têm geralmente conversores de combustíveis menores e as baterias maiores, que os tornam mais caros. Este fato faz com que os veículos híbridos de configuração em série sejam mais eficientes em condução urbana, usando majoritariamente energia fornecida pelas baterias, ficando o conversor de combustível responsável por carregar as baterias de forma a manter aproximadamente constante o seu nível de carga (SOC) (ENERGY, 2019).
2.2 Veículos Híbridos de configuração em paralelo
A configuração em paralelo é mais complexa que a configuração em série, já que neste caso tanto o motor de combustão interna quanto o motor elétrico possuem conexão às rodas motrizes
através de um sistema de transmissão, como apresentado na Figura 2-2.
Figura 2-2. Configuração em paralelo de um HEV
(EHSANI, GAO, et al., 2010)
Em certos modelos de HEVs de configuração em paralelo, a partida pode ser feita através de combinação entre os dois motores, de modo a obter uma eficiência maior e concomitantemente uma redução significativa da emissão de poluentes. Esta configuração permite uma maior eficiência em circuitos que exigem velocidades elevadas e constantes, já que essas condições de operação coincidem com a faixa de funcionamento mais eficiente dos ICEs em geral. Entretanto, a estratégia de gestão de energia e os elementos de transmissão são mais complexos do que na configuração em série ou em um veículo convencional, o que contribui de forma negativa para o peso e o custo dos veículos neste tipo de configuração (EHSANI, GAO, et al., 2010). Como exemplos de veículos que utilizam a configuração em paralelo, pode-se citar o Honda Civic Hybrid e o Insight (HONDA, 2019).
2.3 Veículos Híbridos de configuração em série/paralelo
A configuração em série/paralelo une as vantagens das configurações em série e paralelo, permitindo ao ICE fornecer energia tanto para o motor elétrico quanto para as rodas motrizes diretamente, como apresentado na Figura 2-3. Ela possibilita ao veículo uma boa eficiência em um grande intervalo de velocidades, enquanto os híbridos de configuração em série são mais eficientes
a baixas velocidades e em configuração em paralelo são mais eficientes a altas velocidades.
Figura 2-3. Configuração em série/paralelo de um HEV
(EHSANI, GAO, et al., 2010)
Este arranjo permite que o veículo opere como um HEV de configuração em paralelo, sempre que uma operação deste tipo for conveniente, como por exemplo em uma manobra de ultrapassagem que necessite de potência extra proveniente de ambos ICE e motor elétrico. Pode também operar como um HEV de configuração em série, como por exemplo em situações de trânsito urbano, quando o veículo opera por períodos muito longos a velocidades muito baixas e pode também, por períodos curtos, funcionar como um veículo elétrico puro (EHSANI, GAO, et
al., 2010). A configuração é semelhante a um HEV em série, porém a conexão mecânica das rodas
está ligada aos dois grupos propulsores, ICE e motor elétrico. Nesta configuração existe ligação elétrica e mecânica entre os componentes para promover a tração do veículo, fazendo com que a complexidade dos sistemas de transmissão e de gestão de energia seja superior à das outras configurações. Como exemplo de veículo que utilizam a configuração em paralelo, pode-se citar o Toyota Prius (TOYOTA, 2019). A Figura 2-3 apresenta a configuração em Série/Paralelo.
2.4 Veículos híbridos Plug-in
Os Plug-in Hybrid Eletric Vehicle (PHEVs) são uma variante dos veículos híbridos que permitem carregar as baterias diretamente na da rede elétrica através de uma tomada (EHSANI, GAO, et al., 2010). As vantagens dos PHEVs se dão ao fato de estes veículos oferecerem a possibilidade de funcionar como um EV quando circulam em curtas distâncias entre os carregamentos de sua bateria na rede elétrica. Entretanto, a operação desses veículos no modo elétrico puro apresenta uma autonomia limitada, que após alcançada faz com que o veículo funcione como um HEV.
2.5 Gestão de energia dos veículos híbridos e Plug-in
As diferentes fontes de energia dos HEVs exigem um controle adequado em sua operação. Este controle do fluxo de energia elétrica é chamado de estratégia de gestão de energia e este sistema define o modo como o ICE (ou a pilha de hidrogênio) deve fornecer energia para carregar o sistema de armazenamento de energia elétrica, como baterias ou ultra condensadores, de modo a manter o seu nível de carga (SOC) o mais constante possível de acordo com as exigências de cada percurso.
Figura 2-4. Estado de carga de uma bateria (PHEV e HEV)
(RIBAU, 2009)
A zona de descarga da bateria (Charge Depleting) é característica dos PHEVs porque permite operar o veículo exclusivamente com energia elétrica armazenada nas baterias, semelhante a um EV, descarregando as baterias à medida que é requerida a energia até um nível de carga ótimo, cuja resistência de carregamento e descarregamento é mínima. Nessa fase o conversor de combustível do veículo será acionado de modo a evitar o descarregamento da bateria, como mostra a Figura 2-4.
A zona de sustentação da beteria (Charge Sustaining) é característica dos HEVs e combina o funcionamento do conversor de combustível (ICE ou pilha de hidrogênio), de maneira que o veículo opere da forma mais eficiente possível. Isto significa buscar manter um nível de SOC ótimo, definido durante a operação do veículo. O nível de SOC irá variar, mas a média destas variações será mantida constante (RIBAU, 2009).
Podem também existir estratégias mistas, ou seja, no modo elétrico, descarga da bateria -
Charge Depleting, existe a possibilidade do ICE ou pilha de hidrogênio fornecer energia em
eventos extremos e que requerem muita potência (BAPTISTA, RIBAU, et al., 2010). Durante o modo de sustentação da bateria - Charge Sustaining as possibilidades de controlar os fluxos de energia entre componentes são infinitas (GUERRA, BRAVO, et al.). Neste estudo a estratégia adotada é a termostato (thermostat), a estratégia padrão do Advisor para veículos híbridos com pilha de hidrogênio, onde o conversor de combustível é ligado quando o estado de carga da bateria atinge um ponto limite inferior, e é desligado quando o estado de carga da bateria atinge o ponto
limite superior (MARKEL, BROOKER, et al., 2002). A taxa de potência fornecida pela pilha de hidrogênio também depende do estado de carga da bateria. Os veículos equipados com ICE podem também ter esta estratégia.
Quando o percurso da viagem é conhecido antecipadamente, caso dos ônibus urbanos, pode-se ajustar a estratégia de gestão de energia de forma que o consumo de combustível e conpode-sequente custo de operação sejam minimizados.
2.6 Consumo e Economia de Combustível
O consumo de combustível e a economia de combustível são unidades que, apesar de possuírem o objetivo em comum de mensurar a capacidade dos veículos de converter combustível em distância percorrida, apresentam significados diferentes.
O consumo de combustível mede a quantidade de combustível que um veículo consome para percorrer uma distância específica. É expresso em litros por cem quilômetros - ou em países que usam o sistema imperial, em milhas por galão. Portanto, quanto menor o valor, melhor a classificação do veículo, já que o mesmo utiliza menos combustível para percorrer a mesma distância. (AFEWORK, HANANIA, et al., 2018)
A economia de combustível é medida em quilômetros por litro - ou milhas por galão - e refere-se a distância que um veículo é capaz de percorrer usando uma quantidade definida de combustível. Nesse caso, quanto maior o valor, melhor a classificação, uma vez que o veículo é capaz de percorrer uma distância maior com a mesma quantidade de combustível. (AFEWORK, HANANIA, et al., 2018)
Em veículos elétricos, a unidade comumente utilizada é a milha por galão de gasolina equivalente (MPGE), que representa a economia de combustível em milhas por galão ao convertermos a energia usada pelo veículo elétrico para galões.
3 Célula a combustível
Células a combustível são dispositivos eletroquímicos capazes de converter a energia química de um combustível em energia elétrica (EG&G, 2004). Esta conversão ocorre através de reações eletroquímicas de oxidação do hidrogênio diatômico e da redução de oxigênio, produzindo água como subproduto. A célula a combustível também produz calor em decorrência das perdas das reações eletroquímicas. Uma célula a combustível é composta, basicamente, de dois eletrodos, um cátodo e um ânodo, separados por um eletrólito que pode ser sólido ou líquido. A Figura 3-3-1 mostra o funcionamento básico de uma célula a combustível.
Figura 3-3-1. Estrutura de funcionamento de uma célula a combustível (LOPES, 2013)
No ânodo ocorre a cisão da molécula de hidrogênio e a liberação de íons H+ e elétrons. Os íons H+ atravessam o eletrólito e alcançam o cátodo, onde se combinam com os elétrons e com o oxigênio, formando vapor de água.
A equação (3.1) apresenta as reações que ocorrem no ânodo e no cátodo de uma célula a combustível.
𝐻2 → 2𝐻++ 2𝑒− 1 2𝑂2+ 2𝐻 ++ 2𝑒− → 𝐻 2𝑂 (3.1)
Sendo assim, a equação global de uma célula a combustível é apresentada na equação (3.2).
𝐻2+1
2𝑂2 → 𝐻2𝑂
(3.2)
A célula a combustível pode ter seu funcionamento interpretado analogicamente como o de uma bateria de funcionamento contínuo. A diferença reside no fato de as células a combustível não armazenarem energia e, portanto, não descarregarem como as baterias. Assim, a principal diferença é que as células a combustível convertem o combustível diretamente em eletricidade, enquanto que uma bateria necessita de uma carga proveniente de fonte externa.
Diferentemente da geração de energia elétrica em máquinas térmicas, as quais demandam etapas intermediárias de conversão de energia, as células a combustível convertem diretamente energia química em elétrica, sem haver combustão. Assim sendo, o processo de geração a partir da célula a combustível é mais eficiente do que o realizado através de máquinas térmicas (LOPES, 2013).
3.1 Eficiência da célula a combustível
A energia liberada pela reação química é calculada pela variação da energia livre de Gibb’s. Em um processo reversível a variação da energia livre de Gibb’s é convertida completamente em energia elétrica, como apresenta a equação (3.3).
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆 (3.3)
A eficiência da célula a combustível é dada pela equação (3.4).
𝜂𝑖𝑑 = ∆𝐺
∆𝐻= 1 − ∆𝑆 (∆𝐻 ∗ 𝑇)
Observa-se que a eficiência está diretamente relacionada com a temperatura. Quanto maior for a temperatura da célula maior será a sua eficiência. Numa comparação com máquinas de Carnot, a eficiência teórica da célula a combustível é superior quando operada nas faixas de temperatura de 100°C a 1000°C (EHSANI, et al., 2010). As equações acima consideram que as reações químicas que ocorrem na célula a combustível são isotérmicas e reversíveis.
3.2 Tipos de célula a combustível
Existe uma grande variedade de tecnologias de células a combustível, as quais são classificadas de acordo com o tipo de eletrólito empregado (LARMINE e DICKS, 2003). Também diferem por sua temperatura e pressão de operação.
Os principais tipos de célula a combustível são:
PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell): utilizam uma membrana polimérica como eletrólito. A membrana mais usada é a de Nafion. Incialmente usava-se fios de platina no eletrodo, o que encarecia seu custo significativamente. Atualmente usa-se carvão ativo, ativado com platina, porém ainda possui um custo elevado;
PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell): utilizam eletrólito de ácido fosfórico (eletrólito barato), que deve ser mantido acima dos 42°C (seu ponto de congelamento). Portanto, é necessário um sistema para aquecer o conjunto, o que dificulta a aplicação desse tipo de célula em veículos elétricos e ainda gera perda de energia na forma de calor que ocorre quando a célula é desligada. Além disso, apresentam baixa eficiência, risco de corrosão e emissão de gás carbônico e empregam um catalisador de platina, que encarece seu custo. A sua principal aplicação é no setor espacial e a principal vantagem delas é que não se contaminam com dióxido de carbono e suportam até 1% de monóxido de carbono no gás; MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): utilizam sal fundido para condução de íons,
geralmente carbonatos de lítio-potássio ou carbonatos de lítio-sódio. São células de alta temperatura (550°C a 800°C). As reações consomem dióxido de carbono, e não usam hidrogênio na forma pura retirando-o dos hidrocarbonetos. Essa é a sua maior vantagem e o que torna interessante para aplicação em veículos. As altas temperaturas também aumentam a velocidade das reações químicas permitindo o uso de catalisadores mais
baratos. Porém, a alta temperatura pode derreter o eletrodo, o que limita o uso das células em situação estacionária. Outra desvantagem da célula é o seu início demorado já que precisa atingir as altas temperaturas para alcançar o nível ótimo de operação;
SOFC (Solid Oxide Fuel Cell): utilizam eletrólito de material cerâmico. Operam a altas temperaturas (1000-1200°C), o que permite que funcionem com hidrocarbonetos ao invés de hidrogênio puro. Porém, as altas temperaturas dificultam a escolha dos materiais da célula, uma vez que causam corrosão, tensões térmicas, fadiga, etc;
AFC (Alkaline Fuel Cell): utilizam eletrólito alcalino. Nessas células, água é produzida no anodo e requerida no catodo, o que gera uma necessidade dessa célula por um gerenciamento de água. A água que não é consumida nas reações químicas é eliminada na forma de vapor. Essa célula é capaz de operar em maiores temperaturas (80 a 230°C) e em pressões variando de 2.2 a 45 atm. A vantagem dessas células é que elas usam catalisadores baratos. A desvantagem é a grande afinidade do eletrólito com o gás carbônico, formando um íon que não reage nas reações químicas da célula, diminuindo assim a sua performance; DMFC (Direct Methanol Fuel Cell): utilizam membrana trocadora de prótons como eletrólito. Esse tipo de célula vale-se do metanol como combustível e, dessa forma, seus elétrodos são construídos diferentemente. Como o metanol é líquido, pode ser facilmente armazenado no veículo, e sua distribuição poderia usar a infraestrutura de postos de gasolina, ele se torna uma opção atraente para aplicação em veículos. Operam geralmente ente 50°C e 100°C. É uma tecnologia nova em comparação com as outras células a combustível. Apresentam menor densidade de potência, resposta lenta a altas demandas de potência e baixa eficiência.
Na área de transporte, o tipo de célula a combustível a ser utilizado é a PEMFC devido a uma série de vantagens: baixo peso, alta densidade de potência, funcionamento em temperaturas baixas, fabricação simples, longevidade e fácil acionamento e desligamento. A contaminação do catalisador com monóxido de carbono e o alto custo da membrana trocadora de prótons são as principais limitações das PEMFC.
3.3 Operação da célula a combustível em veículos híbridos a
célula a combustível
As células a combustível têm uma resposta transiente lenta, ou seja, não são capazes de responder rapidamente à transitórios de potência (WANG e NEHRIR, 2007). Este fato deve-se, principalmente, às suas características eletroquímicas e termodinâmicas. Além disso, a operação de células a combustível em transitórios de potências é considerada danosa às células a combustível, podendo encurtar sua vida útil.
Sendo assim, é recomendado e desejado que a operação das células a combustível em veículos ocorra com potências contínuas. Dessa forma, é necessário a adição de um sistema de armazenamento de energia auxiliar capaz de fornecer potência rapidamente, cobrindo as demandas de energia transientes.
Assim, a hibridização de veículos a célula a combustível é fundamental para que os mesmos apresentem acelerações compatíveis aos requerimentos mínimos estabelecidos pela PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles) (MI e MASRUR, 2017). Em geral, baterias ou supercapacitores são as principais escolhas de fonte de potência secundária para veículos a célula a combustível.
A estratégia de controle dos veículos deve priorizar energia advinda das baterias ou supercapacitores para o fornecimento de potência em transitórios. Além disso, a célula a combustível apresenta maior eficiência de operação em potências intermediárias (FEROLDI, SERRA e RIERA, 2009). Assim, é desejável uma estratégia de controle que priorize a operação da célula a combustível em sua zona de maior eficiência.
Logo, uma boa proposta é uma estratégia de controle em que o sistema de armazenamento de energia forneça potência em baixas demandas e a célula a combustível passe a operar a partir de uma potência mínima requerida, já em um intervalo de maior eficiência.
A Figura 3-3-2 apresenta a proposta de esquema de operação da célula a combustível (FEROLDI, SERRA e RIERA, 2009). Pode-se perceber que há uma faixa ótima de funcionamento da célula a combustível, onde sua eficiência é maximizada e consequentemente seu consumo é reduzido. Também pode-se inferir que a célula é acionada apenas quando a potência requerida atinge o ponto de máxima eficiência e permanece acionada até que a potência requerida seja zero. O uso destes dois pontos de comando garante que a célula não seja continuamente acionada e
desligada em torno de uma única potência, o que aconteceria caso um único ponto de comando fosse usado. Isso aumenta a eficiência do sistema.
Figura 3-3-2. Esquema para controle de operação da célula a combustível de um FCHEV. (FEROLDI, SERRA e RIERA, 2009)
4 A utilização do hidrogênio e células a combustível
no transporte coletivo
Desde 1993 até os dias atuais foram desenvolvidos vários protótipos de ônibus que utilizam células a combustível. Na sequência, são apresentados apenas alguns modelos de ônibus movidos a hidrogênio, considerados mais relevantes historicamente. Posteriormente, são apresentados modelos da nova geração, lançados nos últimos 10 anos.
4.1 Histórico do uso de células a combustível no transporte
coletivo
A história dos ônibus movidos a hidrogênio é relativamente recente. O primeiro protótipo foi apresentado em 1993, em Vancouver, Canadá, pela New Flyer, em parceria com a empresa também canadense e atual líder na produção de módulos de células a combustível Ballard PoweSystems, dando origem à primeira geração do Fuel Cell Bus P1, apresentado na Figura 4-1. Desde então, diversas empresas iniciaram o desenvolvimento de protótipos deste tipo de veículo, uma vez que foi percebido o nicho estratégico para a demonstração e posterior comercialização de veículos com células a combustível.
Figura 4-1. Fuel Cell Bus P1 (1993)
Em 1994, a empresa Van Hool, em parceria com a MAN, apresentou na Bélgica o primeiro de vários protótipos de ônibus com motor de combustão interna, modificado para a utilização de hidrogênio, chamado de Greenbus, visto na Figura 4-2.
Figura 4-2. Greenbus, fabricado em parceria entre a Van Hool e a MAN (1994)
(NETINFORM, 2019)
Em 1996, a empresa alemã MAN apresentou o seu primeiro protótipo híbrido, mostrado na Figura 4-3, capaz de utilizar gasolina e hidrogênio líquido, com capacidade para 92 passageiros. O ônibus operou por 18 meses dentro do sistema regular de transporte coletivo nas cidades de Erlangen e Munique, percorrendo um total de 40.000 km.
Figura 4-3. Ônibus híbrido a hidrogênio e gasolina MAN city bus (1996)
Em 1997, a empresa Daimler-Chrysler lançou o denominado NEBUS (New Electric Bus), com capacidade de 58 passageiros, apresentado na Figura 4-4. Este veículo baseou-se na plataforma do ônibus urbano Mercedes Benz 0 405 N. A empresa canadense Ballard Power Systems foi responsável pela fabricação do sistema de células a combustível utilizado pelo ônibus.
Figura 4-4. NEBUS (1997)
(NETINFORM, 2019)
O protótipo Fuel Cell Bus P1, já apresentado na Figura 4-1, foi evoluindo e no ano de 1999 apresentou-se a quarta geração deste veículo, o Ballard P4 ZEbus, mostrado Figura 4-1. Este protótipo foi utilizado entre julho de 2000 e junho de 2001 nos Estados Unidos, no âmbito de um projeto de demonstração dirigido pela Agência de Trânsito SunLine.
Figura 4-5. Ballard P4 ZEbus (1999)
(NETINFORM, 2019)
4.2 Nova geração de ônibus com célula a combustível
Nesta seção serão apresentados alguns dos novos modelos de ônibus com células a combustível e o que trazem de novo. Informações como potência do empilhamento de células a combustível, horas de operação, consumo, capacidade dos tanques de hidrogênio, das baterias, da carga, entre outros dados, serão expostas na discussão.
Em 2009 foi apresentada a segunda geração do ônibus híbrido da Mercedes-Benz: o New Citaro FuelCELL. Comparado aos modelos apresentados no item 4.1, o New Citaro FuelCELL, Figura 4-6, fornece vários novos recursos significativos: recuperação e armazenamento de energia em baterias de íon de lítio, potentes motores elétricos com 120 kW de potência contínua e células a combustível aprimoradas. Estes devem alcançar uma vida útil prolongada de cerca de seis anos ou 12.000 horas de operação e têm uma autonomia de cerca de 250 km.
Figura 4-6. New Citaro FuelCELL (2010)
(ŽIVANOVIć, 2017)
Também em 2009 foi lançado o Van Hool A330, Figura 4-7. O modelo, fabricado pela empresa belga Van Hool, possui 12 metros de comprimento, piso baixo, e sistema de propulsão híbrido que inclui células a combustível de 120 kW e uma bateria de íons de lítio (energia nominal: 17,4 kWh e potência nominal: 76 125 kW). As melhorias deste modelo incluem chassi redesenhado, mais leve, com altura menor e consequente centro de gravidade mais baixo.
Figura 4-7. Van Hool A330
(ŽIVANOVIć, 2017)
Em 2010 foi lançado o Wrightbus Pulsar H, Figura 4-8. O modelo é fornecido pela ISE Corporation em parceria com a Wrightbus e a Ballard e conta com sistema de propulsão híbrido Thunder Volt da ISE, baseado em super capacitores e alimentado pelo sistema de célula a combustível FC speedity-HD6 de 75kW da Ballard. Os ônibus têm capacidade de 42 kg de hidrogênio gasoso a 350 bars.
Figura 4-8. Wrightbus Pulsar H
(ŽIVANOVIć, 2017)
O Phileas fuel cell, Figura 4-9-9, foi lançado em 2010. O modelo é baseado em uma inovadora e leve plataforma de piso baixo e 18 metros de comprimento, suportada por eixos triplos e pode transportar até 35 passageiros sentados e 120 passageiros em pé. O chassi foi desenvolvido pela Advanced Public Transport Systems BV (APTS); o sistema de propulsão híbrido foi desenvolvido pela Vossloh Kiepe GmBH usando super capacitores, bateria da HOPPECKE e célula a combustível FC velocity-HD6 150kW da Ballard. Os ônibus têm capacidade de 42 kg de hidrogênio gasoso a 350 bars.
Figura 4-9. Phileas fuel cell
(ŽIVANOVIć, 2017)
Em 2014 foi lançado o Solaris Urbino 18.75, Figura 4-10. O modelo da Solaris representa o primeiro da indústria automotiva polonesa a usar células a combustível. Os ônibus são equipados com baterias de 120 kWh como principal fornecedor de energia para o sistema de acionamento. Elas serão carregadas por células de combustível Ballard de 101 kW durante a operação. Uma novidade é que as células a combustível são usadas somente quando 100% da potência é requerida pelo motor, o que aumenta significativamente sua durabilidade. O ônibus tem autonomia de 300 km.
Figura 4-10. Solaris Urbino 18.75
Em 2017 foi apresentada a terceira geração do ônibus a hidrogênio da Coppe, Figura 4-11. O modelo está mais eficiente, do ponto de vista energético, e mais adequado aos métodos industriais de fabricação, visando à produção em série. Com a atual configuração, o ônibus híbrido elétrico-hidrogênio da Coppe tem autonomia de 330 km e atende às exigências para veículos de uso urbano no Rio de Janeiro. (UFRJ, 2017).
Figura 4-11. Terceira geração do ônibus a hidrogênio da Coppe
Em 2019 foi lançado o Solaris Urbino 12 Hydrogen, Figura 4-112, nova geração da polonesa Solaris. O ônibus é acionado por um eixo com dois motores elétricos integrados, cada um com 125 kW. Comparativamente ao seu antecessor, o Solaris Urbino 18.75, a nova geração possui tanques de hidrogênio 20% mais leves e que podem armazenar 36,8 kg de hidrogênio, permitindo uma
autonomia de 350 km.
Figura 4-112. Solaris Urbino 12 Hydrogen
(ELECTRIVE, 2019)
Muitas vantagens têm sido identificadas com relação ao uso de ônibus como plataforma para demonstração da viabilidade da tecnologia do hidrogênio (CROPPER, 2003). Entre elas pode-se citar:
Os veículos têm rotas definidas, portanto o abastecimento do combustível e a infraestrutura de manutenção são essencialmente centralizadas;
Os veículos apresentam amplo espaço, o que facilita a instalação das células a combustível junto aos demais componentes auxiliares;
Normalmente estes veículos são movidos a Diesel, que gera muito barulho e poluição do ar, o que posiciona a tecnologia do hidrogênio como alternativa silenciosa e limpa;
As montadoras de ônibus normalmente não fabricam os motores dos veículos, fazendo com que busquem parceiros para a produção desses componentes. Esse fato facilita as parcerias e o potencial de introdução de uma nova tecnologia;
Este tipo de veículo tem ampla visibilidade nas grandes cidades, o que o torna uma excelente vitrine para mostrar a viabilidade da tecnologia do hidrogênio.
Os itens citados podem ser considerados estímulos para empresas privadas interessadas em investir nesta tecnologia. Porém, o estágio tecnológico ainda não avançado de alguns elementos e a pequena escala de produção são impedimentos econômicos. Nesse contexto, o papel dos governos é fundamental para buscar estratégias de viabilização da tecnologia.
5 Estudo de caso: Ônibus da EMTU
O objetivo deste capítulo é de apresentar a Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos de São Paulo (EMTU-SP) e o projeto do ônibus a hidrogênio, evidenciando seus aspectos ambientais, econômicos e suas vantagens. Posteriormente são apresentados os dados coletados e usados como insumo para as simulações no Advisor, que são também explanadas. Então é apresentado o ciclo de condução e adiante a validação do modelo no software.
5.1 Características da EMTU e do projeto do Ônibus Brasileiro
a Hidrogênio
A Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos de São Paulo (EMTU-SP) é uma empresa controlada pelo Governo do Estado de São Paulo, vinculada à Secretaria de Estado dos Transportes Metropolitanos (STM) que fiscaliza e regulamenta o transporte metropolitano de baixa e média capacidade nas cinco Regiões Metropolitanas do Estado de São Paulo: São Paulo, Campinas, Sorocaba, Baixada Santista e Vale do Paraíba e Litoral Norte. (EMTU-SP, 2019)
A EMTU/SP é a coordenadora nacional do Projeto Ônibus Brasileiro a Hidrogênio, que tem direção do Ministério das Minas e Energia (MME) e conta com recursos do Global Environment Facility (GEF), aplicados por meio do Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (PNUD) e da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP). O objetivo consiste na aquisição, operação e manutenção de ônibus com célula a combustível a hidrogênio. Em 2009 iniciaram-se os testes operacionais e em dezembro de 2010 o primeiro ônibus protótipo passou a ser testado com passageiros no Corredor Metropolitano ABD (São Mateus – Jabaquara). Posteriormente, em 2015, houve a entrega de três novos protótipos para o transporte público de passageiros na unidade São Bernardo do Campo.
Os ônibus são produzidos no Brasil a partir de um consórcio composto por diversas entidades nacionais e internacionais e coordenadas pelo Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento – PNUD. Tais entidades são responsáveis pelo fornecimento de certos componentes e dentre elas podemos citar: AES Eletropaulo. Ballard, Epri, Hydrogenics, Marcopolo, Nucellsys, Petrobras e Tuttotrasporti. A Figura 5-1 apresenta o ônibus da EMTU.
Figura 5-1. Ônibus da EMTU (EMTU-SP, 2019)
Os aspectos da escolha do PNUD e do GEF do projeto brasileiro, além de auxiliar os países em desenvolvimento na adoção de projetos que busquem soluções para amenizar as emissões de gases do efeito estufa e seus impactos nas mudanças climáticas, são:
Aspectos econômicos:
o O Brasil é uma economia emergente;
o O Brasil é o maior mercado mundial de ônibus (EMTU, 2019);
o O Brasil é o maior produtor mundial de ônibus – 50 mil/ano (EMTU, 2019); o O Brasil é um dos maiores exportadores mundiais de ônibus (EMTU, 2019); o Os ônibus possuem papel importante no transporte urbano brasileiro e a frota de
ônibus na Região Metropolitana de São Paulo é a maior do mundo (EMTU, 2019). Aspectos ambientais:
o São Paulo tem um dos maiores problemas de poluição urbana em nível mundial (EMTU, 2019);
o Os veículos com motores de combustão interna são responsáveis por 90% das emissões de poluentes na atmosfera em São Paulo (EMTU, 2019);
o A maioria dos ônibus tem motores a diesel com alta emissão de gases tóxicos, poluentes e materiais particulados (EMTU, 2019);
o O Brasil é líder na redução de gases de efeito estufa devido ao uso de energias renováveis como o etanol e tem sua matriz energética basicamente calcada em hidroelétricas (EMTU, 2019).
Além das vantagens acima, o projeto também traz ao Brasil possibilidades como:
Desenvolver meios de transporte coletivo com emissão zero de poluentes e assim contribuir na redução dos níveis de dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrogênio (NOx), óxidos de
enxofre, materiais particulados entre outros;
Obter conhecimento dessa tecnologia mundialmente inovadora, permitindo ao Brasil avançar nas pesquisas e desenvolvimento da tecnologia do hidrogênio para ocupar uma posição de destaque por conta do seu mercado potencial;
Desenvolver a tecnologia no Brasil em parceria com as operadoras de ônibus, fabricantes, universidades e escolas, visando criar um novo mercado;
Desenvolver uma especificação brasileira para os ônibus com célula a combustível a hidrogênio;
Permitir ao país ser uma plataforma de exportação de ônibus com a tecnologia do hidrogênio.
5.2 Especificações do Ônibus
O levantamento das especificações do ônibus se deu através da análise do material disponibilizado no site da EMTU (EMTU-SP, 2019) e também através contato com o Departamento de Desenvolvimento Tecnológico e Meio Ambiente da empresa. Foi possível acumular uma série de informações referentes ao ônibus, célula a combustível, bateria, motor elétrico e performance. De posse das informações dos modelos de cada componente, foi buscada a especificação técnica de cada um deles junto aos respectivos fabricantes. A Tabela 5-1 apresenta os dados coletados.
Tabela 5-1: Dados do Ônibus da EMTU.
Especificação Valor Fonte
Veículo
Distância entre eixos 6,3 m Marcopolo
Peso do veículo sem carga / Tara 14100 kg EMTU
Peso máximo da carga 5250 kg (75 passageiros)
EMTU
Tração Dianteira EMTU
Célula a combustível
Potência máxima 150 kW EMTU
Potência específica do sistema 0,21 kW/kg Ballard Peso dos módulos de célula a
Combustível 700 kg Ballard
Capacidade do tanque de hidrogênio 30,9 kg de H2 EMTU
Bateria
Tipo Lítio EMTU
Número de módulos de bateria 46 EEMTU
Capacidade total 61 kWh EMTU
Potência total 105 kW EMTU
Voltagem por módulo 19,2 V Valence
Voltagem nominal do banco de baterias 883,2 V Valence
Peso por módulo 14,9 kg Valence
Potência específica 0,15 kW/kg Valence Densidade de energia 0,089 Wh/kg Valence
Potência 165 kW EMTU
Eficiência do motor 0,9 Weg
Motor elétrico SOC mínimo 0,4
SOC máximo 0,8 Parâmetros de Controle Consumo de Hidrogênio 15 kg de H2 / 100 km EMTU Aceleração de 0-50 km/h 15 s EMTU Performance Aceleração de 20-60 km/h 16,6 s EMTU Autonomia 206 km EMTU
As especificações levantadas do ônibus da EMTU serão usadas como insumo para simulação do veículo no Advisor, respeitando as limitações do software. O objetivo é validar o modelo e com isso, possibilitar possíveis propostas de melhoria e sua posterior análise.
5.3 Dados de entrada da simulação
Os dados de entrada na simulação do modelo do ônibus da EMTU foram definidos a partir das especificações levantadas no item 5.2.
As hipóteses assumidas para cada componente serão apresentadas nos itens seguintes.
5.3.1 Bateria
A bateria foi a principal limitação do Advisor para a execução da simulação do ônibus da EMTU. Isso se deve ao fato da impossibilidade de definição direta de certos parâmetros, como potência e voltagem nominal. Tais parâmetros são definidos de forma indireta, a partir de outras entradas.
Especialmente para as baterias de Lítio, que é o caso do ônibus da EMTU, há apenas uma opção. Sendo assim, a alternativa encontrada foi o aumento da escala da capacidade da bateira, de forma a alcançarmos a potência de 105 kW especificada pela EMTU para o banco de baterias. A Figura 5-2 mostra a potência do banco de 46 módulos de bateria de acordo com o nível de carga (SOC) e temperatura. Pode-se perceber que para temperaturas de operação acima de 25º C e nível de carga de operação (0,4 a 0,8 SOC) a potência converge para cerca de 105 kW.
Figura 5-2. Potência do banco de baterias de 46 módulos, de acordo com o nível de carga e temperatura.
5.3.2 Célula a combustível
A potência considerada para a célula a combustível foi definida diretamente no Advisor, de acordo com a especificação do ônibus: 150 kW. As células de combustível podem operar com maior eficiência do que os motores de combustão e podem converter a energia química do combustível em energia elétrica com eficiência de até 60% (OFFICE OF ENERGY EFFICIENCY AND RENEWABLE ENERGY, 2019). Sendo assim, a eficiência assumida foi de 60%.
5.3.3 Peso
No levantamento das especificações, foi visto que o peso do ônibus sem carga vale 14100 kg e que sua capacidade é de 75 passageiros no total. Considerando o peso médio de um brasileiro como cerca de 70 kg (IBGE, 2008) e uma capacidade intermediária de 40 passageiros para efeitos de simulação, a carga total considerada na simulação foi de 16900 kg.
5.3.4 Estratégias de Controle
Foram consideradas duas estratégias de controle para as simulações, além do SOC máximo e mínimo no Advisor.
A primeira refere-se ao modo de operação da bateria. Conforme explicado no item 2.5, há dois modos de operação da bateria: descarga da bateria (charge depleting) e sustentação da bateria (charge sustaining). A bateria de um FCHEV deve operar no modo sustentação da bateria - charge
sustaining (AHLUWALIA, WANG e ROUSSEAU). Nesse modo, o estado de carga (SOC) da
bateria é mantido suficientemente acima do estado de carga mínimo (SOC𝑚𝑖𝑛) para que a bateria sempre seja capaz de fornecer autonomamente carga às demandas de potência. Sendo assim, essa estratégia é adequada para os FCHEVs uma vez que, conforme explicado no item 3.3, células a combustível não são capazes de responder rapidamente à transitórios de potências.
A segunda estratégia de controle diz respeito a operação da célula a combustível. Como apresentado no item 3.3, as células a combustível apresentam maior eficiência de operação em potências intermediárias (FEROLDI, SERRA e RIERA, 2009). Sendo assim, quando o veículo opera na faixa de baixa potência, o motor elétrico deve ser acionado pela bateria, de forma a obter um melhor rendimento. Ao analisar a célula a combustível no Advisor, foi observado que a célula apresenta baixa eficiência de operação para potências abaixo de 30 kW. A Figura 5-3 mostra a curva de eficiência da célula a combustível do modelo obtida pelo Advisor.
Figura 5-3. Curva de eficiência da célula a combustível do modelo.
A Figura 5-4 apresenta o gráfico do consumo de combustível da célula a combustível do modelo conforme a potência de operação. Nota-se o aumento do consumo específico de combustível fornecido ao motor elétrico para baixas potências de operação.
Figura 5-4. Consumo de combustível em função da Potência de operação célula a combustível.
Dessa forma, devido à maior eficiência e consequente menor consumo de combustível, foi definida uma potência mínima requerida para que a célula a combustível do modelo seja acionada: 30 kW. Dessa forma, para potências requeridas pelo motor elétrico abaixo de 30 kW, a energia deverá ser fornecida exclusivamente pela bateria, reduzindo o consumo geral de hidrogênio. A Tabela 5-2 apresenta os valores referentes aos parâmetros de entrada do Advisor.
Tabela 5-2. Entradas da simulação do ônibus da EMTU no Advisor
Códigos do Advisor Especificação Valor
Veículo
veh_CD Coeficiente de arrasto 0,79
veh_glider_mass Peso da carroceria 12636 kg
veh_cg_height Altura do centro de gravidade do veículo 0,77 m veh_front_wt_frac Fração de peso no eixo de tração 0,45
veh_wheelbase Distância entre eixos 6,3 m
- Peso do veículo sem carga/Tara 13987 kg
veh_cargo_mass Peso da carga 2913 kg
veh_mass Peso do veículo com carga 16900 kg
Tração Dianteira
Célula a combustível
- Tipo Eletrólito de
polímero sólido
fc_max_pwr Potência máxima 150 kW
- Potência específica 0,37
kW/kg - Peso do empilhamento de células a
combustível 700 kg
- Peso dos tanques de hidrogênio (4) 217 kg - Capacidade dos tanques de hidrogênio
(4)
30,9 kg de H2
fc_mass Massa do sistema da célula a
combustível 223 kg
Bateria - Tipo Lítio
ess_module_num Número de módulos de bateria 46 ess_module_mass Peso do módulo de bateria 14,9 kg Motor elétrico - Potência 165 kW - Eficiência do motor 0,9 Parâmetros de Controle
cs_lo_soc SOC mínimo 0,4
cs_hi_soc SOC máximo 0,8
A Figura 5-5 mostra a tela de interface do Advisor para as entradas do ônibus. Percebe-se que certos parâmetros, como a potência e a eficiência do motor elétrico, devem ser configurados diretamente nos campos da tela de interface.
35
Figura 5-5. Interface do Advisor para as entradas do veículo.
O Advisor possibilita também a definição das condições iniciais de operação, como a temperatura. A temperatura definida como padrão pelo software é de 20ºC, porém para melhor representação do clima no Brasil, foram consideradas as condições iniciais de temperatura de 25ºC. O estado de carga inicial da bateria foi considerado no nível de 80%. A Tabela 5-3 resume os inputs.
36 Tabela 5-3: Condições iniciais de operação.
Código do Advisor Condições de entrada Valor
Ambiental amb_tmp Temperatura Ambiente (°C) 25
air_cp Calor específico do ar (J/kg/K) 1009
Célula de combustível
fc_c_init_tmp Temperatura da Célula a Combustível (°C) 25 fc_i_init_tmp Temperatura da Célula a Combustível: Interna (°C) 25 fc_x_init_tmp Temperatura da Célula a Combustível: Externa (°C) 25
fc_h_init_tmp Temperatura da Carcaça (°C) 25
Bateria ess_mod_init_tmp Temperatura do Módulo da Bateria (°C) 25
Controle mc_init_tmp Temperatura do controlador (°C) 25 ess_init_soc Estado de carga inicial da bateria 80%
A Figura 5-6 apresenta a interface do Advisor que permite ao usuário a alteração das condições de operação.
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5.4 Ciclo de Condução
O ciclo de condução escolhido no Advisor foi o CYC_UKBUS_MAS_VAR1, já que este foi considerado o ciclo mais adequado para representar o percurso de um ônibus urbano: alto número e frequência de paradas, velocidade média e máxima baixas e baixa variação da elevação ao longo do ciclo. A Figura 5-7 mostra a tela do Advisor para seleção do ciclo de condução.
Figura 5-7. Tela do Advisor para seleção do ciclo de condução
A Figura 5-8 mostra a variação da velocidade e da elevação de acordo com a evolução temporal do ciclo CYC_UKBUS_MAS_VAR1. Percebe-se que o perfil de velocidade é altamente variável, proveniente das constantes paradas, e que a velocidade máxima de cerca de 42 km/h é alcançada por volta dos 1500 segundos de ciclo. Já a elevação permanece constante durante todo o ciclo, o que significa um percurso completamente plano. O tempo total do ciclo é de 3288 segundos, ou 54,8 minutos.
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Figura 5-8. Variação da velocidade e da elevação de acordo com o tempo do ciclo CYC_UKBUS_MAS_VAR1
A Figura 5-9, por sua vez, apresenta o percentual do tempo em que o ônibus se encontra em cada faixa de velocidade. Percebe-se que em mais de 40% do tempo de trajeto o ônibus se a uma velocidade de menos de 10 km/h, enquanto apenas em 10% do tempo o ônibus encontra-se próximo aos 40 km/h. Isso reflete mais uma vez a natureza do ciclo, que possui um número elevado de paradas, mantendo o ônibus a baixas velocidades durante a maior parte do percurso.
Figura 5-9. Percentual de tempo por faixa de velocidade do ciclo CYC_UKBUS_MAS_VAR1
