ESTUDOS E PESQUISAS Nº 368
Estratégia de Implantação do Carro Elétrico no Brasil versão preliminar João Paulo dos Reis Velloso (coordenador) *
XXII Fórum Nacional 2009 Na Crise, Brasil, Desenvolvimento de uma Sociedade Ativa e Moderna (Sociedade do Diálogo, da Tolerância, da Negociação), “Programa Nacional de Direitos Humanos”. E Novos Temas 17 e 20 de maio de 2010
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Coordenador-Geral do Fórum Nacional.
Versão Preliminar – Texto sujeito à revisões pelo(s) autor(es). Copyright © 2010 - INAE - Instituto Nacional de Altos Estudos. Todos os direitos reservados. Permitida a cópia desde que citada a fonte. All rights reserved. Copy permitted since source cited . INAE - Instituto Nacional de Altos Estudos - Rua Sete de Setembro, 71 - 8º andar - Rio de Janeiro - 20050-005 - Tel.: (21) 2212-5200 Fax: (21) 2212-5214- E-mail:
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Cadernos Fórum Nacional 10
ESTRATÉGIA DE IMPLANTAÇÃO DO CARRO ELÉTRICO NO BRASIL Coordenador
João Paulo dos Reis Velloso Colaboradores
Sergio Rezende, Ronaldo Mota e Adriano Duarte Luciano Galvão Coutinho, Bernardo Hauch Ribeiro de Castro e Tiago Toledo Ferreira José Antonio Muniz Lopes ● Nelson Barbosa Dyogo Oliveira e Jose Antonio P. Souza Jackson Schneider ● Pietro Erber ● Denise Menchen Fabiano Mezadre Pompermayer Carlos Ghosn ● Shai Agassi ● Roberto M. Torresi Nerilso Bocchi, Romeu C. Rocha-Filho e Sonia R. Biaggio ● Ana Maria Rocco
Instituto Nacional de Altos Estudos, INAE Rio de Janeiro, 2010
Copyright © INAE, 2010
Sumário Introdução: estratégia de implantação do carro elétrico no Brasil João Paulo dos Reis Velloso Os veículos elétricos e as ações do Ministério da Ciência e Tecnologia Sergio Rezende, Ronaldo Mota e Adriano Duarte Veículo elétrico, políticas públicas e o BNDES: oportunidades e desafios Luciano Galvão Coutinho, Bernardo Hauch Ribeiro de Castro e Tiago Toledo Ferreira Mobilidade elétrica no Brasil, uma opção de futuro José Antonio Muniz Lopes Carro elétrico: desafio e oportunidade para o Brasil Nelson Barbosa, Dyogo Oliveira e Jose Antonio P. Souza As duas duas estrutur estruturas as de de incen incentiv tivo o Nelson Barbosa, Dyogo Oliveira e Jose Antonio P. Souza Carro elétrico: em busca da viabilidade Jackson Schneider Automóv Automóveis eis elétric elétricos os a bateri bateria: a: uma política para sua utilização no Brasil Pietro Erber
Carta de Campinas Documento final do 6º. Seminário de Veículos Elétricos, organizado pela Associação Brasileira do Veículo Elétrico, ABVE e o Instituto Nacional de Eficiência Energética, INEE Governo culpa carro e moto por poluição Denise Menchen (reportagem na “Folha de São Paulo”)
1º. Inventário nacional de emissões atmosféricas por veículos automotores rodoviários (excerto do Sumário Executivo) Ministério do Meio Ambiente Etanol: veículos elétricos: via de mão única dupla? Fabiano Mezadre Pompermayer (Ipea) O carro elétrico é presente, não futuro Entrevista de “Época” com Carlos Ghosn, presidente mundial da Renault-Nissan Ferrari verde e Citröen elétrico na onda ecológica de Genebra Reportagem de “O Globo” Renault-Nissan e Prefeitura fazem acordo para uso de elétricos em São Paulo Divulgação da “UOL Carros” Switched-on highways: electric cars are cheaper and faster than any hybrid on the market Shai Agassi (entrevista a Fareed Zakaria, Tim Wagner–Zuma Press) Projeto de carro elétrico à base de baterias de íon-lítio Roberto M. Torresi Veículos elétricos: perspectivas de uso de baterias de íon-lítio Nerilso Bocchi, Romeu C. Rocha-Filho e Sonia R. Biaggio Carros elétricos e as baterias de íon-lítio: estado atual de desenvolvimento e perspectivas tecnológicas Ana Maria Rocco
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Introdução: Estratégia de Implantação do Carro Elétrico no Brasil João Paulo dos Reis Velloso * É chegado o momento de o Brasil acordar para o fato de que está atrasado na corrida para o Carro Elétrico, quando deveria estar na vanguarda – como fez em relação ao Carro a Etanol.
ALTA PRIORIDADE DA IMPLANTAÇÃO DO CARRO ELÉTRICO NO PAÍS Em primeiro lugar, consideremos o que mostra estudo recente do Ministério do Meio Ambiente: o carro e a motocicleta são os grandes responsáveis pela poluição nas cidades brasileiras. “A frota de carros e motocicletas emite 40 vezes mais CO (Monóxido de Carbono) do que a frota de ônibus urbano”. Tomando os números: “Em 2009, as emissões de CO por parte de carros e motos corresponderam a 83% do total desse gás... Os ônibus responderam por 2%”. “E o número de usuários foi equivalente.” Segundo, em termos de eficiência energética, o Carro Elétrico está à frente, “no tráfego urbano, em especial quando em baixas velocidades e constantes acelerações e frenagens”. Ao lado disso, os Carros Elétricos são também vantajosos em termos de poluição sonora, pois os motores *
Coordenador-geral do Fórum Nacional, Presidente do Ibmec-Mercado de Capitais e professor da EPGE (FGV). Ex-ministro do Planejamento.
elétricos são silenciosos, diferentemente dos motores a combustão. Vantagem financeira: “O custo do quilômetro rodado é mais baixo e o custo de manutenção igualmente”. Em terceiro lugar, devido a esse conjunto de razões, existe um Ciclo de Transformação na Indústria Automobilística Mundial, impulsionado pelo Carro Elétrico. Se, nesse cenário de “Inovação Radical”, o Brasil ficar de fora, poderá ter grandes perdas, em termos de produção e exportações de carros, assim como de autopeças (setor importante para o País). Note-se que o mercado mundial se volta para o Carro Elétrico tendo uma Matriz de Energia desfavorável. Já a Matriz do Brasil é favorável, principalmente considerando o nosso enorme potencial hidroelétrico. Importante assinalar: o que se visualiza é um cenário em que, num certo período, as três Tecnologias coexistam. Mas há uma tendência a um grande impulso na área do Carro Elétrico. Que se estabeleça, digamos, a meta de ter algo como 10% de produção (não de estoque) de Carro Elétrico em cerca de cinco anos. É como se a montadora passasse a ter mais um modelo de automóvel. Para isso, necessidade de uma “ESTRATÉGIA DE IMPLANTAÇÃO DE CARRO ELÉTRICO NO BRASIL”, fazendo o sistema de incentivos convergir para o engajamento das montadoras e o interesse de compradores.
LINHAS MESTRAS DA ESTRATÉGIA E PAPEL DAS DIFERENTES ENTIDADES
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A primeira linha mestra deve referir-se aos Incentivos Fiscais. E, nisso, o papel do Ministério da Fazenda é crucial: de um lado, definir a alíquota de IPI específica para veículos elétricos e seus componentes. O caso do Imposto de Importação é, também, relevante, assim como o PIS-COFINS. A segunda linha mestra refere-se aos incentivos ao Desenvolvimento Tecnológico, dentro da orientação de Creative Catching-Up , no caso das empresas estrangeiras. Ou seja, Importação de Tecnologia, com criatividade. Isso permitirá tornar o Brasil plataforma de desenvolvimento de produtos para a América Latina, África e, em geral, países emergentes. Nessa área, deve-se destacar o papel do Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT), com seus dois principais órgãos: FINEP e CNPq. Os instrumentos, claro, deverão ser o SIBRATEC (Sistema Brasileiro de Tecnologia), com ênfase, agora, na Inovação aplicada ao Carro Elétrico e a seus componentes; e a Subvenção Econômica, com o mesmo objetivo. O BNDES, como “principal provedor de crédito de longo prazo” e agente relevante do Mercado de Capitais, tem papel essencial a desempenhar na ESTRATÉGIA DE IMPLANTAÇÃO DO CARRO ELÉTRICO. Além disso, a abrangência do tema requer a adoção de políticas transversais, com o envolvimento de diversos agentes na construção deste projeto. Nesse sentido, cabe ao BNDES ser um dos principais articuladores de um projeto estruturante, que viabilize a produção de veículos elétricos no Brasil. Papéis essenciais devem, também, desempenhar a ELETROBRAS, a PETROBRAS (estrutura de recarga) e as Distribuidoras de Energia. É a “Opção de Futuro” a que se 9
refere o Presidente da ELETROBRAS, em seu artigo, neste livro. Nesse campo (estímulo ao Desenvolvimento Tecnológico), cabe referência à comparação entre duas estruturas propostas para o incentivo ao Carro Elétrico: o SIBRATEC (e outros mecanismos), na área do MCT, e o Centro de Inovação em Veículos Elétricos, proposto pela área da Secretaria de Política Econômica do MF. A conclusão é: “As duas propostas não são conflitantes nem superpostas, são complementares. Vejamos. Esse Centro, se criado, será um cliente para os programas de formação de pessoal, um membro das Redes Tecnológicas, e um parceiro das Empresas nos projetos contemplados no programa de Subvenção Econômica”. A terceira linha mestra implica “dar continuidade ao processo de restrição de emissões, gerando, assim, incentivo para novos padrões tecnológicos. Em particular, faz-se necessária uma nova geração de padrões que leve em consideração não apenas a emissão durante o uso do veículo, mas também ao logo de toda a cadeia produtiva do combustível e do veículo”.
DESAFIOS A SUPERAR O grande desafio tecnológico a superar é a bateria, que hoje – e durante bastante tempo – é à base de íons de lítio. A bateria determina a autonomia do veículo, o preço e o tempo de recarga. A questão é saber se esses problemas se resolvem com a produção em larga escala. E se é possível, em prazo razoável, ter maior disponibilidade de lítio, hoje um material escasso. 10
Ainda um problema: hoje não se produzem baterias de íon de lítio no Brasil, cuja fabricação é dominada por empresas asiáticas. E desvincular o início de produção do Carro Elétrico da fabricação de baterias adequadas no País não parece indicado. Daí a necessidade de esforço especial no sentido de contornar a dificuldade de reduzir o hiato ao menor prazo possível. Dois outros elementos críticos são o Sistema de Controle Eletrônico e os Motores Elétricos. Entretanto, nesses casos, o problema parece ser de fácil superação. Destacar, igualmente, o desafio da construção da Infraestrutura de Recarga (a geração de Energia não parece constituir obstáculo). Estamos falando, essencialmente, de um sistema de Eletropostos, o que pode acontecer até conjugado ao já existente sistema de postos de gasolina (a PETROBRAS já tem Eletropostos). É importante também que o país promova “a adequação do seu planejamento energético à previsão do uso crescente de veículos elétricos para os próximos dez anos”. Tal adequação significa não apenas o aumento da geração de Energia Elétrica (essencialmente, Hidroelétrica), mas também “pesquisas sobre administração de redes e fornecimento de fontes de carregamento em voltagem adequada às necessidades do sistema de transporte.”
CONCLUSÕES: DOIS TIPOS DE COMPLEMENTAÇÃO O primeiro tipo de complementação é com o sistema econômico relativo ao Carro de Etanol. Isso poderia ser feito através do uso do etanol no transporte de cargas (caminhões) 11
e nos ônibus. E até mesmo em automóveis de grande porte (grandes sedans, vans). Tudo isso, possivelmente, em veículos híbridos. A outra complementação é com o transporte público, que deve ser realizado, essencialmente, através de metrô, trem e VLT (veículo leve sobre trilho). Com isso se evitariam declarações como a do (então) Ministro Minc: o resultado do estudo sobre emissões em transporte (já mencionado) “revela a falência do modelo de transporte público no Brasil”. O Brasil está diante de uma nova e importante oportunidade, que justifica a nossa mobilização para desenvolvê-la. Nas palavras do Presidente da ANFAVEA: “...O fato é que o Brasil, por suas autoridades governamentais, entidades de ensino e pesquisa, Indústria Automotiva, deve acompanhar a tendência mundial em torno desses veículos (elétricos)...” E mais: no Brasil, governo, ciência e iniciativa privada haverão de construir soluções para o Veículo Elétrico brasileiro, com o mesmo empenho que demonstramos no Pro-álcool e no veículo flex, como também no recém iniciado programa do BIODIESEL.
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OS VEÍCULOS ELÉTRICOS E AS AÇÕES DO MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA Sergio Rezende * , Ronaldo Mota ** e Adriano Duarte *** INTRODUÇÃO O expressivo desenvolvimento da indústria automobilística no século passado veio acompanhado de preocupações crescentes com a poluição gerada pelos veículos que utilizam motores a combustão. Ao longo das últimas décadas, liderados pelos países desenvolvidos, foram estabelecidos limites cada vez mais restritivos para as emissões veiculares como um todo, levando à necessidade de importantes desenvolvimentos tecnológicos nos motores e veículos. Já nos últimos anos, com a ocorrência das preocupações com o aquecimento global causado pelas emissões de gases efeito estufa, a demanda por redução das emissões veiculares aumentou, estimulando ainda mais a investigação de tecnologias inovadoras para a propulsão veicular. Em termos globais, os biocombustíveis, área onde o Brasil é pioneiro com a utilização do etanol em larga escala, apresentaram-se como uma resposta parcial ao problema. Os programas de desenvolvimento da tecnologia do hidrogênio e célula a combustível para geração de energia e propulsão de veículos são exemplos. Recentemente os veículos ecológicos têm ocupado posições de destaque nos salões do automóvel de Nova York, Genebra e Detroit, incluindo modelos acionados apenas por baterias, híbridos que combinam gasolina, diesel e eletricidade, veículos “flex”, que utilizam biocombustíveis e carros * **
Ministro da Ciência e Tecnologia, MCT. Secretário de Desenvolvimento Tecnológico e Inovação do
MCT ***
Coordenador geral de Tecnologias Setoriais do MCT
convencionais pequenos mais econômicos. Na feira de Xangai, este ano, serão demonstrados cerca de 100 veículos a hidrogênio e o maior posto de abastecimento desse combustível1 do mundo. Grande atenção vem sendo despertada pelos veículos elétricos, entendidos como os que possuem pelo menos um motor elétrico envolvido com a sua tração. Os veículos elétricos têm como vantagens a eficiência do motor elétrico e as emissões de poluentes e gases de efeito estufa desprezíveis no local de uso. Sua adoção em larga escala contribuiria, por exemplo, para a redução das emissões nas grandes metrópoles 2. Eles também têm operação silenciosa, alto torque em velocidade baixa, tecnologia bem conhecida e mais simples e eficiente que a do motor a explosão. As desvantagens estão relacionadas ao custo desses veículos, da ordem de duas vezes o dos veículos atuais equivalentes e às baterias que armazenam a energia para a sua tração, envolvendo o seu peso, volume e custo, o tempo de recarga e o tempo de vida (New York Times, 2009). Isso sem falar nas questões ambientais – a maioria das baterias contém ácidos e metais-pesados o que torna imperativo o desenvolvimento das tecnologias para a indústria da reciclagem.
O CARRO ELÉTRICO E O CONTEXTO GEOPOLÍTICO DOS COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS
O setor de transporte é responsável pela alta demanda de combustíveis líquidos no mundo em sua maioria derivados de petróleo. Segundo o “World Energy Outlook 2009”, estudo publicado pela Agencia Internacional de Energia - AIE, que aborda as perspectivas energéticas mundiais até 2030, a demanda por mobilidade e serviços relacionados à eletricidade 1
Na realidade o hidrogênio pode ser mais apropriadamente entendido como uma fonte energética. 2 Entretanto ainda não estão disponíveis avaliações do ciclo de vida para identificação de suas reais emissões. 14
vai continuar a crescer de forma ampla em linha com o PIB dos países, mas espera-se uma taxa de crescimento menor que no passado, devido às políticas e subsídios aos ganhos em eficiência energética. O estudo apresenta dois cenários para 2030: o Cenário de Referência, que representa a evolução do quadro energético mundial seguindo as práticas atuais, no qual a concentração de gases de efeito estufa alcançaria mais de 1000 ppm de CO 2 equivalente; e o Cenário 450, que estima como esse quadro deveria evoluir para que a concentração de CO2 fique limitada a 450 ppm. No Cenário de Referência a demanda de energia primária aumentaria à taxa de 1,5% ao ano, de 2007 a 2030, envolvendo investimentos de US$ 26 trilhões nesse período. Já no Cenário 450 a taxa média de crescimento da demanda seria reduzida para 0,8% ao ano, sendo que os investimentos necessários alcançariam US$ 36,5 trilhões, até 2030, sendo que 45% desse total seriam destinados à modificação dos sistemas de transportes, inclusive a modificação das frotas de veículos, com a difusão do emprego de veículos acionados eletricamente. O cenário 450 representa um formidável desafio para a humanidade, pois implica na implantação de políticas rígidas em nível global, principalmente considerando-se que cerca de 90% do crescimento da demanda mundial de energia até 2030 virão dos países não pertencentes à OECD 3, justamente os menos desenvolvidos e mais necessitados de levar energia (a baixo custo) para proporcionar o bem estar e desenvolvimento social e econômico às suas populações.
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“Organization for Economic Cooperation and Development” (OECD). Membros: Austrália, Áustria, Bélgica, Canadá, República Tcheca, Dinamarca, Finlândia, França, Alemanha, Grécia, Hungria, Islândia, Irlanda, Itália, Japão, Coréia, Luxemburgo, México, Holanda, Zelândia, Noruega, Polônia, Portugal, República Eslovaca, Espanha, Suécia, Suíça, Turquia, Reino Unido e Estados Unidos. 15
As projeções da AIE indicam, para o Cenário de Referência, que em 2030, o setor de transportes será o maior consumidor de energia, ultrapassando inclusive o setor industrial (Fig. 1), sendo previsto um incremento do uso global de energia para o setor de transportes de 1,4% ao ano até 2030. Observa-se ainda que o setor de transportes é movido majoritariamente por derivados de petróleo, sendo previsto que em 2030 haverá pequeno incremento relativo no uso da biomassa (biocombustíveis) e eletricidade, sendo que para o Cenário 450 haveria redução de 18% no consumo de derivados de petróleo e aumento de mais de 100% da utilização de combustíveis renováveis e eletricidade.
Fig. 1 – Consumo final de energia por fonte e setor no cenário de referência Fonte: World Energy Outlook 2009
Entre as formas finais de energia o consumo de energia elétrica continuará a crescer rapidamente no período como resultado do incremento de demanda por eletrodomésticos, equipamentos industriais e comerciais elétricos em linha com o aumento de prosperidade dos países. No Cenário de Referência, o uso mundial de energia elétrica crescerá, em media, a uma taxa de 2,5% por ano e a sua parcela no consumo final de energia crescerá de 17% em 2007 para 22% em 2030. A geração de energia elétrica deverá crescer de 24.350 TWh em 2007 para 34.290 TWh em 2030, 16
sendo produzida principalmente através de combustíveis fósseis: carvão e gás natural. A parcela da energia gerada através de fontes de energias renováveis (excetuando-se hidroelétrica de grande porte) - biomassa, eólica, solar, geotérmica, ondas e mares, continuará a crescer em sua participação no mercado, passando de 2,5% em 2007 para 9% em 2030. A geração hidroelétrica deverá sofrer pequena redução na sua participação em termos globais. A geração térmica a carvão dobrará nesse período, com o carvão permanecendo como o principal combustível para geração de energia elétrica, seguido pelo gás natural. Cabe comentar que nesse cenário é previsto que a eficiência energética da geração térmica a carvão está projetada para crescer de 35% em 2007 para 40% em 2030, a medida que novas plantas de geração forem construídas utilizando tecnologias mais avançadas (Fig. 2).
Fig. 2 – Geração global de energia elétrica por combustível no Cenário de Referência Fonte: World Energy Outlook 2009
Do cenário prospectivo mundial, conclui-se que o setor de transporte pode se constituir em um claro exemplo da 17
complementaridade entre as políticas de mudanças climáticas e de segurança do abastecimento energético. O aumento de eficiência e da diversificação das fontes energéticas atende os abrangentes desafios de simultaneamente cortar as emissões de CO2 do setor de transporte e reduzir as importações de petróleo, melhorando portanto a segurança energética. Nesse aspecto o Brasil com seu programa de etanol, o Proálcool, iniciado há mais de 30 anos, é pioneiro e líder na utilização dos biocombustíveis em sua frota automotiva, sendo que hoje cerca de metade do combustível utilizado nos veículos de passeio é renovável, situação extremamente confortável tanto pela redução de emissões quanto por estar contribuindo de forma efetiva para a segurança energética do país. Com relação geração de energia elétrica a situação do Brasil também é bem mais confortável que a projeção global apresentada pelo estudo da AIE. Como comparação, o gráfico a seguir ( Fig. 3) apresenta a estrutura de oferta de eletricidade no Brasil, em 2008. Podese observar que o Brasil apresenta uma matriz de geração elétrica de origem predominantemente renovável, sendo que a geração interna hidráulica responde por montante superior a 70% da oferta. Somando-se às importações, que essencialmente também são de origem renovável, pode-se afirmar que aproximadamente 80% da eletricidade no Brasil é originada de fontes renováveis – sem considerar que parte da geração térmica é proveniente de biomassa. Na média mundial, fontes renováveis correspondem a apenas 15,6% da geração de eletricidade (BEN 2009). Portanto observa-se uma grande diferença entre as motivações que encaminham à discussão da introdução do carro elétrico no mercado mundial e no Brasil. Mesmo considerando as vantagens de maior eficiência energética e menores emissões, na agenda mundial essa tecnologia tem como apelo importante a redução da dependência em relação ao petróleo importado e a maior autonomia energética. Já no caso brasileiro, a situação é mais confortável, quer pela auto18
suficiência em petróleo quer pela disponibilidade do etanol e biodiesel.
Fig. 3 – Energia elétrica – Estrutura da oferta interna segundo a fonte primária de geração Fonte: Balanço Energético Nacional – 2009
Sobre esse aspecto o “World Energy Outlook 2009” comenta que, para o Cenário 450, a redução da utilização de derivados de petróleo no setor de transporte e a penetração dos veículos elétricos no mercado variam de acordo com as circunstancias regionais, citando como exemplo o Brasil, onde a frota utilizando biocombustíveis já atende, a um custo competitivo, as metas que as outras economias deverão atender em 2030. Por outro lado regiões que têm limitada condição de crescimento sustentável e barato de biomassa, tendem a favorecer a introdução de veículos elétricos híbridos e elétricos ao invés de biocombustíveis. Adicionalmente regiões urbanas densamente populosas incluindo aquelas nos EUA, China e União Européia podem favorecer a introdução de carros elétricos para reduzir a poluição local (World Energy Outlook 2009, pag. 244). Cabe destacar, no entanto, que a introdução de uma nova tecnologia no mercado automobilístico pode se 19
apresentar como uma oportunidade interessante para a indústria brasileira.
OS ESFORÇOS PARA A INTRODUÇÃO DOS VEÍCULOS ELÉTRICOS NO MERCADO
Com a crescente conscientização da possibilidade de efeitos climáticos adversos devido às emissões de gases de efeito estufa, em especial pela queima de combustíveis fósseis, vários países vem adotando políticas de restrição dessas emissões e investimento em tecnologias “limpas” ou de baixo carbono. Em particular, no setor de transportes, vislumbra-se a oportunidade de um grande desenvolvimento tecnológico em “veículos verdes”, o que está levando a uma corrida por esse novo mercado. De acordo com as potencialidades e capacidades regionais, os países e empresas apostam em diversas possibilidades complementares para o desenvolvimento de veículos “ambientalmente amigáveis”, entre eles: biocombustíveis, motores e veículos mais eficientes, veículos híbridos, elétricos e a célula a combustível e desenvolvimento de novos acumuladores de energia. Os desafios para a introdução dos veículos elétricos, nas suas mais diversas modalidades, no mercado mundial são imensos. Uma nova normalização terá que ser desenvolvida, novos componentes deverão ser projetados, um novo conceito de “postos de abastecimento” deverá ser implantado, e a infraestrutura de energia elétrica devera ser adaptada e expandida. Adicionalmente, como em toda tecnologia inovadora, mecanismos de incentivos e de fomento necessariamente deverão ser implementados. O maior obstáculo para a introdução dos veículos elétricos no mercado é o seu elevado custo. Segundo estudo do “National Research Council” as baterias são o elemento 20
determinante no custo e autonomia desses veículos, sendo que existe grande esforço no desenvolvimento de baterias avançadas (incluindo as de Lítio), mas ainda não foram atingidos os objetivos essenciais de custo, vida útil e peso. Espera-se que rupturas tecnológicas possam contribuir para a redução do custo e peso das baterias, porém ainda não está claro que tipo de ruptura pode se tornar comercialmente viável. Por outro lado, mesmo que elas ocorram dentro da próxima década, não terão muito impacto nas emissões de gases de efeito estufa antes de 2030, pois serão necessários alguns anos para que um número significativo de veículos incorpore as novas tecnologias na estrada. Segundo as estimativas apresentadas no estudo norte americano, os custos de adicionais de fabricação para os veículos híbridos, similares ao “Prius” da Toyota (PHEV-10) e ao Volt da GM (PHEV-40), em comparação aos veículos tradicionais, podem variar de US$ 7.000 a US$ 18.000, sendo esperado que esses valores estejam na faixa de US$ 4.000 a U$ 11.000 em 2030. O ponto de equilíbrio econômico considerando o desenvolvimento tecnológico e a comparação com os custos do petróleo poderá ser atingido em 2047 (Tabela 1).
Tabela 1 – Custos incrementais estimados para veículos híbridos Fonte: National Academy of Sciences, Transitions to Alternative Transportation Technologies--Plug-in – Hybrid Electric Vehicles – 2009 21
Conscientes das dificuldades para a introdução da nova tecnologia envolvendo veículos mais “ambientalmente amigáveis” e também da ameaça à sua indústria automobilística caso não estejam aptos a concorrer nesse novo mercado global 4, os países estão implementando diversas políticas de incentivos a veículos limpos e em especial aos veículos elétricos. Estados Unidos, China, Países da União Europeia, Inglaterra e Japão entre outros, movimentam-se no apoio à pesquisa, implantação de infra-estrutura e incentivos à indústria e aos adotantes iniciais desses veículos. Pode-se citar, por exemplo, o recente anúncio do governo norte americano que concedeu US$ 2,4 bilhões em recursos federais para empresas e universidades para o desenvolvimento de energias renováveis, em particular de baterias e veículos híbridos e elétricos, além de um subsídio de US$ 7.500 por veículo para a aquisição de veículos elétricos e a China, que estabeleceu um programa de US$ 1.5 bilhão para a inovação na sua indústria automobilística, além de um subsídio de US$ 8.800 para o comprador do veículo elétrico.
O BRASIL E SEU MERCADO AUTOMOBILÍSTICO A evolução da indústria automotiva nacional, ao longo dos últimos anos, contribuiu para que o Brasil viesse a ocupar 4
Sobre esse aspecto em 9 de fevereiro último, por ocasião da reunião do Conselho informal dos ministros europeus da indústria e da pesquisa, foi discutido relatório examinando os desafios para a Europa fazer emergir uma indústria competitiva para os veículos elétricos. O objetivo da reunião foi a promoção de uma estratégia que, dentro dos próximos meses, permitirá às indústrias européias competirem com seus concorrentes japoneses, americanos e chineses. Fonte:ABVE,05/03/2010 http://www.abve.org.br/destaques/2010/destaque10006.asp 22
posição de destaque na indústria automobilística mundial: a produção nacional ocupa a sexta colocação na escala internacional, o consumo interno (licenciamentos de veículos nacionais e importados) nos classifica como o 5º maior mercado consumidor de auto-veículos, e somos o 12º maior exportador e o 13º maior importador. O Brasil é líder na produção de veículos que utilizam combustível de origem renovável e ostenta ampla vantagem competitiva nesse segmento. O licenciamento de veículos leves em janeiro de 2010 teve um crescimento de 6% em relação a janeiro de 2009, atingindo a marca de 201 mil unidades. Desse total, os carros flex-fuel representaram 85,3%. Entre 2003 e 2009, foram comercializados mais de 9,8 milhões de veículos flex-fuel e sua participação estimada na frota total de veículos leves é de 34%. Atualmente, a indústria automobilística nacional compreende 19 montadoras com 40 fábricas distribuídas em 8 estados e 36 municípios e capacidade para produzir 4,0 milhões de auto-veículos por ano. A indústria automotiva brasileira também é responsável pela existência de mais de 500 fabricantes de autopeças, aproximadamente 4,3 mil concessionários e a geração de 1,5 milhão de postos de trabalho diretos e indiretos, destacando-se, em 2009, 124,4 mil empregos diretos nas montadoras. Desde 1957 até dezembro de 2009, foram produzidos no Brasil 45,7 milhões de automóveis, 8,6 milhões de veículos comerciais leves, 3,4 milhões de caminhões e 765 mil ônibus, totalizando 58,5 milhões de unidades ( Fig. 4). Neste mesmo período (1957/2009), as vendas/licenciamento de automóveis novos alcançaram 50,0 milhões de veículos, sendo 39,0 milhões de automóveis, 7,5 milhões de comerciais leves, 2,9 milhões de caminhões e 549 mil ônibus. 23
Produção Brasileira de Autoveículos 1957-2009 em milhões de unidades - montados e desmontados 50,0
45,7
45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0
8,6
10,0
3,4
5,0
0,8
0,0 Automóveis Fonte: ANFAVEA
Comerciais Leves
Caminhões
Ônibus
Elaboração: MF/SPE
Fig. 4 – Produção brasileira de autoveículos 1957 – 2009 em milhões de unidades Fonte ANFAVEA / MF-SPE
A partir de 2000, o setor experimentou forte crescimento no número de unidades produzidas, que saltou de 1,7 milhão em 2000 para 3,2 milhões de unidades, em 2009. Desde 2003 foram apurados recordes sucessivos de unidades produzidas anualmente. Em decorrência do desaquecimento econômico global, que teve início a partir do último trimestre de 2008, houve uma desaceleração nas taxas de crescimento da produção e vendas. A produção de dezembro daquele ano foi 47% inferior à quantidade produzida no mês anterior, novembro, e 54,1% menor que os números de dezembro de 2007 ( Fig. 5).
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Fig. 5 – Produção da indústria automobilística Fonte ANFAVEA / MF-SPE
3.500
600 Automóvei s (E)
3.000
Comerciais leves (D)
500
Caminhões (D) Õnibus (D)
2.500
400 2.000 300 1.500 200 1.000 100
500 0
0
2000
2001
Fonte: ANFAVEA
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
Elaboração: MF/SPE
No setor automotivo cabe destacar o de autopeças. Com faturamento previsto de US$ 40 bilhões para 2010 esse setor é responsável por exportações de US$ 6,8 bilhões em 2010, já tendo atingido a marca de US$ 10 bilhões em 2008, antes da crise. O setor exporta para mais de 20 países, principalmente Argentina, Estados unidos, Alemanha e México. Dentro do cenário de inovação tecnológica radical no setor automobilístico que está ocorrendo no mundo, o Brasil pode facilmente perder a sua posição significativa na produção
de veículos e autopeças e passar a ser importador das novas tecnologias. Devem ser adotados mecanismos que permitam à indústria nacional realizar a transição para ser fornecedora de componentes e sistemas para os novos veículos verdes, nas suas diversas configurações possíveis, focando para além do mercado nacional, pois apesar do Brasil, com os biocombustíveis, já atender os requisitos de emissões de carbono que muitos países pretendem alcançar em 2030, haverá a necessidade e a oportunidade da adaptação da indústria nacional para esse novo mercado.
AÇÕES DO MCT NO APOIO AOS VEÍCULOS ELÉTRICOS De modo geral a tecnologia inovadora tem custos maiores que as convencionais e já disponíveis no mercado. É somente através do aprendizado proporcionado pela pesquisa, demonstração e introdução inicial no mercado é que essas tecnologias tornar-se-ão econômicas e levarão à inovação. Novas tecnologias requerem, em certo estágio de seu desenvolvimento, o estímulo à pesquisa e à demanda inicial para introdução futura no mercado. Em casos nos quais se pretende rápido desenvolvimento, tanto o estímulo quanto a demanda inicial necessitam ser organizados e apoiados pelos governos. Como exemplo pode-se citar a recente implantação do programa de biodiesel brasileiro, no qual ações de estímulo ao mercado, regulação e incentivos tributários, foram complementadas por ações de pesquisa, capacitação laboratorial e formação de recursos humanos especializados. Dentro desse contexto, o Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT), com relação às tecnologias inovadoras no setor automotivo, atua no desenvolvimento da pesquisa, formação de recursos humanos e apoio às empresas inovadoras. Para exercer as suas atividades o Ministério dispõe de duas agências de fomento para a implementação das ações: o CNPq voltado ao fomento da formação de recursos humanos e 26
pesquisa acadêmica e a FINEP voltada a projetos fomento público à Ciência, Tecnologia e Inovação em empresas, universidades, institutos tecnológicos e outras instituições públicas ou privadas. Entre os mecanismos de apoio das inovações direcionados às empresas, destacam-se dois recentes instrumentos operados pela FINEP: a Subvenção Econômica e o Sibratec. A Subvenção Econômica apoia o desenvolvimento de produtos, serviços e processos inovadores em empresas brasileiras, sendo que os projetos tecnológicos são apoiados mediante edital público anual. O aporte de recursos aos projetos é a fundo perdido mediante contrapartida das empresas. O Sistema Brasileiro de Tecnologia - Sibratec (Decreto nº 6.259, de 21 de novembro de 2007) é um instrumento de articulação e aproximação da comunidade científica e tecnológica com as empresas brasileiras. O Sibratec tem por objetivo apoiar o desenvolvimento tecnológico do setor empresarial nacional, por meio da promoção de atividades de pesquisa e desenvolvimento de processos ou produtos inovadores, seja essa inovação radical ou incremental, de prestação de serviços tecnológicos e de extensão tecnológica. Assim, no SIBRATEC são estruturadas redes temáticas de Centros de Inovação com disponibilidade de recursos humanos, materiais e financeiros para apoiar o desenvolvimento de inovações em produtos e processos demandados por empresas brasileiras. Em especial, quanto às ações do MCT em veículos elétricos, está em desenvolvimento a estruturação de um programa para apoio ao desenvolvimento tecnológico, as pesquisas e a cadeia produtiva voltada a veículos elétricos. Durante 2009 foram realizados seminários e reuniões setoriais para prospecção no meio acadêmico e em empresas fabricantes de veículos e baterias, dos temas estratégicos para pesquisa e desenvolvimento na área. Para 2010 estão propostos editais para formação de RH e desenvolvimento de P,D&I em tecnologia veicular e baterias 27
no CNPq e linhas de apoio para pesquisa em empresas (possivelmente através do edital de subvenção da FINEP) nas áreas de “Desenvolvimento de acumuladores de energia (baterias, super-capacitores) e seus processos de reciclagem” e “Desenvolvimento de partes, peças e sistemas completos aplicados a veículos elétricos, híbridos e hidrogênio”. Destaque-se também que ao longo deste primeiro semestre de 2010 está em implantação a Rede SIBRATEC de Inovação voltada ao apoio às empresas do segmento de veículos elétricos e baterias. A Rede tem como objetivo de desenvolver, aperfeiçoar e identificar: matérias primas e materiais aplicáveis à cadeia produtiva de veículos elétricos; sistemas de abastecimento de energia a veículos provenientes de fontes de energia externa; sistemas embarcados de conversão de energia, excetuando-se a reforma de combustível; motores elétricos e seus componentes, sistemas mecânicos como chassis, suspensão, engrenagens, sistemas de freios, transmissão aplicáveis aos veículos elétricos; sistemas eletroeletrônicos, inversores, controladores, supervisores, acumuladores de energia elétrica, medidores, softwares, protocolos e interfaces de diagnóstico de componentes e demais sistemas eletroeletrônicos aplicáveis à cadeia produtiva de veículos elétricos. Em conclusão, entende o MCT que há um próspero caminho a ser percorrido até o estabelecimento definitivo da opção dos veículos elétricos em escala comercial e que o Ministério é parte essencial, juntamente com os demais importantes atores da área, no estímulo e na consolidação das iniciativas em curso no País. O MCT tem pautado sua atuação pelo suporte aos projetos em implantação a partir da concepção de que é necessário apoiar tecnologias veiculares mais eficientes e com menos emissões, sem privilegiar apenas uma em particular, tendo em vista que várias alternativas estão em estágio de desenvolvimento e apresentam futuros promissores.
28
Referências Bibliográficas 1. International Energy Agency – IEA, World Energy Outlook 2009. 2. Ministério de Minas e Energia – MME / Empresa de Pesquisa Energética – EPE, Balanço Energético Nacional – 2009. Disponível em (https://ben.epe.gov.br) 3. National Academy of Sciences, Transitions to Alternative Transportation Technologies--Plug-in Hybrid Electric Vehicles – 2009 (pré-publicação). Disponível em (http://www.nap.edu/catalog/12826.html) 4. The New York Times, White House Awards $2.3 Billion in Tax Credits for Clean Energy Developers, Green Inc, January 8, 2010. Disponível em (http://greeninc.blogs.nytimes.com/2010/01/08/white-house-awards23-billion-in-tax-credits-for-clean-energy-developers/) 5. The New York Times, China Vies to Be World’s Leader in Electric Cars, Keith Bradsher, Published: April 1, 2009. Disponível em (http://www.nytimes.com/2009/04/02/business/global/02electric.html) 6. Anfavea - Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores em (http://www.anfavea.com.br) 7. Sindipeças - Sindicato Nacional da Indústria de Componentes para Veículos Automotores, Perspectivas Econômicas Indústria Brasileira de Autopeças. Disponível em (www.sindipecas.org.br) 8. Ministério da Fazenda, Relatório do Grupo de Trabalho da Indústria Automotiva – 2010. 9. Ministério de Minas e Energia, Boletim Mensal dos Combustíveis Renováveis, nº 25, jan de 2010. 10. Associação Brasileira do Veículo Elétrico – ABVE. Disponível em (www.abve.org.br/)
VEÍCULO ELÉTRICO, POLÍTICAS PÚBLICAS E O BNDES: OPORTUNIDADES E DESAFIOS5 Luciano Galvão Coutinho * , Bernardo Hauch Ribeiro de Castro ** eTiago Toledo Ferreira *** INTRODUÇÃO Nesse começo do século XXI, a eletrificação veicular emerge como uma tendência tecnológica inexorável. Essa nova tendência representa uma mudança substantiva no setor automotivo, implicando na substituição dos motores a combustão interna por motores elétricos como fonte de força motriz veicular. Espera-se, em um futuro próximo, que os veículos elétricos disputem mercado com os tradicionais. tradicionais. Mudanças tecnológicas reabilitaram os veículos elétricos, muito difundidos no começo do século XX. Naquela época, além de modelos propulsionados por motores elétricos ou a combustão, existiam veículos movidos por motores a vapor. Basicamente, a crescente disponibilidade e o baixo custo de derivados do petróleo, associado à ausência de pressões ambientais, favoreceram a adoção do motor a combustão interna. Apesar do maior conforto, propiciado pelo menor ruído e emissão de gases, o veículo elétrico enfrentava problemas relacionados à autonomia e ao carregamento da bateria. Entretanto, novos fatores promoveram o renascimento 5
Os autores agradecem os comentários de João Carlos Ferraz, Felipe Marques, Haroldo Prates e Patrícia Zendron. Naturalmente, eventuais imperfeições remanescentes são de inteira responsabilidade dos autores. * Presidente do BNDES. ** Engenheiro do BNDES. *** Economista do BNDES.
dos veículos elétricos, em especial, o desenvolvimento tecnológico das baterias, a questão da segurança energética e a redução de impactos ambientais. Neste artigo, enfatizaremos os aspectos industriais relacionados aos veículos elétricos, visando a constituição de um panorama geral, a partir do qual a atuação do BNDES será discutida. A seção seguinte aborda os principais fatores indutores do ressurgimento dos veículos elétricos. A terceira seção apresenta os principais modelos disponíveis e em desenvolvimento para discutir, em seção posterior, os principais desafios e entraves à difusão dos veículos elétricos. As eventuais transformações transformações na estrutura industrial são tratadas na quinta seção, enquanto, a sexta seção discute o apoio do BNDES a eventuais mudanças na indústria automotiva. Uma breve conclusão consolida os principais tópicos discutidos ao longo do texto.
INDUTORES DO RENASCIMENTO DOS VEÍCULOS ELÉTRICOS A redução dos impactos ambientais é tema de crescente importância na agenda pública. O combate ao aquecimento global torna-se, cada vez mais, um imperativo político na maioria das nações. O setor de transportes, que responde por parcela significativa do consumo de derivados de petróleo e das emissões de CO 2, é um dos principais focos de atenção. A questão energética é outro fator que reforça a necessidade de redução do consumo de petróleo. O IEA 6 (2009) projeta um crescimento médio anual da demanda mundial de energia de 1,5% entre 2007 e 2030, ao passo que, no mesmo período, a oferta de petróleo deve ter expansão média anual de 1%. Em termos acumulados, o aumento da demanda energética será da ordem de 40,7% contra 25,7% da oferta de petróleo. Esses números apontam a insustentabilidade da matriz energética atual e, em especial, a 6
Energia.
International Energy Agency ou Agência Internacional de 31
necessidade da redução da participação do petróleo. O setor de transporte, por consumir cerca de 61,3% do petróleo 7, é o alvo natural para medidas que visem o rebalanceamento da matriz energética. E não faltam sinais que o desequilíbrio gerado pelo excesso de demanda já é um problema no curto prazo, tendo em vista a elevada volatilidade do preço do petróleo no período recente. O preço do barril de petróleo 8, na casa dos US$ 72 em 2007, alcançou a marca de US$ 144 em julho de 2008, pouco antes do momento mais agudo da crise financeira internacional. Este caiu a cerca de US$ 40 em fins de 2008 e, desde então, vem se recuperando, chegando próximo a US$ 85 no início de abril de 2010. Adicionalmente, Adicionalmente, desde o Choque do Petróleo de 1973, os governos dos países centrais perceberam o risco derivado da elevada concentração da produção em um número pequeno de países. Nesse caso, eles procuram aumentar sua segurança energética, entendida como o acesso, a um preço razoável, à fonte energética demandada, provida por produtores confiáveis. A dependência em relação a poucos produtores, organizados em cartel, e a grande volatilidade dos preços do barril de petróleo fundamentam questionamentos acerca da segurança energética dos países dependentes da importação de petróleo. O choque motivou os governos a restringirem o consumo de derivados do petróleo pelos veículos – usualmente, através de regulamentações que limitam as emissões ou exijam maior eficiência no consumo energético – e a financiarem tecnologias alternativas, dentre as quais se encontra o veículo elétrico. A recente alta do petróleo e as pressões por medidas que preservem o meio ambiente redundaram em um aprofundamento desses programas. Atualmente, vários governos governos oferecem incentivos para a compra de veículos elétricos. Usualmente, esses incentivos 7
Ver IEA (2009). Fonte: Ipeadata. Preço por barril do pétroleo bruto Brent (FOB). No original: Europe Brent Spot Price FOB. 8
32
assumem a forma de isenções fiscais ou bônus monetários. Dentre os países que oferecem esse incentivo, estão os Estados Unidos, o Japão, a China e a Alemanha. No Brasil, os veículos elétricos não recebem tratamento diferenciado. No caso do Imposto sobre Produtos Industrializados Industrializados – IPI, os veículos elétricos são enquadrados na categoria “outros”, sobre a qual incide a alíquota mais elevada. Um automóvel elétrico, por exemplo, tem alíquota de 25%. Nesse momento de transição, os incentivos são essenciais para acelerar a penetração desses veículos. Além de não gozarem de economias de escala, os veículos elétricos enfrentam elevados custos de baterias, desconfiança dos consumidores e carência de infraestrutura. O preço 9 médio de um Ford Fusion, um dos sedans mais vendidos nos Estados Unidos, é inferior a US$ 20 mil, enquanto o preço esperado do GM Volt, o veículo híbrido, está na casa do US$ 40 mil. O Nissan Leaf, outro veículo elétrico que será lançado em breve, deverá custar cerca de US$ 34 mil. Vale ressalvar que a eletrificação veicular não substitui a agenda de busca por combustíveis alternativos ao petróleo. No caso dos modelos híbridos, por exemplo, eles alimentariam motores a combustão dos próprios veículos. Já em veículos puramente elétricos, esses podem ser usados na geração de energia elétrica. Sem o avanço das baterias, o renascimento dos veículos elétricos não seria possível. Ele foi iniciado nos setores de informática e telecomunicações, impulsionado pelas vendas de laptops e telefones celulares. Por isso, a maior parte dos modelos que vem sendo lançados são equipados com baterias de íon-lítio, similares às usadas em eletrônicos portáteis. Conforme será discutido, o desenvolvimento de baterias é o principal desafio tecnológico enfrentado atualmente. 9
Cotações obtidas no sítio http://www.edmunds.com http://www.edmunds.com,, em 8/4/2010, que desconsideram os benefícios concedidos pelo governo. 33
MODELOS DE VEÍCULOS ELÉTRICOS De modo simplificado, podemos classificar os veículos elétricos em duas categorias: os veículos elétricos puros e os híbridos. Os veículos híbridos Os veículos híbridos são assim chamados por combinarem um motor de combustão interna com um gerador, uma bateria e um ou mais motores elétricos. Sua função é reduzir o gasto de energia associado à ineficiência dos processos mecânicos se comparados aos sistemas eletrônicos10. Boa parte da ineficiência energética vem da geração de calor causada principalmente pelo atrito entre as partes móveis do motor de combustão interna. Estima-se que apenas 15% da energia potencial de um combustível em um automóvel é efetivamente utilizada para movimentá-lo. Em um veículo híbrido, há quatro fatores que ajudam a aumentar sua eficiência: Assistência do Motor Elétrico ao de Combustão Interna: a menor variação em sua operação permite atingir um nível de eficiência muito mais elevado pela adoção de motores com menor perda, como os do ciclo Atkinson-Miller ao invés do difundido ciclo Otto. Desligamento Automático: sistema híbrido pode desligar automaticamente o motor em caso de parada, enquanto no veículo convencional o motor a combustão continua funcionando. Tecnologias de Recarga da Bateria, como frenagem regenerativa: no caso dos motores a combustão, embora a aplicação seja possível, a armazenagem da energia gerada para fins de movimentação não é, ficando restrita ao consumo de periféricos (como o ar condicionado, luzes etc.). •
•
•
10
Raskin & Shah (2006). 34
Otimização da Transmissão: o paradigma mecânico permite apenas um número limitado de combinações de rotação e potência, que limitam a eficiência do conjunto. Já, com sistemas eletrônicos, as possibilidades de combinações são muito maiores. A Toyota, por exemplo, desenvolveu um sistema de transmissão eletrônica, que permite um número infinito de combinações. Seu sistema é extensivamente patenteado, o que leva os competidores a licenciar essa tecnologia ou a utilizar sistemas menos eficientes, baseados em combinações amplas, mas não infinitas. Há duas formas básicas de arranjo dos componentes de um sistema híbrido, que resultam em arquiteturas diferentes dos automóveis. Nos sistemas em série, o motor a combustão interna é ligado a um gerador e não diretamente ao trem de acionamento. O motor elétrico é que movimenta as rodas. Já no sistema em paralelo, tanto o motor elétrico quanto o motor a combustão podem movimentar as rodas, conjunta ou independentemente. •
Motor a Motor a
Motor
Figura 1 – Motor a
Figura 2 – Sistema Híbrido
Combustão Interna
Paralelo
35
Motor
Motor a
Motor a
Motor
Figura 3 – Sistema Híbrido
Figura 4 – Sistema Híbrido
em Série
Combinado Série‐Paralelo
Há ainda um terceiro sistema que conjuga os dois anteriores, incorporando a possibilidade de recarga da bateria pelo motor a combustão mesmo quando ele estiver tracionando o veículo. As Figuras 1 a 4 trazem, de forma simplificada, um desenho esquemático da arquitetura dos sistemas apresentados, apresentados, bem como do sistema tradicional. Um exemplo de veículo com sistema híbrido é o Toyota Prius, lançado em 1997 no Japão e em 2000 em outros mercados como os EUA e a Europa. Atualmente em sua quarta geração, é considerado o primeiro veículo híbrido produzido em massa e lançado mundialmente. Foi lançado com um sistema híbrido paralelo, tendo evoluído para o combinado. Em 2009, atingiu um acumulado de dois milhões de veículos vendidos desde o seu lançamento 11. 11
Toyota (2010). 36
Um outro exemplo, o GM Volt, funciona com um sistema híbrido em série, com recarga feita por sistema plug-in 12 e baterias de íon lítio. Com o conceito apresentado em 2007, tem previsão de lançamento comercial em 2011.
Os veículos elétricos puros Já os veículos puramente elétricos não possuem um motor a combustão. São integralmente movidos por energia elétrica, seja provida por baterias, por células combustível 13, por placas fotovoltaicas (energia solar) ou ligados à rede elétrica, como os trolebus . A maioria dos lançamentos das grandes montadoras tem se concentrado em veículos movidos a bateria. Para ilustração, são veículos elétricos puros o Nissan Leaf, com lançamento previsto para 2010, e o Mitsubishi iMiEV, já lançado. Ambos utilizam baterias de íon lítio, sendo que o iMiEV possui três motores elétricos ao invés de um, sendo um para cada roda dianteira e um para o conjunto traseiro. No Brasil, há alguns projetos em desenvolvimento, dentre os quais podemos citar o Projeto VE, iniciado em 2006, da Itaipu Binacional, em cooperação com a empresa suíça Kraftwerke Oberhasli (KWO), controladora de hidrelétricas suíças, e a montadora Fiat, além de outras empresas e instituições de pesquisa. São dois veículos em desenvolvimento, o Palio Weekend Elétrico e o caminhão leve Iveco Daily Elétrico. Ambos são veículos elétricos puros, sendo 12
A denominação plug-in indica que a bateria do veículo pode ser recarregada por um plug conectado a uma fonte externa de energia elétrica. 13 Células combustível ( fuel cells ) são células eletroquímicas (como as pilhas) que convertem combustível em eletricidade. Apesar da possibilidade de se utilizar diferentes combustíveis, há um forte apelo pelo uso do hidrogênio, que resultaria em veículos praticamente não-poluentes.. 37
que o Palio utiliza uma bateria de níquel e o Daily, três baterias, de sódio, níquel e cádmio. Do Palio, são produzidos, em caráter experimental, quatro unidades por mês atualmente. Há também projetos em fase mais embrionária, como o do Triciclo Pompéo, em desenvolvimento por uma empresa na incubadora tecnológica tecnológica da Itaipu It aipu Binacional, que utiliza baterias de íon lítio e motor elétrico fornecido pela empresa Weg. Tem lançamento previsto para 2011. Já em escala comercial, encontra-se no Brasil as motocicletas do tipo scooter elétricas, produzidas pelas empresas Motor Z (em São Bernardo do Campo/SP), Bramont (em Manaus/AM) e GPS Electric Movement (em Natal/RN) 14, e ônibus urbanos com tração elétrica fornecida pelas empresas Eletra e a célula de hidrogênio fabricados pela Tutto Transporti. A Eletra afirma ter 300 trolebus e 45 ônibus híbridos em operação na Grande São Paulo 15. Além disso, há veículos elétricos fabricados no Brasil para transporte em áreas particulares (ambientes fabris, centros de distribuição, campos de golfe etc.) por algumas empresas como Jacto e Agix. A Tabela 1 traz um breve comparativo de alguns modelos citados. Percebe-se uma clara distinção entre os veículos elétricos puros e os híbridos em relação a dois aspectos: a autonomia, que é maior nos híbridos justamente pela utilização acessória de um motor a combustão, e o peso do conjunto de baterias. Os demais parâmetros são similares para os modelos estudados.
14 15
Scooters (2009). Eletra (2010). 38
Tabela 1 – Comparativo de alguns modelos de veículos elétricos. Híbridos Toyota Prius
Lançamento
Puros t l o V M G
i h s V i b i E u s M t i i M
f a e L n a s s i N
) t a o i F c o i / i l r t u a é p P l i E a t I (
Geração I
Geração II
Geração III
Geração IV
1997‐ 1999
2000‐ 2003
2003‐ 2009
2009
2011
2010
2010
n.d.
58
70
76
98
n.d.
Não possui
Não possui
Não possui
Potência do motor a combustão (HP) Potência do motor elétrico (HP) Aceleração 0 ‐96 km/h (s) Peso das baterias (kg) Peso do veículo (kg)
40
44
67
80
71
63
107
20
14,1 57 n.d.
12,5 52 1254
10,1 45 1317
9,8 44 1380
n.d. 165 1080
9 200 n.d.
28*** 165 1029
Autonomia (km)
n.d.
579**
547**
n.d.
n.d. 180 1580 64* / 483** 160
160
160
120
Velocidade máxima (km/h) n.d. 159 178 n.d. 130 140 Fontes: Zapata & Nieuwenhuis (2007), GM (2010), Mitsubishi (2010), Nissan (2010), Toyota (2010). Elaboração própria. Obs.: * Usando exclusivamente a bateria. / ** Utilizando também o motor a combustão. / *** 0-100 km/h. n.d. = não disponível
110
DESAFIOS E GARGALOS A adoção em massa dos veículos elétricos enfrenta diversos desafios. Dentre os principais entraves, pode-se listar o preço elevado, a autonomia da bateria e a necessidade de constituição de uma infraestrutura específica. A bateria é o componente crucial, sendo seu desenvolvimento responsável tanto pela elevação da autonomia, quanto pela redução do preço do veículo. Atualmente, o padrão adotado é o de íon lítio. No entanto, essa tecnologia não necessariamente será dominante por conta de seu elevado custo e de questões relacionadas à oferta de matéria-prima. Outros padrões despontam como potenciais concorrentes como níquel hidreto metálico e zebra (à base de sódio, níquel e cádmio). O desenvolvimento da bateria é mais premente em um cenário de transição, em que fatores culturais – como a tradição dos veículos a combustão, por exemplo – e a ausência de infraestrutura reduzem a predisposição dos consumidores em adquirirem veículos elétricos. Os veículos elétricos demandam modificações na infraestrutura existente, estando o ponto chave relacionado à nova forma de alimentação energética, que será realizada através da rede elétrica. Essas modificações abrangem da necessidade de tomadas de força nas garagens das residências à existência de estações de carregamento rápido ao longo das vias de transporte. Apenas para exemplificar a complexidade envolvida, a simples colocação de tomadas nas garagens de edifícios precisa atender alguns requisitos, como voltagem adequada e mecanismo de tarifação individual do proprietário do veículo. A grande energia acumulada na bateria abre novas possibilidades ao automóvel. Ele pode exercer a função de um no-break residencial ou devolver energia à rede, arbitrando seu fluxo com a concessionária de energia elétrica de acordo com o preço das tarifas. As expectativas otimistas apontam para o domínio de mercado pelos veículos híbridos ou puramente elétricos em 2030. Após um período de pelo menos 10 anos de penetração mais lenta, essa velocidade deverá sofrer uma aceleração
robusta, conforme os principais entraves (sobrepreço, autonomia da bateria e infraestrutura) forem sendo superados. Nesse período, também deverá ser definido o padrão vencedor. A inexistência de resistência técnica à produção de um híbrido que utiliza etanol e energia elétrica pode ser aproveitada para consolidar a posição de vanguarda do Brasil na utilização de energia limpa para o transporte. Tabela 2 – Projeção de Penetração de Veículos Híbridos/Elétricos Híbridos / Elétricos como % das Vendas Totais 2010 2015
2020
2030
EUA China
4,2% 10,2% 26,7% 75,8% 0,4% 7,7% 25,8% 78,3%
Global Híbridos / Elétricos como % da Frota
1,7% 6,2% 2010 2015
19,9% 66,0% 2020 2030
EUA China
0,9% 3,0% 0,1% 3,5%
8,8% 39,8% 15,4% 63,1%
Global
0,3% 1,8%
6,6%
35,6%
Fonte: Deutsche Bank (2009).
IMPACTO NA CADEIA DE FORNECEDORES A introdução de veículos elétricos promoverá uma profunda reestruturação na indústria automotiva. As modificações não atingem somente o powertrain , principal sistema veicular, que abarca o motor e a transmissão. Novos componentes, como regeneradores de energia dispersada na frenagem, serão incorporados aos veículos. A energia acumulada na bateria, tradicionalmente utilizada para partida do automóvel e para os itens de eletrônica embarcada (injeção eletrônica, ABS, airbag , trio elétrico, ar condicionado, alarme etc.), terá que alimentar o motor de tração, exercendo função realizada pelo tanque de combustível nos modelos convencionais. Fabricantes de bateria, portanto, precisarão se transformar em fabricantes de sistemas, aproximando-se dos 41
sistemistas16. Poderá haver também desdobramentos relacionados ao mercado de minério, tendo em vista que o lítio está presente na maior parte das baterias veiculares já desenvolvidas. Estima-se que, até 2020, o consumo subirá de 24 mil toneladas em 2010 para 54 mil 17. Sendo o lítio um minério não abundante e com reservas concentradas em poucos países (65% estão na Bolívia e no Chile), é possível vislumbrar um incentivo para a pesquisa de alternativas. Por ser reciclável, pode-se esperar também o crescimento da indústria de reciclagem. Naturalmente, o principal sistema atingido pela eletrificação veicular será o powertrain . Mesmo nos modelos em que o motor a combustão não é eliminado, as mudanças são diversas. De responsável pela tração, o motor a combustão assume papel de gerador de energia para alimentação da bateria nos modelos híbridos, representando uma alternativa à rede elétrica. Nessa configuração, a necessidade de potência e o modo de funcionamento são diferentes. A transmissão também sofre profundas modificações, tornando-se um componente eletrônico. Assim, espera-se uma aceleração da mudança de paradigma da indústria de autopeças, com a utilização cada vez maior de sistemas eletrônicos em substituição aos mecânicos. Os mercados de reposição também podem sofrer mudanças, tendo em vista que, por serem mais simples e com menos partes móveis, os motores elétricos provavelmente necessitarão de menor manutenção. Sistemas de diagnóstico à distância podem se tornar mais presentes no mercado automobilístico.
16 17
Book et al. (2009). Gonçalves (2010). 42
Uma alteração dessa ordem gera naturalmente espaço para novos entrantes. Os exemplos citados neste artigo, sobre as experiências brasileiras de desenvolvimento de veículos elétricos, dão uma amostra disso. Empresas geradoras de energia elétrica têm se interessado pelo tema, assim como empresas fornecedoras de equipamentos elétricos. Segundo Vian (2009), “o sistema elétrico brasileiro não deverá ter maiores problemas para atender à demanda dos carros elétricos”. No entanto, embora haja energia disponível, há dois fatores a considerar. O primeiro diz respeito à infraestrutura para recarga dos veículos elétricos. O argumento mais frequente é que as distâncias médias percorridas pelos automóveis nas cidades é menor que a autonomia do carro, o que permitiria que a recarga fosse feita apenas na residência do motorista. Porém, é um ponto que causa uma restrição a seu uso e, portanto, dificulta sua difusão. É possível vislumbrar uma proliferação de pontos de recarga em estacionamentos, por exemplo, e outros locais.
Figura 5 – Triciclo Pompéo (Fonte: Pompéo, 2010)
43
O segundo fator refere-se ao tempo de recarga, que pode ser considerado elevado em alguns casos. Algumas empresas estão pesquisando formas de fazer uma recarga rápida, com a disponibilização de tensões mais elevadas e consequente redução do tempo. Outra solução é a possibilidade de implantação de postos para troca das baterias 18, como tem sido testado em países de menor extensão territorial, como Israel e Dinamarca. É importante notar que esses problemas afetam mais os veículos elétricos puros que os híbridos, que normalmente possuem autonomia estendida pelo uso do motor a combustão. Outra solução é a possibilidade de implantação de postos para troca das baterias 19, como tem sido testado em países de menor extensão territorial, como Israel e Dinamarca. É importante notar que esses problemas afetam mais os veículos elétricos puros que os híbridos, que normalmente possuem autonomia estendida pelo uso do motor a combustão. Por fim, é possível que tanto o design quanto os materiais utilizados na fabricação do carro sofram alguma alteração, já que o peso do veículo influencia sua autonomia, a bateria é um conjunto relativamente pesado e a motorização do veículo elétrico difere substancialmente do veículo a gasolina. Veículos como o Pompéo, citado anteriormente neste artigo, tem um design que foge do padrão atual dos veículos. Na questão dos materiais, a título de ilustração, em abril de 2010, uma joint venture entre a montadora BMW e o SGL Group divulgou a intenção de construir duas plantas para fabricação de materiais compósitos de fibra de carbono, que são mais 18 19
Better Place (2010). Better Place (2010). 44
leves e mais resistentes que o aço, para utilização nos veículos elétricos a serem lançados 20. O que se pode concluir é que a proliferação de veículos elétricos parece ser uma interessante oportunidade para a entrada de outros players na indústria automotiva mundial.
O BNDES Principal provedor de crédito de longo prazo e agente relevante no mercado de capitais brasileiro, o BNDES deverá desempenhar papel de destaque na introdução dos veículos elétricos no Brasil. Um paralelo pode ser traçado com a atuação do Banco no apoio aos combustíveis alternativos. No campo industrial, ele financiou do desenvolvimento do sistema flex fuel à implantação de linhas de montagem dos modelos que incorporaram esta tecnologia. O BNDES também tem financiado toda a cadeia sucroalcooleira, atuando junto às usinas e aos fornecedores de equipamentos. Mais do que um provedor de crédito ou investidor em ativos, o BNDES atua como um interlocutor presente, empreendendo ações de fomento. A longa relação com o setor automotivo, com vários financiamentos concedidos, coloca o Banco em posição privilegiada para identificar as necessidades e potencialidades relacionadas a essa mudança paradigmática. Além disso, a abrangência do tema requer a adoção de políticas transversais com o envolvimento de diversos agentes na construção deste projeto. Nesse sentido, cabe ao BNDES ser um dos principais articuladores de um apoio estruturante, que viabilize a produção de veículos elétricos no Brasil. A divulgação dessa solução tecnológica constitui um dos principais focos de ação do BNDES nesse estágio inicial. Um exemplo foi o apoio institucional ao VE 2009, o maior evento de veículos elétricos do País, realizado em Campinas. No primeiro semestre de 2010, o Banco organizou Oficina de 20
Shields (2010). 45
Trabalho, que procurou ampliar a integração dos agentes relevantes. Ainda na esfera não financeira, o BNDES está presente nos principais debates, participando de grupos de trabalho no setor público e de reuniões com organizações que congregam as empresas do setor automotivo. Em decorrência dessas ações, procura-se identificar oportunidades para o desenvolvimento da indústria nacional. Em termos mais tradicionais, para apoiar a introdução dos veículos elétricos no País, o Banco dispõe de diversos instrumentos, disponíveis para pronta aplicação. Os esforços iniciais de desenvolvimento de tecnologia não existente no Brasil são elegíveis para a Linha de Inovação Tecnológica do BNDES, que com o Programa de Sustentação do Investimento (PSI), está, até dezembro de 2010, com o custo financeiro de taxa fixa de 3,5% aa. Os produtores de bateria são potenciais usuários dessa linha, que visa ampliar o conteúdo tecnológico da produção local. Novos componentes, como regeneradores de energia de frenagem, também merecem especial atenção. Uma alternativa é a Linha de Capital Inovador, que apoia empresas no desenvolvimento de capacidade para empreender atividades inovativas em caráter sistemático, por meio de investimentos tanto nos capitais intangíveis quanto nos tangíveis, incluindo a implementação de centros de pesquisa e desenvolvimento. Depois, quando a tecnologia atingir certo estágio de maturidade, as pesquisas passam a envolver adaptações à realidade regional, melhorias marginais nos sistemas ou modernização da capacidade produtiva necessária à absorção dos resultados do processo de pesquisa e desenvolvimento ou inovação. Complementarmente, as montadoras iniciarão a concepção de modelos. Nessa etapa, o apoio do Banco pode ocorrer através de linhas e programas, como o Programa BNDES Proengenharia e a Linha de Inovação Produção. O auxílio à implantação ou modernização de unidades produtivas, a forma mais tradicional de atuação do BNDES, é realizado através do Produto BNDES Finem. Idealmente, a etapa de produção leva ao mercado produtos que incorporam 46
tecnologias desenvolvidas localmente. O produto permite o apoio à entrada de novos players , o que, em alguns casos, pode assegurar a produção de certos componentes localmente. Naturalmente, os veículos elétricos comerciais – comerciais leves, caminhões e ônibus – contarão com o apoio à comercialização através do BNDES Finame e do Cartão BNDES, desde que atingido o índice de nacionalização mínimo de 60%. Adicionalmente, as linhas do BNDES Exim podem ser utilizadas para financiar exportação de veículos e componentes. Além dos pesados investimentos em desenvolvimento tecnológico e implantação de unidades produtivas, são esperadas operações de consolidação de empresas e entrada de novos players , que podem contar com a participação do Banco, através da BNDESPar, subsidiária do BNDES responsável pelas operações da instituição no mercado de capitais.
CONCLUSÕES O sucesso do veículo elétrico exige a superação de obstáculos, como logística, infraestrutura e resistência dos consumidores. A superação desses entraves na difusão de veículos movidos a etanol no Brasil fundamenta a assunção de perspectivas otimistas sobre o futuro da indústria automotiva local. Perpassando todo o processo, conforme apontado nas seções anteriores, a introdução de veículos elétricos será responsável por um profundo rearranjo na indústria automotiva, promovendo transformações na indústria. O setor precisará acompanhar esse movimento, a fim de manter sua posição como um dos principais produtores mundiais de veículos. Na presença de diversas oportunidades para ampliar o conteúdo tecnológico da produção local, as montadoras de veículos têm função decisiva na inserção do Brasil neste novo paradigma. O ritmo de difusão do veículo elétrico, acelerado recentemente por preocupações com segurança energética e 47
meio ambiente, dependerá, além de fatores técnicos, como o desenvolvimento tecnológico das baterias, de políticas públicas de incentivo, já adotadas em diversos países. O BNDES assume, portanto, papel central na articulação dos diversos atores e no fomento a iniciativas visando à geração e a difusão das novas tecnologias. A identificação de novas possibilidades, com consequentes ações de fomento, será essencial. Os esforços governamentais devem almejar que o Brasil, mais do que um simples produtor, consolide-se como um polo desenvolvedor e exportador de tecnologia, como foi alcançado no caso dos veículos a etanol. O leque de instrumentos do BNDES está disponível para este objetivo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BETTER PLACE. Charging electric vehicles (EVs) (site). Disponível em: http://www.betterplace.com/solution/charging/. Acessado em: 10 abr.2010. BOOK, M., GROLL, M., MOSQUET, X., RIZOULIS, D., STICHER, G. The comeback of the electric car? How real, how soon, and what must happen next. BCG, 2009. DEUTSCHE BANK. The Peak Oil Market. Price dynamics at the end of the oil age. Global Markets Research, out.2009. ELETRA. Empresa (site). Disponível em: http://www.eletrabus.com.br. Acessado em: 9 abr.2010. GONÇALVES, J.A. Carro verde? Só se a Bolívia deixar. Revista Exame , n.965, 31 mar.2010. GM. 2011 Volt – electric car (site). Disponível em: http://www.chevrolet.com/pages/open/default/future/volt.do. Acessado em: 9 abr.2010 IEA. World Energy Outlook . Paris, 2009. IPEADATA – http://www.ipeatada.gov.br. Acessado em: 9 abr.2009 ITAIPU. VE – Projeto veículo elétrico (site). Disponível em: http://www2.itaipu.gov.br/ve/. Acessado em: 9 abr.2010.
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MOBILIDADE ELÉTRICA NO BRASIL, UMA OPÇÃO DE FUTURO Eletrobras investe em pesquisa e parcerias estratégicas para apoio ao desenvolvimento do tema José Antonio Muniz Lopes * Orientada pela visão de ser referência mundial no negócio de energia elétrica limpa e renovável, com eficiência, rentabilidade e responsabilidade socioambiental, a Eletrobras vem participando ativamente do projeto de desenvolvimento de veículos elétricos (VEs), com apoio a pesquisas e ao desenvolvimento do tema. A concretização do veículo elétrico como uma opção para o transporte urbano nas grandes cidades brasileiras é uma idéia totalmente em sintonia com a missão e os objetivos das empresas Eletrobras. Devido à alta eficiência dos motores elétricos, eles propiciam o uso racional dos recursos naturais, além de não emitirem gás carbônico. A utilização desses veículos representará, ainda, a uma maior eficiência no uso da infraestrutura construída para atendimento ao mercado de energia elétrica. Além dessas vantagens mais evidentes, uma análise um pouco mais cuidadosa traz à tona outros aspectos que justificam plenamente os investimentos no projeto do veículo elétrico. Os benefícios ao meio ambiente e ao desenvolvimento são indiscutíveis, assim como a necessidade da criação de políticas adequadas e de tarifas diferenciadas. No que diz respeito aos interesses do setor de energia, o fato de os veículos serem utilizados essencialmente durante o dia constitui-se uma importante vantagem. Dessa forma, o período noturno poderá ser usualmente utilizado para a recarga das *
Presidente da Eletrobras.
baterias, incentivando o deslocamento da carga para este horário, fora do período de pico de consumo. Outra perspectiva vislumbrada é a futura integração dos veículos elétricos com o setor de energia, no âmbito do conceito conhecido mundialmente como smart grid . Esse conceito considera a possibilidade de utilização da energia armazenada nas baterias dos veículos conectados à rede, que podem atuar, então, como fonte de energia distribuída. A energia armazenada nas baterias pode ser devolvida à rede nos horários de maior demanda, aliviando o sistema elétrico. Imaginando-se um cenário futuro em que a quantidade de veículos elétricos seja significativa, tal perspectiva torna-se bastante interessante para o setor elétrico. Da mesma forma que a utilização do veículo elétrico como opção em nossas grandes cidades ainda exigirá a criação de políticas públicas adequadas, também a concretização plena desse conceito depende de inúmeros aprimoramentos tecnológicos. Atenta a essas perspectivas e consciente da importância do desenvolvimento dos veículos elétricos para a sociedade brasileira, a Eletrobras vem incentivando os estudos dessas tecnologias em seu conjunto de empresas. Além disso, convidou outras companhias de energia da iniciativa publica e privada interessadas no assunto, unindo forças e criando a massa crítica necessária ao desenvolvimento do projeto, com ações sinérgicas e aproveitamento do que cada instituição possui de melhor. Nesse sentido, a Itaipu Binacional vem tendo um papel fundamental. Por intermédio de acordos de cooperação tecnológica com a empresa KWO (Kraftwerke Oberhasli AG), do ramo de hidrelétricas, a empresa viabilizou um projeto de pesquisa para o desenvolvimento de veículos elétricos. Denominado “Veículo Elétrico”, o projeto visa à transferência 51
de know-how e à nacionalização dos componentes necessários à produção de veículos elétricos no Brasil. O projeto teve início em 2005, durante visita do presidente do conselho da KWO, Peter Schmid, a Itaipu, decorrente do acordo de cooperação tecnológica previamente existente. O objetivo inicial foi reunir esforços para o desenvolvimento de um veículo elétrico, viável técnica e economicamente, a partir de tecnologia existente e em uso em caráter experimental nas instalações da empresa na Suíça. Considerando a conformidade da proposta com as premissas de preservação do meio ambiente e os benefícios da transferência de tecnologia, a Eletrobras, em conjunto com a Itaipu Binacional, firmou o convênio 8226/2006. Em função da abrangência e da complexidade tecnológica exigidas pelo projeto, o convênio previu a inclusão de entidades parceiras, ligadas tanto à Eletrobras e à Itaipu quanto à KWO. Diversos ramos de atividades foram identificados como essenciais ao projeto, tais como baterias, acessórios eletrônicos, montadoras automotivas, motores elétricos e sistemas de controle, concessionárias de energia elétrica, institutos de pesquisa e universidades. Atualmente, o grupo de empresas envolvidas no projeto inclui: Eletrobras, Itaipu Binacional, Fiat, Iveco, Eletrobras Cepel, Copel, Lactec, Ande, Cemig, CPFL, Ampla, Light, WEG, Correios, Eletrobras Furnas, FPTE e Petrobras, além das empresas associadas à KWO. Por meio de pesquisas, realizadas de forma coordenada e sinérgica e com a parceria entre estas empresas e instituições de ensino envolvidos, o grupo pretende desenvolver tecnologia nacional para veículos movidos a eletricidade, com vistas a uma série de benefícios diretos e indiretos, dentre os quais se pode destacar: a preservação do meio ambiente; a pesquisa e o desenvolvimento de tecnologia 52
nacional; a capacitação de profissionais; a aquisição de know- how ; a geração de emprego e renda; a utilização do veículo elétrico em frotas próprias, reduzindo custos de combustível; a otimização da curva de carga, ampliando o consumo fora do horário de ponta para recarga das baterias ( smart grid ); a indução à produção de componentes nacionais; e o fomento à produção de veículos elétricos pelas indústrias brasileiras. Para condução do projeto, foram criados dois comitês, com a participação de representantes de todas as empresas envolvidas. Ao Comitê Gestor cabem as definições globais sobre o projeto, as deliberações sobre propostas do Comitê Técnico, o apoio à produção de componentes em território nacional, e ações governamentais visando à obtenção de recursos para P&D e de benefícios fiscais, com incentivo pela preservação do meio ambiente. Já o Comitê Técnico tem como atribuições o acompanhamento e a execução das pesquisas, a avaliação e análise dos resultados, a proposição de novas linhas de pesquisa e o subsídio ao Comitê Gestor nos aspectos técnicos. A parceria com a Fiat e a Iveco foram fundamentais para a montagem dos primeiros protótipos produzidos no Brasil. Utilizando sua engenharia e conhecimentos na área automotiva, as empresas integraram os componentes eletrônicos da MES-DEA, parceira da KWO no projeto “Veículo Elétrico”. Os protótipos, montados no Centro de Pesquisas e Desenvolvimento de Veículos Elétricos (localizado nas instalações da Itaipu Binacional), destinam-se à realização de ensaios reais, com utilização, na prática, das inovações desenvolvidas pelo projeto. Após uma série de ações, que incluíram a transformação do Fiat Palio Weekend em protótipo de veículo elétrico, a homologação do protótipo junto ao Denatran, a criação de infraestrutura básica para recarga dos veículos 53
elétricos, o treinamento básico para as empresas parceiras, ações junto ao governo para propiciar a redução de impostos para veículos não-poluentes e o desenvolvimento de protótipos de veículos elétricos para pequenas cargas e miniônibus elétricos, o projeto pode ser considerado um sucesso. Atualmente, mais de 30 unidades do protótipo, tendo como base o Fiat Palio Weekend, já estão nas ruas, integrando a frota das empresas parceiras (Eletrobras, Itaipu Binacional, Fiat, Copel, CPFL, Ampla e Light). Os protótipos do caminhão para pequenas cargas (tendo por base o Daily, da Iveco) e do miniônibus (com chassi do Daily e carroçaria da Mascarello) já foram desenvolvidos e estão em fase de avaliação. Foram desenvolvidos, ainda, sistemas de condicionamento de ar para utilização em veículos elétricos – nos quais os compressores tradicionais, acionados por motores a explosão, não são aplicáveis – e protótipos nacionais de power trains (sistemas de tração formados por conjuntos motor e inversor) para uso nos veículos em desenvolvimento. Estão em versão preliminar eletropostos que já permitem o reabastecimento e, futuramente, permitirão a tarifação da energia utilizada. E foram iniciados os estudos para verificar a adequação do uso dos veículos elétricos no conceito smart grid , com a integração à rede elétrica e a fontes alternativas. Ao mesmo tempo em que os avanços já alcançados apontam o sucesso da iniciativa, colocam no horizonte novos desafios, exigindo novas pesquisas e orientando, assim, os próximos passos da fecunda parceria criada. Ao longo do desenvolvimento do projeto, a Eletrobras identificou, por exemplo, que o ponto crucial do veículo elétrico está no acumulador de energia, o que requer o uso de baterias com tecnologia avançada. O desenvolvimento dessas baterias será extremamente benéfico, já que elas se prestam não apenas aos veículos elétricos, mas também à armazenagem de 54
energia de qualquer fonte, beneficiando, particularmente, a geração eólica e a fotovoltaica, além de outras fontes de energia alternativa. O projeto desenvolvido constitui, por outro lado, uma significativa análise de contexto sobre os desafios tecnológicos a serem vencidos para transformar o Brasil num importante player no segmento de veículos elétricos. O que se constatou é que a indústria nacional encontra-se alinhada a boa parte das modernas soluções utilizadas nos Estados Unidos e na Europa, requerendo esforços complexos, porém compatíveis com o cronograma projetado para este segmento. No que tange às baterias modernas, aplicadas à tração elétrica, existe uma grande lacuna na indústria nacional, consequência sobretudo dos altos investimentos requeridos, das incertezas relativas à produção e da inexistência de mercado. Para fazer frente a esta fraqueza, a Eletrobras e a Itaipu Binacional realizaram gestões junto ao Ministério de Ciência e Tecnologia e à Finep para o desenvolvimento de baterias modernas, utilizando o know how das parcerias internacionais e criando infraestrutura e recursos humanos necessários para o desenvolvimento e a produção, no Brasil, de baterias de sódio. Embora tenham sido pesquisadas outras baterias, as de sódio, similares à Zebra, do fabricante MES-DEA, apresentam vantagens insuperáveis frente a outros modelos: são recicláveis, os materiais são facilmente utilizados na indústria, apresentam peso reduzido quando comparadas às baterias de chumbo ácido de mesma capacidade de armazenamento (um terço do peso), não possuem efeito memória e usam matériaprima abundante. Utilizando-se de mecanismos de transferência de tecnologia, o projeto está em fase inicial de desenvolvimento e é mais uma prova dos benefícios que podem advir da 55
importante parceria entre empresas públicas e privadas e instituições de ensino. As empresas Eletrobras têm absoluta crença na validade do projeto dos veículos elétricos e continuarão investindo em pesquisa e desenvolvimento de tecnologias, incentivando a formação de parcerias em benefício do futuro de nosso país e do planeta. Além das iniciativas com projetos desta natureza, tem se verificado em outras partes do mundo para a fabricação de carros elétricos, que dependem de investimentos no seu desenvolvimento, mercado consumidor que viabilize a fabricação e outros tipos de incentivos. Estudos iniciais indicam que no Brasil um programa que tenha uma abrangência para o desenvolvimento e a utilização do carro elétrico, contribuiria com uma redução de cerca de 20 Mt de gás carbônico em veículos de passageiros e comerciais, considerando-se uma frota de cerca de 10% utilizando esta tecnologia. O tamanho do mercado automobilístico brasileiro, as metas de redução previstas, a infraestrutura do sistema elétrico nacional já disponível e a possibilidade da competitividade das tarifas a serem praticadas seriam fatores motivadores para que grandes montadoras instalassem seu parque fabril no país. A participação de entidades do governo e da iniciativa privada na elaboração do plano, nas diversas vertentes do conhecimento, é fator critico de sucesso, e uma empresa no setor elétrico junto de outros catalisadores para o setor automobilístico pode levar ao sucesso do programa. As empresas Eletrobras têm absoluta crença na validade do projeto dos veículos elétricos e continuarão investindo em pesquisa e desenvolvimento de tecnologias, incentivando a formação de parcerias em benefício do futuro de nosso país e do planeta. 56
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CARRO ELÉTRICO: DESAFIO E OPORTUNIDADE PARA O BRASIL *
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Nelson Barbosa , Dyogo Oliveira e Jose Antonio P. Souza
INTRODUÇÃO A preocupação global com o meio ambiente e com a preservação dos recursos naturais provoca uma transformação tecnológica na indústria automobilística mundial. De forma cada vez mais consensual, veículos elétricos são vistos como parte fundamental da solução dos problemas de emissão de poluentes, utilização de combustíveis fósseis e transporte urbano eficiente e silencioso. Diversas projeções indicam que nas próximas três décadas o veículo elétrico será o vetor principal da transformação na indústria automobilística. A convergência global no sentido da utilização de veículos elétricos é reforçada, em vários países, por uma série de políticas públicas de apoio ao desenvolvimento de novas tecnologias. Os sistemas de propulsão automotiva baseados total ou parcialmente na eletricidade podem obter reduções na emissão de CO2 e contribuir, de forma decisiva, para minorar os problemas ambientais e a dependência de combustíveis fósseis. Incentivados pelas regulações governamentais cada vez mais restritivas em relação ao meio ambiente e pela busca de maior independência dos combustíveis não-renováveis, todos os maiores fabricantes de automóveis do planeta procuram desenvolver de forma acelerada, tecnologias elétricas para seus veículos. De modo a responder ao desafio de construir um veículo elétrico viável, a indústria automotiva investe valores *
Secretário de Política Econômica do Ministério da Fazenda. Secretário-adjunto de Política Econômica do Ministério da Fazenda. *** Assessor da Secretaria de Política Econômica do Ministério da Fazenda. **
substancias em P&D para validar as novas tecnologias de propulsão elétrica. O futuro da trajetória tecnológica para o veículo elétrico está sujeito a debates e especulações. Parece certo que nas próximas décadas veículos elétricos participarão de forma preponderante na frota mundial. A divergência principal é quanto à velocidade desta convergência na adoção das tecnologias elétricas. Nesse sentido, a inovação tecnológica abre oportunidades que devem ser avaliadas de forma consistente, tanto pelo setor automotivo, quando pelos formuladores de política nacionais, sob pena de condenar os países com inserção retardatária ao papel de meros compradores dos produtos finais a serem desenvolvidos nos maiores centros automotivos. O veículo totalmente elétrico, contudo, é apenas o ponto final de uma trajetória evolucionária que contém diversos estágios. De qualquer modo, fica claro que é fundamental a preocupação com o desenvolvimento e a adoção das novas tecnologias elétricas tanto pela indústria quanto pelos formuladores de política econômica. O correto posicionamento em relação à tecnologia elétrica dominante no futuro será de grande importância para a indústria nacional de países com grandes mercados domésticos, como é o caso do Brasil. Além disso, nosso país já conta com algumas características que podem alavancar um desenvolvimento mais consistente no sentido de tecnologias veiculares elétricas. Desta forma, mapear as novas tecnologias que possam estimular o desenvolvimento da indústria automotiva, bem como propor orientações estratégicas para políticas públicas de apoio a estas novas tecnologias é fundamental. Neste artigo apresentamos algumas propostas para estruturação de políticas públicas voltadas para o desenvolvimento, produção e utilização de veículos elétricos no Brasil. O artigo está assim estruturado: após esta introdução, a seção 2 faz um panorama dos veículos elétricos e híbridos, 59
mostrando o desenvolvimento atual e as perspectivas nas áreas de baterias, sistemas e motores; a seção 3 discorre sobre as alternativas de política pública para apoiar do desenvolvimento da indústria dos veículos elétricos.
PANORAMA DOS VEÍCULOS ELÉTRICOS E HÍBRIDOS A busca por soluções para viabilizar o carro elétrico não é exatamente nova na indústria automotiva. De fato, no início da história dessa indústria, soluções com propulsão elétrica disputavam espaço com outras tecnologias. A solução com motor a combustão se sobrepôs devido principalmente a sua funcionalidade, economicidade e autonomia. É importante lembrar que no início do século XX os preços do petróleo eram bastante reduzidos. A preocupação com fontes alternativas de energia e mesmo com o consumo de combustível só volta a ser central na indústria após o primeiro choque do petróleo, com enorme impacto no preço dos combustíveis. Naquele momento, a indústria se voltou principalmente para a produção de veículos menores e motores mais econômicos. Os veículos elétricos só ressurgem como tema central na indústria na década de 1990 e mais fortemente após a virada do milênio. A volta dos elétricos ao palco central está intimamente ligada aos preços cada vez mais altos dos combustíveis fósseis, à perspectiva de seu esgotamento e à forte pressão dos governos e da sociedade por soluções mais sustentáveis ambientalmente. Na questão ambiental, é fundamental a entrada no cenário das preocupações com o aquecimento global e com a emissão dos gases relacionados ao efeito estufa, dentre os quais o CO2. Este gás é a principal preocupação concernente aos motores a combustão. Esta nova preocupação com o aquecimento global se soma às questões relativas aos gases 60
poluentes, que já eram objeto da regulamentação e dos principais programas de controle de emissões. Este quadro altera o curso da indústria porque a emissão de gases poluentes está ligada principalmente à qualidade do combustível e à eficiência do motor, mas a emissão de CO2 é intrínseca à queima do combustível. A redução de sua emissão só é possível com alternativas de combustível e redução no consumo. A indústria continua avançando nesses dois temas, mas existe um limite tecnológico para tal avanço, limite este que só pode ser transposto com veículos que não utilizem a combustão, ou a utilizem apenas de forma complementar à fonte principal. O veículo elétrico se apresenta como uma solução devido aos seguintes motivos: primeiro, porque seu uso não implica qualquer emissão de gases. Há que se alertar, contudo, que a depender da matriz energética do país, pode haver mais ou menos emissões nos elos anteriores dessa cadeia. Segundo, os carros elétricos também se apresentam vantajosos em relação à poluição sonora, pois os níveis de ruídos dos motores elétricos são bem inferiores aos dos motores a combustão. Terceiros, existem também vantagens financeiras na utilização dos veículos elétricos. O custo por quilômetro rodado situa-se abaixo do custo do veículo tradicional e exigências de manutenção são menos freqüentes. Um motor a combustão possui de 300 a 400 partes móveis, enquanto um elétrico tem três. Quarto, a mecânica do veículo elétrico também é mais simples, pois este não tem itens como caixa de marchas e bomba de combustível; por exemplo, os motores elétricos não precisam de óleos lubrificantes. Conforme se pode observar no Quadro 1, abaixo, o custo de rodagem por quilômetro é de 23 centavos no carro movido com motor a combustão enquanto o carro elétrico tem custo de 6 centavos. Naturalmente, essa relação pode variar 61
dependendo dos preços relativos de combustível e energia elétrica. As principais desvantagens dos veículos elétricos estão relacionadas ao custo de aquisição e à autonomia. O problema da autonomia é satisfatoriamente resolvido pelos modelos
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Quadro 1 Comparação dos Custos de Rodagem: Carro Elétrico vs Tradicional
Carro Tradicional Preço km/dia Km/Mês km/l Litros Combustível 50 1500 11 136,36 R$ 2,50 Carro Elétrico Energia Custo do km /dia Km /Mês kW h/km (kWh) kW h 50 1500 0,18 270 R$ 0,35 Fonte: ANEEL , ABVE 1
Custo por km 340,91 R$ 0,23
Custo Mensal R$
Custo por km 94,50 R$ 0,06
Custo Mensal R$
híbridos, mas a questão do custo de aquisição permanece um desafio. Os modelos atualmente disponíveis comercialmente apresentam preços bem maiores que seus equivalentes tradicionais. Grande parte desse diferencial de preços é derivada do custo das baterias, das alterações estruturais necessárias para adaptá-las no veículo e da pequena escala de produção. Também não são desprezíveis os problemas do tempo de recarga das baterias, atualmente entre 4 e 8 horas 21, e do peso delas. Veículos elétricos e híbridos Por definição o veículo elétrico é qualquer veículo que possua ao menos uma roda propulsada por motor elétrico. O veículo híbrido, por sua vez, pode ser definido como o veículo que combina ao menos duas fontes diferentes de energia. Existem diversos veículos e configurações que se adaptam a essas definições. Neste trabalho, no entanto, estaremos utilizando esses termos em referência aos automóveis de passageiros de dois ou mais lugares e aos caminhões, ônibus e comerciais leves. Quando nos referirmos aos veículos híbridos, estaremos nos referindo aos híbridos elétricos. Diante dos desafios na consolidação da tecnologia elétrica, o veículo híbrido tem se revelado uma etapa intermediária na evolução tecnológica mundial em direção ao elétrico. Há diversas alternativas de híbridos. As principais são o híbrido em série e o híbrido em paralelo. Também tem se apresentado com destaque, em ambos os casos, a variação com tecnologias plug-in , onde a bateria pode ser carregada diretamente por meio de uma tomada conectando o veículo à rede elétrica. O que os diferencia é que no híbrido em série o motor a combustão interna aciona um gerador para carregar as baterias, que envia energia para o motor elétrico. Neste sistema, o motor a combustão interna tem a função de gerar a 21
VIAN, Angelo (2009): Veículos Elétricos e a Rede Elétrica: Impactos sobre a rede de distribuição. In: Seminário e Exposição de Veículos Elétricos, 6, Campinas-SP.
energia necessária para o funcionamento do motor elétrico, para que este conduza as rodas do veículo. Portanto, o motor a gasolina nunca movimenta diretamente o veículo. Já no híbrido em paralelo, o motor a combustão é usado na propulsão e é complementado em momentos de aceleração ou em aclives por um motor elétrico. Os principais elementos constitutivos dos veículos elétricos são a bateria, o sistema eletrônico de controle, e o motor elétrico. Os híbridos possuem, além disso, um motor/gerador. Em geral, todos possuem um sistema de frenagem regenerativa que permite gerar energia nos momentos de frenagem. Baterias Atualmente, o principal desafio tecnológico dos carros elétricos/híbridos está relacionado às baterias, as quais são determinantes da autonomia do veículo. As baterias representam atualmente um importante item de custo, algo em torno de 20 % do custo do veículo. A pesquisa neste tema está concentrada no desenvolvimento de baterias com novos produtos químicos e avaliação sobre seu uso em diferentes circunstâncias. Dentre os principais tipos de baterias aplicados a veículos elétricos tem-se: baterias de sódio, chumbo-ácido e íons de lítio. Há muito espaço para a evolução tecnológica das baterias, pois existem muitas alternativas em desenvolvimento e porque a pesquisa só tomou grande impulso nos últimos 20 ou 30 anos com a necessidade criada pelos eletrônicos portáteis (brinquedos, celular, notebooks, etc.). Os principais determinantes do custo das baterias residem no elevado valor dos materiais e da produção quando realizada em pequenas escalas. Observa-se que uma planta com capacidade de produção de 10.000 baterias chega a ter um custo por bateria de 60 a 80% acima do custo de uma 65
planta para 100.000 unidades 22. O pequeno volume de produção atual dos veículos elétricos limita, assim, o crescimento da produção das baterias. Os principais tipos de baterias hoje utilizadas em veículos elétricos são as chumbo-ácido, as de sódio e as de íon de lítio. O projeto de bateria em geral exige um trade-off entre duas categorias fundamentais: potência e densidade energética (ou seja, a sua capacidade de reter mais energia num volume reduzido). Em veículos elétricos, a potência tem relação à velocidade com a qual o veículo acelera e a segunda com sua autonomia. Nesse ponto surge o desenvolvimento das baterias de íon de lítio, que fornecem desempenho superior em ambos, se comparadas às demais tecnologias utilizadas. A utilização das baterias de lítio, por sua vez, traz o problema da escassez deste elemento no mundo. Segundo o U.S. Geological Survey23, o Chile foi o maior produtor em 2009, seguido por Argentina, China e Estados Unidos. Os EUA são o maior importador de minerais e compostos de lítio e o maior produtor de materiais de lítio com valor agregado. Os maiores recursos conhecidos estão na Bolívia e Chile. O lítio utilizado na bateria pode ser reciclado. Atualmente não existem fabricantes de baterias de íon de lítio no Brasil, mas já temos ampla utilização e produção das baterias chumbo-ácido para veículos elétricos industriais, como empilhadeiras, paleteiras e rebocadeiras, pois este tipo de bateria possui ótimo custobenefício nestes casos. Uma estimativa do custo dos tipos de bateria indica que atualmente as de chumbo-ácido têm custo mais baixo e as de íon de lítio um custo mais elevado. Este diferencial pode ser 22
Electrification Coalition – “Electrification Roadmap, Revolutionizing Transportation and Achieving Energy Security”; 2009. 23 U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2010. 66
explicado pela densidade energética das baterias. Enquanto que a gasolina, por exemplo, possui densidade energética de 12.200 Wh/kg, as baterias de íon de lítio estão em torno de 170 Wh/kg24. No Quadro 2 apresentamos uma comparação dos principais tipos d A fabricação de baterias é dominada, atualmente, por companhias asiáticas, líderes tanto em P&D, quanto no estabelecimento de parcerias, que são fundamentais para a comercialização dos produtos. A pesquisa e fabricação de baterias atraem atualmente bilhões de dólares em investimentos. Estimativas colocam o mercado de veículos elétricos na marca de US$ 100 bilhões somente nos EUA já nesta década. Atualmente as baterias de íons de lítio são a melhor alternativa para os veículos elétricos, o que representa um forte obstáculo para a adoção do carro elétrico no Brasil, pois não há qualquer produção relevante relevante desse tipo de baterias e o registro de pesquisas envolvendo essa tecnologia é bastante reduzido. Atualmente as baterias de íons de lítio são a melhor alternativa para os veículos elétricos, o que representa um forte obstáculo para a adoção do carro elétrico no Brasil, pois não há qualquer produção relevante relevante desse tipo de baterias e o registro de pesquisas envolvendo essa tecnologia é bastante reduzido. Sistemas de Controle e Motores Elétricos Outro elemento crítico do sistema do carro elétrico é o sistema de controle eletrônico. Esse sistema é responsável pelo controle dos demais elementos do veículo e sua funcionalidade permite otimizar o uso das baterias e melhorar o
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BAPTISTA, Luiz Antônio de Souza (2009): Baterias e Células de Combustível nos Veículos Elétricos. In: Workshop de Tecnologias Tecnologias de Veículos Elétricos, 1, Campinas-SP. Campinas-SP. 67
Quadro 2
Bate Bateri ria a Ener Energi gia a (Wh/ (Wh/kg kg)) Chumbo-ácido 35-45 NiMH 70 NiNaCl2 90 - 125 Íon de lítio 150 - 200
Potê Potênc ncia ia (W/k (W/kg) g) Cicl Ciclos os[1 [1]] Cust Custo o (US$ (US$/k /kWh Wh)) 250 400 - 500 160 – 210 350 1350 - 1550 780 – 930 150 – 200 1000 - 3000 300 – 700 400 1000 - 3500 900 - 1200
Fonte: ABVE, 2010 [1] Ciclos referem-se ao número total de cargas-recargas que uma bateria rende antes de não mais poder reter carga.
desempenho do carro. Esse sistema deve ser adaptado às características específicas de cada modelo e provavelmente será objeto de segredo industrial dos fabricantes. Ao contrário do caso das baterias, a participação do Brasil no desenvolvimento dos sistemas eletrônicos é bastante viável. Há um fabricante nacional que já conta com seu próprio sistema de controle e há vários desenvolvimentos em curso. Além disso, o país forma anualmente mais de 300 engenheiros eletrônicos e 15 mil graduados em ciência da computação e afins. Existem também centros tecnológicos como o CENPRA – Centro de Pesquisas Renato Archer, o C.E.S.A.R – Centro de Estudos e Sistemas Avançados do Recife, o LSI – Laboratório de Sistemas Integráveis, dentre outros que podem participar do desenvolvimento e da formação de recursos humanos necessários. Os motores elétricos por sua vez são uma tecnologia bastante conhecida. Este tipo de motor possui características especiais e deve atender a parâmetros de desempenho bastante restritivos de peso, rotação, torque e consumo de energia. No entanto, construí-lo não é um desafio tecnológico de difícil transposiçã t ransposição, o, pois as soluções utilizadas nos modelos de veículos existentes atualmente já são bastante satisfatórias. Vale notar que a introdução dos motores elétricos traz um importante ganho de eficiência energética, pois, enquanto os motores tradicionais têm a eficiência de 20 a 30%, motores elétricos conseguem transformar em torno de 90% da energia elétrica em energia mecânica 25. O custo dos motores elétricos e demais componentes eletrônicos não são tão críticos quanto o das baterias. Entretanto, investimentos também são necessários, de maneira que o desenvolvimento e a produção em grandes escala se tornem oportunidades de redução de custos. Desta forma, em relação ao motor elétrico, o Brasil está bem posicionado. Além 25
Electrification Coalition – “Electrification Roadmap, Revolutionizing Transportation and Achieving Energy Security”; 2009.
disso cabe ressaltar que o país conta com um dos maiores fabricantes mundiais de motores elétricos, responsável pela produção de cerca de 40 mil motores por dia, dos mais variados tipos, em unidades fabris em vários locais do mundo. O país conta ainda com boa capacidade de desenvolvimento tecnológico nessa área. Infraestrutura de carregamento de carros elétricos A ampla utilização dos carros elétricos implica ainda duas questões importantes: a necessidade de infraestrutura de recarga e a geração da energia necessária.Veículos elétricos precisarão de “pontos de abastecimento” para suas baterias. Apesar ser muito provável que uma grande parte dos carregamentos seja feito em casa durante a noite, são necessários postos em vias públicas para garantir uma maior flexibilidade ao sistema. Outra opção seria a implantação de postos de troca de bateria, em que a bateria descarregada é retirada do veículo e uma previamente carregada é colocada. A sistemática de troca de baterias implica padronização das mesma e elevado custo de carregamento do estoque. Com algumas poucas exceções (cuja implantação está ocorrendo em Israel, Portugal, Dinamarca, Califórnia, dentre outros), esta infra-estrutura inexiste atualmente. Em relação à capacidade de geração nacional, estimativas otimistas existentes indicam que em 2020 haverá cerca de quatro milhões de veículos elétricos no Brasil. Considerando uma média de 10 mil km/ano por veículo, teríamos um acréscimo de demanda da ordem de 6 TWh, correspondente a menos de 1% do consumo de energia previsto para aquele ano, o que não acarretaria problemas insolúveis em termos energéticos 26. Os principais desafios estariam relacionados às diferenças de voltagem (já que 26
Vian, Angelo (2009): Veículos Elétricos e a Rede Elétrica: Impactos sobre a rede de distribuição. In: Seminário e Exposição de Veículos Elétricos, 6, Campinas-SP. Campinas-SP. 70
voltagens mais altas permitem uma recarga mais rápida), e à administração dos picos de energia da rede, pois a recarga se concentrará em determinadas horas, a exemplo da utilização de chuveiros elétricos ao final do dia. A despeito do diferencial de custo e dos desafios tecnológicos e de infra-estrutura que ainda devem ser superados, o carro elétrico é uma realidade comercial. Há consenso entre especialistas, pesquisadores e a própria indústria automotiva que o futuro reserva um enorme espaço para os veículos elétricos. Vários estudos e consultorias especializadas apresentam estimativas de taxa de penetração dos veículos elétricos para os próximos anos. O Gráfico 1, abaixo apresenta a estimativa que é adotada pela Associação Brasileira de Veículos Elétricos. Segundo os dados da ABVE no ano 2020 os carros elétricos (puro e híbrido) devem representar cerca de 20% dos veículos vendidos. Também se destaca a projeção de que os híbridos ficarão estagnados em torno de 30% do mercado, enquanto os elétricos puros continuarão tendo crescimento de participação, ultrapassando os híbridos pouco depois de 2025. Os números aqui não são especialmente relevantes. O que importa é notar a previsão para um forte crescimento.
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Gráfico 1 Participação dos Carros Elétricos no Total de Veículos Vendidos - % Estimativa para o Brasil V EH
V EHP
To ta l
80 70 60 50 40 30 20 10 0 2 01 0
Fonte: ABVE
2 01 5
2 02 0
2 02 5
2 03 0
POLÍTICA ECONÔMICA E O VEÍCULO ELÉTRICO Como já mencionado, as projeções para a participação dos carros elétricos revelam que, nos próximos 20 anos, eles ainda serão minoritários no mercado. Portanto, haverá predominância dos carros com motor a combustão e dentre eles, os movidos a biocombustíveis terão, com já é o caso hoje, forte participação. Todas as principais montadoras do planeta possuem modelos elétricos. Muitas delas já possuem modelos comerciais. Os modelos de maior destaque neste momento são o Prius, da Toyota, e o Volt, da GM, ambos híbridos. Comercialmente, os carros puramente elétricos ainda não são competitivos. Muitos apostam que esta situação se manterá nos próximos cinco ou dez anos. Mas, como vimos no Gráfico 1, também se espera que haja uma inversão no futuro. O Brasil, no entanto, ainda não faz parte do mercado do carro elétrico. Sua introdução em escala comercial dependerá, em nosso entendimento, de algumas decisões de política pública, particularmente em relação à regulamentação ambiental, e incentivos tecnológicos e fiscais. O Brasil tornou-se líder em carros movidos a biocombustíveis (etanol e biodiesel) como resultado de políticas públicas executadas desde a crise do petróleo nos anos 70. Contudo, nas condições previstas para a demanda mundial por combustíveis fósseis e para a produção de biocombustíveis, estima-se que as tecnologias atualmente utilizadas não permitirão a substituição completa da gasolina e do diesel pelo etanol/biodiesel. As pesquisas sobre produção de biocombustíveis de outras fontes (a exemplo do etanol de celulose) continuam, sendo que o Brasil possui interesses comerciais relevantes e liderança tecnológica nesta área. Dados os custos envolvidos, bem como a incerteza inerente ao desenvolvimento tecnológico, o governo possui, e
continuará a possuir, papel fundamental para promover o desenvolvimento e a adoção de novas tecnologias na indústria automotiva. Este papel consiste, basicamente, no estímulo à pesquisa e ao desenvolvimento, juntamente com a elaboração de incentivos para que sejam adotados meios de transporte menos poluentes e mais eficientes, especialmente nos grandes centros urbanos. Tais políticas vêm sendo adotadas por outros países,como nos casos dos EUA, Alemanha e França. O governo dos EUA, por exemplo, anunciou em agosto de 2009 a concessão de US$ 2,4 bilhões em recursos federais para ajudar empresas e universidades na criação de baterias e veículos híbridos e elétricos. Existe ainda subsídio de US$ 7.500 para aquisição de veículos elétricos. A Alemanha, por sua vez, aprovou programa viabilizando a concessão de incentivos para a aquisição de até 100 mil veículos elétricos de passeio; o governo alemão também incentivará a pesquisa sobre locomoção elétrica e desenvolvimento das normas de construção de tais veículos, passando pelas tecnologias de baterias aos sistemas de recarga. O governo alemão pretende investir 500 milhões de euros até 2015 na cooperação entre a indústria, centros de pesquisa e setor público. Já a França anunciou em outubro de 2009 a ampliação dos esforços rumo à utilização do veículo elétrico, disponibilizando 2,5 bilhões de euros a serem investidos em desenvolvimento da tecnologia dos carros elétricos, subsídios e construção de infra-estrutura. Os franceses também anunciaram a instalação de uma fábrica de baterias de lítio com capacidade de produzir 50 mil unidades em 2011 e 250 mil em 2015. O Brasil, 5º maior consumidor e 6º maior produtor mundial de veículos, não pode dar ao luxo de ficar atrasado. 74
Cinco áreas básicas de atuação podem ser adotadas pelo governo brasileiro para os próximos anos. Em primeiro lugar, o governo deve dar continuidade ao processo de restrição às emissões, gerando assim, incentivo para a migração para novos padrões tecnológicos. Em particular, faz-se necessária uma nova geração de padrões que leve em consideração não apenas a emissão durante o uso do veiculo, mas também ao longo de toda a cadeia produtiva do combustível e do veículo. Além disso, o governo deve unificar os programas de etiquetagem. O governo promove dois programas atualmente. O INMETRO instituiu, em parceria com a PETROBRAS/CONPET (Programa Nacional de racionalização do Uso dos Derivados do Petróleo e do Gás Natural), o Programa Brasileiro de Etiquetagem Veicular com o objetivo de permitir que o consumidor compare a eficiência energética de veículos de uma mesma categoria. Atualmente seis montadoras participam do programa, com 67 modelos, que correspondem a 50% do volume de vendas no mercado nacional. Em 2009 o Ministério do Meio Ambiente ainda lançou em 2009 a “Nota Verde”, “ ranking” para classificação dos carros de passeio que circulam no País. Atualmente, são analisados aproximadamente 400 modelos de veículos, inclusive importados, sendo que os veículos são classificados de acordo com suas emissões de CO 2 e outros poluentes. Os incentivos fiscais constituem a segunda área básica para atuação do governo. Atualmente, os carros híbridos e elétricos, por não possuírem uma classificação própria na tabela de incidência do IPI (Imposto sobre Produtos Industrializados), pagam a mais alta alíquota desse imposto para veículos (25%). No campo da tributação, é possível, portanto, fazer alguns avanços rápidos, como a redução do IPI para um patamar próximo ao dos demais veículos, mas isso seria insuficiente. De fato, é necessário considerar que há um 75
diferencial de preço que precisa ser reduzido para viabilizar a comercialização do veículo elétrico em escala industrial. O tamanho desse diferencial ainda não se pode estimar, pois não há versões elétricas sendo comercializadas no Brasil. Outros impostos que poderiam ser utilizados incluem o IPVA, o IPI, o ICMS e o II>. Não se pode descartar de pronto a necessidade de alguma complementação na forma de bônus ou subvenção. Muitos países têm adotado esse mecanismo para incentivar a aquisição de carros elétricos. No caso do Brasil, a concessão de bônus poderia estar ligada à renovação da frota. Isso geraria um duplo benefício, pois retiraria do mercado carros antigos, em geral muito poluente e com elevadas emissões, substituindo-os por carros elétricos. Em terceiro lugar, o Brasil deve estimular a P&D sobre carros elétricos (puros e híbridos). O país possui atualmente vantagens competitivas e conhecimentos suficientes para avançar nas áreas de motores elétricos e sistemas eletrônicos. A área de baterias, como visto anteriormente, representa o desafio maior, o que não impede que a pesquisa também seja estimulada, especialmente nas universidades. Além disso, o desenvolvimento de carros híbridos baseados em biocombustíveis é uma área na qual o Brasil possui boas condições para se tornar líder mundial. Embora o país possua um amplo e exitoso programa de apoio ao desenvolvimento científico e tecnológico, nos parece que o desenvolvimento dos carros elétricos no Brasil, exigirá recursos adicionais e instrumentos específicos. Um centro de pesquisa dedicado exclusivamente aos problemas do carro elétrico em suas três principais áreas (baterias, combustíveis, engenharia) poderia, a exemplo de experiências exitosas anteriores, como o Centro Tecnológico de Aeronáutica e a EMBRAPA, catalisar os desenvolvimentos tecnológicos ora em 76
curso, procurando captar também as vantagens decorrentes de uma maior integração com os países sul-americanos em termos de consolidação do mercado. Todo o esforço de desenvolvimento deve ser coordenado com as montadoras, já que o desenvolvimento dos veículos é feito pelas mesmas, sendo fundamental que participem e coordenem projetos de desenvolvimento complementar. No estágio atual, o que é possível fazer no Brasil é o desenvolvimento incremental. Não se deve esperar que as empresas tragam seus centros de desenvolvimento para o Brasil, mesmo porque estão sendo objeto de forte apoio em seus países de origem. Também não se deve esperar o desenvolvimento de inovações radicais, pois estas demandam investimentos muitos vultosos e tempo. Além disso, outros países já estão investindo nessa tecnologia a mais de 20 anos. O desenvolvimento incremental, no entanto, não deve ser menosprezado, pois ele é responsável por grande parte da inovação tecnológica no mundo. No caso em tela, permitiria um alto índice de nacionalização na produção dos veículos elétricos, sua adaptação para as condições de tráfego no Brasil e o desenvolvimento de modelos adaptados ao nosso mercado. Além disso o Brasil pode se tornar plataforma de desenvolvimento de produtos para a América Latina, África e países emergentes. Em quarto lugar, o Brasil também pode estimular o desenvolvimento de novas tecnologias através de uma política de compras governamentais, especialmente na área de transporte público. Os ônibus merecem uma atenção especial. Atualmente, o Brasil possui uma avançada indústria montadora de ônibus. O desenvolvimento de ônibus híbridos, por sua vez, constitui-se num dos vetores da mudança tecnológica. O poder público tem capacidade de influenciar muito fortemente a adoção de ônibus híbridos e é possível usar o poder de 77
regulamentação do transporte público e de compras como instrumentos de incentivo. No transporte de cargas leves observamos igualmente uma grande movimentação. Os fabricantes de ônibus, de caminhões e de comerciais leves têm apresentado seguidamente modelos com propulsão elétrica. O mercado de ônibus o Brasil tem uma peculiaridade que pode se tornar uma vantagem competitiva importante. No Brasil, a indústria de montadoras de ônibus é segmentada, com os fabricantes multinacionais tradicionais produzindo os motores e chassis e uma indústria genuinamente brasileira fazendo o encarroçamento (montagem final). O país é um grande exportador de ônibus. Em 2008 foram exportados 15.689 unidades e em 2009, apesar da crise, foram exportados 9.896 unidades. A adoção do ônibus elétrico pode tornar o Brasil o fornecedor desse tipo de equipamento para toda América Latina, África e outras áreas. Em quinto e último lugar, o Brasil deve iniciar a adequação de seu planejamento energético à previsão do uso crescente de veículos elétricos para os próximos dez anos. Tal planejamento envolve não somente o aumento na geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis, mas inclui também mais pesquisas sobre administração de redes e fornecimento de fontes de carregamento em voltagem adequada às necessidades do sistema de transporte.
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AS DUAS ESTRUTURAS DE INCENTIVO Nelson Barbosa, Dyogo Oliveira e Jose Antonio P. Souza
Dois artigos deste livro trazem propostas diferentes para a açao governamental no apoio ao desenvolvimento tecnológico necessário para a implantação do carro elétrico. No artigo assinado por Rezende, Mota e Duarte, propõe-se atuação nas linhas já existentes no Ministério da Ciência e Tecnologia. Especificamente, a proposta consiste em utilizar os programas de formação de pessoal, a subvenção econômica e a Rede Sibratec. A formação de pessoal é uma das linhas básicas do sistema nacional de apoio à inovação tecnológica. Esse papel tem sido desenvolvido há bastante tempo por meio do CNPQ, CAPES, FINEP e Universidades. A subvenção econômica para inovação nas empresas é um instrumento relativamente novo. Foi criado pela lei 10.973/2004 (Lei da Inovação). Ela consiste no compartilhamento dos custos dos projetos de inovação entre as empresas e o governo. A contribuição do governo é não retornável e a contrapartida das empresas é obrigatória. Quanto maior for a empresa, maior é a exigência de contrapartida. O processo de seleção, normalmente, é o edital de seleção de propostas, que estabelece as áreas prioritárias, os volumes de recursos disponíveis e os critérios de elegibilidade das empresas. A rede Sibratec é constituída a partir de centros tecnológicos, universidade, grupos de pesquisa e pesquisadores já disponíveis. Para cada tema ou setor podem ser constituídas redes (até mesmo em nível regional). Uma vez constituída a rede, as empresas podem apresentar propostas de projetos ou
problemas técnicos para os quais necessita de solução. O problema é repassado às instituições que formam a rede que então se organizam para formatação de uma resposta. Já no artigo assinado por Barbosa, Oliveira e Souza propõe-se a criação de um Centro Tecnológico especialmente dedicado a Indústria Automotiva. Esta teria, então, dedicação exclusiva aos temas dessa indústria e, particularmente, ao desenvolvimento do carro elétrico. Chama a atenção o fato de o Brasil ainda não possuir um centro dessa natureza. Países como Japão, Coréia, Alemanha, Espanha e outros possuem centros especializados na indústria automotiva. O Brasil, sendo o 6° maior produtor mundial de automóveis não possui uma infraestrutura desse tipo. O Brasil tem exemplos semelhantes em outras áreas: CTA (aeronáutica), Embrapa (agropecuária), Ceitec (semicondutores) e outros. As montadoras instaladas no Brasil possuem estruturas próprias de engenharia e desenvolvimento, mas não há um espaço onde possam ser realizados projetos conjuntos. As potencialidades de um centro dedicado ao setor automotivo são diversas: desenvolvimento de tecnologia nacional, compartilhamento de custos de desenvolvimento entre as empresas e com o governo, formação de pessoal altamente qualificado, criação de centro de referência para a indústria, ganhos de escala no desenvolvimento, ganhos de aglomeração, transbordamento do conhecimento, cooperação internacional, etc. O carro elétríco se mostra um caso particularmente adequado para a cooperação porqueo principal problema enfrentado hoje é o das baterias que inflige a todos os fabricantes igualmente. Dado o tamanho do desafio que ainda representa o desenvolvimento e implantação do carro elétrico, a absorção e o desenvolvimento de tecnologia são cruciais para o Brasil tomar80
se um participante qualificado nesse mercado ainda que não possua montadoras de origem nacional. Ter um ambiente próprio para isso nos parece a forma adequada de organizar a ação do estado e estabelecer a cooperação necessária com as empresas, principalmente as montadoras, os sistemistas e os fabricantes de autopeças. As duas propostas, contudo, não são conflitantes nem superpostas, são complementares. Vejamos. Este centro, se criado, será um cliente para os programas de formação de pessoal, um membro das redes tecnológicas, e um parceiro das empresas nos projetos contemplados no programa de subvenção econômica. Por outro lado, é natural que a estruturação do Centro leve algum tempo. No entanto, é fundamental que desde já o governo tome iniciativas na área tecnológica para criar um espaço para o Brasil nesse campo. Assim, vê-se a importância de moldar os programas já existentes para as necessidades do desenvolvimento e implantação do carro elétrico no Brasil. Concluindo, vemos que as duas propostas se complementam: um primeiro passo deve ser dado com os meios já existentes e, num segundo momento, tem-se a criação de uma estrutura nova e dedicada capaz de mudar de patamar a participação brasileira no desenvolvimento da tecnologia automotiva.
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CARRO ELÉTRICO: EM BUSCA DA VIABILIDADE A indústria automobilística está na corrida por novas fontes de energia veicular; a eletricidade pode ser uma alternativa. Jackson Schneider * A indústria automobilística mundial vem investindo fortemente na pesquisa de novos combustíveis, como alternativas à utilização de carburantes fósseis. No Brasil, particularmente, temos o programa do etanol, tanto para a mistura gasolina-etanol como também para veículos movidos exclusivamente a etanol. Primeiro veio a mistura gasolinaetanol; depois, o veículo movido exclusivamente a etanol; e desde 2003, o veículo flex que, no ciclo Otto, pode rodar com qualquer mistura de gasolina e etanol. E nesse curto espaço de tempo, em apenas 7 anos, já atingimos a produção de 10 milhões de veículos flex, em março de 2010. Também no Brasil damos os primeiros passos no programa do biodiesel, com mistura de óleos vegetais de várias origens ao diesel, ou mesmo mistura de diesel oriundo de cana-de-açúcar futuramente. Outro passo importante que a indústria automobilística mundial vem dando é na direção do veículo elétrico, seja exclusivamente elétrico, seja na forma de um veículo híbrido – eletricidade e um combustível líquido (que no Brasil pode ser também o etanol). Tais veículos ainda não são de todo viáveis economicamente, mas é relevante seguir nessa linha de *
Presidente da Anfavea (Associação Nacional de Fabricantes de Veículos Automotores).
pesquisa e desenvolvimento. E isso diz respeito também à indústria automobilística brasileira. As razões pela busca de combustíveis como alternativa aos carburantes fósseis, como é sabido, dizem hoje não só respeito à finitude desses combustíveis, mas falam também alto às razões ambientais, de produzir veículos cada vez mais amigáveis ao ser humano e à natureza, à vida, portanto. De um lado, as leis tornam-se cada vez mais rígidas em torno de controle e redução de emissões dos veículos. De outro, há o efeito estufa (CO2). E, ainda, a necessidade de produzir veículos cada vez mais econômicos em termos de consumo de combustíveis. Todas essas preocupações podem ser vistas nos atuais salões de veículos que se realizam em todo o mundo, com lançamento de novos modelos, apresentação de protótipos ou de veículos-conceito. A União Européia, por exemplo, quer limitar as emissões de CO2 de forma mais contundente a partir de 2014. Recentemente, o governo dos Estados Unidos determinou que o consumo médio de frota de fabricante passe de 27,5 a 39 milhas por galão (11,7 a 16,6 km/l) até 2016. Os EUA antes buscavam reduzir a dependência do petróleo árabe, que já é de 60%. Agora a luta também considera a questão ambiental. Com tudo isso, o mundo automobilístico mergulha na missão de produzir veículos que emitam cada vez menos gases ou mesmo nada, além de menores emissões de material particulado, buscando as chamadas fontes limpas. Nos centros mundiais de pesquisas de veículos, a questão combustível– consumo–emissões é prioritária. Nesse aspecto, o veículo elétrico ou híbrido elétricocombustível líquido tem a vantagem de praticamente não criar poluição do ar. Como nos ensina a engenharia, trata-se de motor não muito complexo, com longevidade notória, bastando olhar para nossa geladeira, a respeito da qual nem sempre nos 83
ocorre que tem em seu gabinete um motor elétrico e um compressor. Esse motor elétrico é dominado pelo homem desde a Revolução industrial do século XVII. Em 1900, há notícia de que foi apresentado na feira mundial de Paris um veículo com motor elétrico. Todavia, é forçoso reconhecer, os módicos preços do petróleo – diesel e gasolina – pelo menos até a segunda parte dos anos 1970 fizeram com que essas pesquisas fossem relegadas para um segundo plano. Para registro histórico, nos anos 80 tivemos a produção de uma centena de veículos elétricos no Brasil e, recentemente, uma grande montadora entregou alguns veículos elétricos à Companhia Itaipu. A necessidade faz o engenho humano trabalhar (ou descansar). Desse modo, durante o século XX o veículo a combustão interna (ciclo Otto ou Diesel) reinou magnífica. Mas esse ciclo vai tendo alternativas incessantemente buscadas, em nome do ambiente e da finitude dos combustíveis fósseis. Várias companhias já exibem seus veículos elétricos. Ainda estão por resolver questões tais como tamanho da(s) bateria(s) – sim, pode haver mais de uma bateria no veículo elétrico – autonomia e recarregamento da bateria. Sem falar no preço final desse veículo, de complexa viabilidade econômica. Há também a questão do insumo para a bateria; na tecnologia atual, utiliza-se o lítio, metal escasso. Embora ainda não seja previsível o momento em que o mercado receberá de fato o veículo elétrico, para não falar da época em que poderá ou se terá predominância, o fato é que o Brasil, por suas autoridades governamentais, entidades de ensino e pesquisa e indústria automotiva, deve acompanhar a tendência mundial em torno desses veículos, sabendo-se ainda que contamos com a vantagem competitiva de rodar em 84
veículos leves com etanol, já sabidamente mais amigo do meio ambiente no presente em termos de CO2. Todavia, devem ser registradas outras questões que circulam em torno de veículo elétrico, tão ou mais relevantes. Tal energia deve constar da matriz energética veicular do País, em termos quantitativos e qualitativos (decisão do governo). Devemos ainda levar em conta o fato de que o veículo elétrico produzir emissão “zero” ou perto disso não deve esconder o fato de que a produção de energia elétrica também pode representar impacto ambiental, não só em termos de geração direta, como também em razão das energias utilizadas para co-gerar eletricidade. Há também que considerar que o custo deve ser compatível ao consumidor, e que essa energia é disputada pela iluminação pública, residências e indústrias. Haverá toda uma infraestrutura para ser instalada, em termos de distribuição de baterias carregadas e locais para seu recarregamento. Haverá ainda a necessidade de aumentar a autonomia de tais veículos e reduzir o tamanho das baterias. E tantas outras dificuldades tecnológicas que, sabemos, aparecem no decorrer de processos complexos como esse, que é substituir um combustível veicular por outro. No Brasil, governo, ciência e iniciativa privada certamente haverão de construir soluções para o veículo elétrico brasileiro, com mesmo empenho que demonstramos no Pro-álcool e no veículo flex, como também no recém iniciado programa do biodiesel. O importante é que o trabalho já teve início. O Brasil também deve participar desse futuro com veículo elétrico, respeitadas sempre nossas características de matriz de insumos e de produtos veiculares. Há uma vantagem comparativa para o Brasil, já que 90% de nossa energia é produzida em usinas hidrelétricas e o potencial de geração é amplo. 85
O futuro do automóvel não pode ser ameaçado e nem o mundo por ele. O convívio ser humano-automóvel deve ter como objetivo tornar-se cada vez mais seguro. Mesmo que a frota mundial continue a crescer, as medidas projetadas devem assegurar que os veículos ofereçam ao homem aquilo para o que foram concebidos: mobilidade, segurança, conforto e respeito ao meio-ambiente. Não existe maior expressão de liberdade individual que o automóvel particular. Podemos perder o ônibus, o trem, o avião; o nosso carro, nunca. Ele nos espera sempre.
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AUTOMÓVEIS ELÉTRICOS A BATERIA UMA POLÍTICA PARA SUA UTILIZAÇÃO NO BRASIL Pietro Erber * OBJETIVO Procura-se identificar as medidas necessárias para que seja criada a oferta e viabilizada a utilização de carros elétricos no país. CONCEITUAÇÃO A substituição, ainda que parcial, do acionamento convencional (por motor de combustão interna) pelo acionamento elétrico constitui um processo mais lento do que outras transformações no âmbito da indústria automotiva, pois envolve aspectos tecnológicos, energéticos, industriais e infraestruturais tão amplos e complexos quanto maior e mais rápido for esse processo. Portanto, é desejável que o país se prepare desde já para aproveitar, e não retardar, esse novo ciclo de transformação de um dos segmentos industriais mais dinâmicos dos últimos cem anos e que é da maior relevância para que sejam reduzidos os níveis de emissões prejudiciais ao meio-ambiente, decorrentes do uso de combustíveis, particularmente os fósseis. A oferta e a utilização de veículos elétricos, principalmente daqueles, definidos adiante, que possam ter seu suprimento de energia elétrica proveniente de fonte externa, como a rede da concessionária local, pode ser percebida como um sistema, centrado no interesse dos usuários e constituído por (i) fabricantes, comercializadores e prestadores de serviços *
Diretor-presidente da Associação Brasileira do Veículo Elétrico – ABVE
de assistência técnica e manutenção; (ii) redes elétricas das concessionárias e seus prolongamentos nos edifícios residenciais, comerciais, estacionamentos, eletropostos e (iii) a interface entre o veículo e o fornecedor de energia, onde se efetua a medição do consumo e por onde se podem estabelecer intercâmbios de serviços entre o veículo e a rede, inclusive mediante o aproveitamento da energia acumulada nas baterias, ampliando assim as características “inteligentes” das redes elétricas locais. Observa-se, portanto, que a interação do veículo elétrico com seu fornecedor de energia é bem mais complexa do que a do veículo convencional com a rede de fornecedores do combustível que o aciona. Embora não se vislumbrem limitações de capacidade de atendimento desse novo mercado de energia elétrica, em termos de geração e transmissão, posto que seu efeito sobre o incremento da demanda global deverá ser suficientemente pequeno e gradual para que a expansão desses segmentos seja ajustada, serão necessários reforços em diversos pontos das redes de distribuição. Além desses investimentos, as concessionárias terão de definir procedimentos de conexão do carro à rede, de medição e cobrança do fornecimento que permitam que um carro possa ser abastecido em qualquer localidade do país. Para identificar os principais fatores de sucesso no desenvolvimento da utilização de veículos elétricos no país, contemplando inclusive sua produção, será necessário: I – conhecer sua natureza, de modo a identificar as vantagens e limitações técnico-econômicas inerentes a cada tipo, bem como os usos cujas características melhor se coadunem com aquelas de tais veículos; II – examinar a natureza técnico-econômica das questões relacionadas ao carregamento das baterias e as medidas necessárias para assegurar sua atratividade para os fornecedores de energia elétrica; 88
III – indicar os fatores de natureza fiscal e regulatória, como aqueles relacionados ao licenciamento dos veículos elétricos, que precisem ser modificados ou eliminados para viabilizar e, pelo menos inicialmente, estimular sua utilização. TIPOS DE VES Embora não seja oficial (e é desejável que venha logo a sê-lo) a definição mais usual de veículo elétrico é aquela adotada pela SAE – Society of Automotive Engineering (dos EUA), pela Associação Brasileira de Veículo Elétrico - ABVE e principais associações nacionais e regionais voltadas para a difusão do emprego desses veículos: veículo elétrico é aquele no qual pelo menos uma das rodas é acionada por um motor elétrico. Há diversos tipos de veículos elétricos, com destaque para três famílias de tecnologias e, em particular, de automóveis elétricos: a bateria, híbrido e plug-in. Todos eles são beneficiados pela frenagem regenerativa, na qual o motor elétrico atua como gerador, recarregando a bateria. Este sistema de frenagem, que não dispensa os freios mecânicos para emergências, reduz o consumo de energia em cerca de 10% a 50%. Essa redução tende a ser tão maior quanto mais congestionado for o transito. No carro a bateria (VEB) a energia elétrica que alimenta o motor é armazenada numa bateria (futuramente associada a um supercapacitor). Essa energia provém de uma fonte externa ao veículo, como a rede elétrica da concessionária local, à qual o carro é ligado enquanto estiver estacionado. A autonomia desses carros situa-se atualmente na faixa de 70 km a 160 km. O carro híbrido (VEH) não se conecta a uma fonte externa e a energia elétrica que aciona o motor elétrico é gerada a bordo do veículo. O motor de combustão interna que aciona o gerador pode ser a gasolina, a etanol, óleo diesel ou GNV. A energia não utilizada pelo motor elétrico é armazenada 89
na bateria, que constitui fonte complementar de energia para manobras que exijam mais potência. Os motores de combustão interna que acionam os geradores podem ter potência menor do que aqueles que acionam os carros convencionais de mesmo porte, pois as sobrecargas são atendidas pelos motores elétricos. Por outro lado, a reserva de energia disponível na bateria permite que o motor de combustão opere em condições estáveis, proporcionando queima mais completa dos combustíveis utilizados do que num carro convencional. Os carros acionados por células a combustível, que consomem hidrogênio, constituem uma variante dos carros híbridos. Devido a seu custo e aos problemas relacionados ao suprimento de hidrogênio, esses carros ainda não tem caráter comercial e portanto não são considerados nesta apresentação. O chamado carro plug-in (VEP) constitui uma combinação dos dois tipos acima descritos, pois sua bateria tanto pode ser alimentada por uma fonte externa quanto por um motor-gerador situado a bordo do veículo. A bateria tem capacidade maior do que a do VEH e menor do que a do VEB. O gerador de bordo estende significativamente a autonomia do veículo em relação à daquele a bateria. Essa diversidade de modalidades aplica-se mais facilmente a automóveis. Por enquanto, veículos pesados como ônibus e caminhões a bateria são relativamente raros, devido à limitação imposta pela capacidade de acumulação das baterias, por unidade de peso e volume. Por outro lado, motocicletas, motonetas e bicicletas elétricas são predominantemente a bateria. Empilhadeiras também podem ser a bateria, com notáveis vantagens.
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VANTAGENS RELATIVAS VEB
Do ponto de vista do consumo de energia, o carro a bateria é o mais eficiente. Seu conjunto bateria/motor apresenta eficiências superiores a 70%, enquanto um carro convencional, acionado por um motor de combustão interna, tem eficiências da ordem de 14% a 20% %. Motores a GNV e flex geralmente apresentam eficiências inferiores às daqueles a gasolina. Resulta que o custo de perfazer um determinado percurso com um VEB é de um terço a um quinto daquele com um carro semelhante, a gasolina. Do ponto de vista das emissões, é indispensável considerar toda a cadeia energética de suprimento dos veículos que se está comparando. Isto deverá ser fundamental no futuro, também para os usuários, quando taxas de carbono forem impostas. Quando se compara as emissões relacionadas à utilização de um VEB com aquelas de um carro a gasolina, é necessário levar em conta as fontes primárias utilizadas na geração da energia elétrica que alimenta o primeiro. Se esta for integralmente gerada numa usina a carvão (a situação mais desfavorável ao VEB) estima-se que as emissões decorrentes do consumo de gasolina ainda sejam cerca de 20% maiores do que as da usina a carvão, dadas as eficiências agregadas das respectivas cadeias energéticas, desde a mina de carvão ou, alternativamente, do poço de petróleo, até as rodas do veículo. Na comparação do VEB com o VEH, que consome combustível para gerar a energia elétrica que utiliza, a vantagem do VEB em matéria de consumo e emissões é menor do que quando é comparado com o veículo convencional, principalmente quando o VEH é utilizado em condições de trânsito congestionado. Todavia o VEB ainda apresenta significativa vantagem do ponto de vista do custo de operação (R$/km). 91
A maior limitação dos VEB é certamente a autonomia, que é proporcional ao custo e peso da bateria. Assim, carros com baterias mais baratas, tipo chumbo-ácido, alcançam autonomias de 90 km, enquanto aqueles equipados com baterias de íons de Lítio alcançam 160 km, segundo seus fabricantes. Pode-se prever que à medida que os custos do armazenamento de energia nas baterias diminuírem, em termos de R$/kWh.kg, os VEB e, a mais curto prazo, os VEP, competirão cada vez mais com os VEH. Entretanto, estes, bem como os VEP, por enquanto apresentam a grande vantagem da autonomia, até superior à dos carros a gasolina. VEH Atualmente é o tipo de carro elétrico mais vendido mundialmente, pois alia as reduções do consumo de combustível e de emissões à elevada autonomia, mesmo superior à de um carro semelhante, a gasolina. Seu custo é cerca de 25% maior do que o de um carro a gasolina. A recuperação dessa diferença é mais rápida quando o veículo é utilizado mais intensamente. Assim, seu mercado preferencial no Brasil serão os táxis e veículos de entregas. No segmento de veículos pesados, serão os ônibus, particularmente os urbanos. A maioria dos carros híbridos é acionada por um sistema que permite que as rodas sejam acionadas tanto pelo motor elétrico quanto, em manobras que exijam maior torque, também pelo motor de combustão interna, no sistema denominado paralelo , o que torna a parte mecânica do veículo muito mais complexa e cara. Veículos pesados e de outros tipos geralmente utilizam o sistema série, no qual as rodas são acionadas exclusivamente por motores elétricos. VEP A diferença de custo de rodar com energia elétrica ou com gasolina é suficientemente grande para estimular a utilização dos VEP que, com uma autonomia de 20 a 40 km 92
ensejam economias substanciais para a maioria dos usuários, que normalmente não percorrem diariamente distâncias superiores a essas, mas que com a utilização de seu gerador de bordo alcançam autonomias comparáveis ou mesmo superiores às dos VEH. Estes carros elétricos aliam as vantagens dos híbridos com aquelas dos veículos a bateria, ou seja, autonomia com baixo custo de operação e baixas emissões. Uma particularidade dos VEP é que ao contrário dos híbridos, não precisam ter um sistema de tração paralelo, acima definido. Nos VEP as rodas são acionadas unicamente pelo motor elétrico. Industrialmente, observa-se que os VEP constituem uma variante dos VEH, nos quais a bateria passa a ter uma capacidade maior do que a dos VEH, embora bem menor (e mais barata, além de menos pesada) do que nos VEB. Em contrapartida, a potência do conjunto motor-gerador pode ser menor do que a de um VEH semelhante. À medida que as baterias evoluam, adquirindo maior capacidade de carga por unidade de peso e volume, os VEP serão cada vez mais utilizados no modo elétrico, com maior economia de combustíveis e menores emissões. VIABILIZAÇÃO DO EMPREGO DOS VEB Aspectos fiscais e regulatórios É indispensável que a legislação fiscal, bem como o Código de Trânsito Brasileiro, reconheçam o veículo elétrico, conforme a definição apresentada acima. A falta de definição oficial acarreta taxação particularmente elevada dos carros elétricos a bateria, com alíquota de 25%, enquanto carros a gasolina ou etanol, similares, são taxados à razão de 12%. A limitada informação disponível sobre taxação (IPI) de VEH indica que foram considerados carros a gasolina e taxados a 12%. 93
Dado que os veículos híbridos plug-in (VEP) são acionados pela energia elétrica armazenada na bateria a partir de uma fonte externa e também por um gerador instalado a bordo, e como a tendência desses veículos é de se valerem cada vez mais das baterias, sugere-se considerá-los juntamente com aqueles a bateria, para finalidades fiscais. Considera-se que, pelas suas características ambientais, esses veículos deveriam ser menos taxados do que os carros de 1000 cc, portanto menos de 7%. Em diversos países há incentivos para o emprego de todos os veículos elétricos, mediante subsídios diretos aos usuários. Entretanto, considera-se que isto não seria viável no país, neste momento. Todavia, não deveria haver maior problema em praticar uma redução substancial ou mesmo a suspensão temporária da cobrança do IPI, referente a veículos e seus componentes característicos, como motores, baterias e sistemas de controle. No tocante ao II – imposto de importação, atualmente de 35%, este também deveria ser inicialmente reduzido, dado que onera significativamente a oferta e não é factível iniciar uma indústria local sem substancial importação de componentes, particularmente de baterias, componentes de sistemas de controle e alguns tipos de motores. Certamente essa redução deveria ser temporária, até que indústrias locais se estabeleçam, de modo a não desestimular a produção nacional. Também caberá aos governos estaduais contribuir temporariamente para a redução dos preços dos carros elétricos, limitando a cobrança do ICMS e do IPVA. Cabe registrar que alguns estados já isentam ou conferem reduções importantes na cobrança do IPVA para carros elétricos. Cabe destacar que ao longo dos próximos anos reduções fiscais para veículos elétricos, particularmente de automóveis, provavelmente pouco afetarão a arrecadação 94
daqueles impostos, dado o número relativamente pequeno de carros elétricos que deverão entrar em circulação no país, até o final desta década. Outro conjunto de medidas, de responsabilidade do Ministério das Cidades, através do CONTRAN/DENATRAN, serão aquelas que viabilizem, com simplicidade, o licenciamento dos veículos elétricos. Posto que toda a definição de características técnicas, inclusive a fonte de energia utilizada (gasolina, GNV, etanol, óleo diesel) que atualmente identificam os veículos são aplicáveis apenas àqueles acionados por motores de combustão interna, o licenciamento de veículos deverá ser adaptado para dar conta da nova diversidade tecnológica decorrente da introdução dos veículos elétricos. Embora não se trate de um processo de grande complexidade, é indispensável que seja iniciado tempestivamente, de modo a não prejudicar iniciativas pioneiras que já vem ocorrendo em diversos pontos do país, seja de conversão de veículos convencionais para elétricos, seja de fabricação ou de importação de veículos elétricos. Aspectos tecnológicos e industriais Baterias Aplicações e limitações Todos os veículos elétricos (VEH, VEB, VEP) contam com pelo menos um motor elétrico, bateria e sistema de controle. A limitação da capacidade de armazenamento das baterias, em relação a seu peso, volume e custo limitam a autonomia dos veículos que dependem exclusivamente de baterias. Esta limitação pode não ser relevante, conforme o percurso máximo que se exija do veículo. Veículos leves, como furgões e camionetas, destinados a entregas em âmbito urbano, por exemplo, com percursos de algumas dezenas de km diários, que podem ser reabastecidos à noite, podem ser acionados apenas a partir de baterias. Dependendo da autonomia necessária, as baterias podem ser de chumbo95
ácido, o que reduz substancialmente seu custo. Na Inglaterra, por exemplo, esses veículos são utilizados há décadas, para distribuição de leite e pelos correios. Outra limitação das baterias atuais é o tempo necessário para que se atinja sua carga completa, da ordem de 4 a 8 horas. Nem todas as baterias são passíveis de receberem carga rápida, que armazena de 50% a 80% da carga total em cerca de 15 minutos. Todas as baterias têm sua vida útil limitada a certo número de ciclos de carga e descarga, que varia com a tecnologia e a forma na qual a bateria seja utilizada. Alguns tipos de baterias, como as de íons de Lítio, que além de não terem “memória” isto é, sua capacidade não é afetada pela carga remanescente no momento da recarga, ainda podem ser utilizadas para outras finalidades depois de concluída sua vida útil para fins automotivos. A reciclagem das baterias, que é integral nas de chumbo-ácido, deverá ser viabilizada para outros tipos, particularmente quando sua fabricação estiver padronizada. Outro aspecto relevante é que veículos pesados, como ônibus, podem ser acionados por baterias do tipo chumboácido, de menor custo, desde que seus trajetos sejam suficientemente curtos. Tais baterias também são utilizadas em ônibus híbridos, nos quais a capacidade de armazenamento requerida é bem menor do que naqueles exclusivamente a bateria e porque o peso das baterias desse tipo não constitui impedimento, principalmente se seu percurso se dá em áreas predominantemente planas. Veículos leves, como bicicletas e motonetas, que transportam pouca carga e com percursos diários de algumas dezenas de km, também podem utilizar baterias de chumboácido, apesar do elevado peso por unidade de energia que podem armazenar. Todavia, observa-se que mesmo nesses veículos está ocorrendo a substituição dessas baterias por aquelas de íons de Lítio, apesar de mais caras, inclusive na 96
China, aonde as vendas anuais de bicicletas e motonetas elétricas vem superando a marca de dez milhões de unidades. No tocante a automóveis, a exigência de autonomia e, por outro lado, de pouco peso por unidade de energia armazenada faz da bateria seu elemento crítico, particularmente quando se trata de VEB, ou seja, veículos que dependem apenas da bateria. Atualmente, há carros pequenos, acionados a partir de baterias de chumbo-ácido que apresentam autonomias de até 90 km. A autonomia do Leaf, um carro médio que está sendo lançado pela Nissan, equipado com baterias de íons de Lítio, deverá ser de até 160 km, segundo seu fabricante. Embora se verifique que em muitos países a maioria dos usuários de automóveis usualmente só percorre diariamente distâncias bastante inferiores a essas, a autonomia ainda constitui uma limitação relevante para o VEB, particularmente para aqueles que só podem possuir um automóvel. Estes normalmente vão adquirir um carro com o qual possam viajar, mesmo que só o façam raramente, a menos de contarem com vantagens adicionais, como baixo preço do carro ou preço do combustível mais elevado do que o atual. Atualmente, esse usuário optaria por um VEP, que combina as vantagens do carro abastecido com energia elétrica, a partir da rede pública, com elevada autonomia global, embora sua autonomia no modo elétrico seja reduzida, da ordem de poucas dezenas de km, mas suficiente para a maioria dos trajetos urbanos. A limitação imposta pela capacidade atual das baterias (sem maior prejuízo do custo do carro – o Tesla, fabricado na Califórnia, tem autonomia de 400 km mas custa cerca de US$ 100 mil) vem provocando a busca de soluções para o problema da demora no carregamento das baterias. Além da carga rápida, que exige instalações especiais, com potência e tensão 97
mais elevadas do que numa tomada normal, está em curso a instalação de sistemas de troca de baterias. Outro aspecto das baterias, particularmente no caso dos VEB, é que devido à sua rápida evolução tecnológica, sua obsolescência também tende a ser rápida, muito mais do que a do automóvel ao qual se destinam. Assim, é indispensável que este, ao longo de sua vida útil, possa utilizar novas baterias que venham a apresentar melhor desempenho. Nessa linha, o preço de venda do Leaf, acima referido, não incluirá o da bateria. Esta será arrendada e, portanto, poderá ser substituída à medida que novas baterias se tornem disponíveis. Anunciase que o custo da bateria desse carro será da ordem de US$ 150/mês. Para um usuário que percorra mil km por mês, nos EUA seriam cerca de 10% a 15% do que seria sua despesa com gasolina, aos quais se somaria o custo da energia elétrica consumida. É claro que o custo do arrendamento seria menos relevante à medida que o veículo fosse mais utilizado, como no caso dos táxis, mas nesse caso a autonomia, entre duas cargas sucessivas da bateria, constituiria uma limitação, pois geralmente rodam mais de 160 km por dia. Aspectos tecnológicos A tecnologia de baterias ou, em termos mais gerais, de acumulação de energia em espaços reduzidos, vem sendo desenvolvida rapidamente nas duas últimas décadas. Embora no momento atual aquelas baseadas na tecnologia do Lítio se apresentem como as mais promissoras, é possível que outras tecnologias ainda em fase experimental venham a se mostrar mais competitivas, em termos do custo de capacidade de armazenamento de kWh por unidade de peso e volume. A própria tecnologia de baterias de chumbo-ácido tem sido significativamente desenvolvida, com resultados promissores, inclusive por empresa brasileira. Outra rota é a da associação de supercapacitores às baterias, à medida que o custo e o tamanho desses equipamentos venham a diminuir. 98
Observa-se que a carga rápida só é aplicável a alguns tipos de baterias, como as de íons de Lítio e as de sódio, utilizadas nos carros adaptados pela Itaipu Binacional. Todavia, presta-se melhor e deverá ser mais difundida quando forem empregados supercapacitores, associados ou não às baterias. A troca de baterias como a iniciada pela empresa Better Place, que atua ou atuará em Israel, Portugal, Dinamarca, além dos EUA (Califórnia), requer a implantação de postos de troca onde será feita a recarga das baterias usadas. Essa troca, automatizada, levará menos de 3 minutos e requer veículos especialmente projetados para receber as baterias, cujo peso é da ordem de 200 kg. Tais automóveis são vendidos sem as baterias, o que diminui bastante o custo inicial do carro. Tratase de um sistema que ajudará a difundir o emprego de carros elétricos e que se presta para territórios relativamente restritos. No Brasil, as distâncias e o custo do estoque de baterias necessário seriam fatores restritivos para essa tecnologia. A tabela abaixo27 indica algumas características físicas e custos dos principais tipos de baterias: Tecnologia Chumbo-ácida VRLA* NiMH NiNaCl 2 on de lítio Lítio-polímero Nano-lítio-titanato Lítio-enxofre Lítio-ar
Energia específica Wh/kg
Potência específica W/kg
35-45 70 90-125 150-200 150 80-100 500 5.000
250 350 150-200 400 300 1.250 -
# ciclos
Custo US$/kWh
400-500 160-210 1.350-1.550 780-930 1.000-3.000 300-700 1.000-3.500 900-1.200 25.000 2.000 -
*VRLA: Vlave Regulated Lead-Acid
Atualmente, a tecnologia que se mostra mais favorável para o acionamento automotivo é a aquela que se utiliza óxidos de Lítio na composição de seus eletrodos. Há diversas 27
Fonte: A. Nunes Jr. em Seminário VER do INEE/ABVE, Rio de Janeiro, junho de 2009 99
modalidades de baterias a íons de Lítio, em diferentes estágios de desenvolvimento e aplicação, que apresentam variadas características e vantagens. Sua evolução, na busca de cada vez maior densidade energética, vida útil e resistência ao calor, além do menor custo, tem apresentado notáveis progressos e pode-se prever que novas soluções venham a ser encontradas, inclusive mediante o emprego de nanotecnologias. Os anodos (eletrodos negativos) dessas baterias podem conter diferentes elementos, além do Lítio, e apresentarem as seguintes densidades energéticas, por exemplo: ● Carbono (grafite) – 37 Wh/kg a 74 Wh/kg ● Titânio - 160 Wh/kg a 320 Wh/kg ● Silício - 2106 Wh/kg a 4212 Wh/kg ( com cobertura de nanofios de Silício) O titanato de Lítio vem deslocando o emprego de Carbono, responsável por aumento do aquecimento e conseqüente redução da vida útil da bateria. Propicia a carga rápida que, por implicar em correntes internas elevadas, provoca aquecimento. A tecnologia baseada no Silício, como outras, a base de Germânio, são experimentais. A tecnologia mais comum, do eletrodo de grafite, poderá ter sua capacidade duplicada mediante a substituição da grafite porosa por nanotubos de grafite, aumentado a superfície de absorção de íons de Lítio. Os catodos também têm sido fabricados com diversos elementos associados ao Lítio, tais como: ● Manganês - 400 Wh/kg ● Cobalto - 518 Wh/kg ● Ferro e Fósforo – 495 Wh/kg ● Ferro, Fósforo e Fluor – 414 Wh/kg ● Cobalto, Níquel e Manganês – 576 Wh/kg 100
O eletrólito é constituído por um sal de Lítio, associado a elementos como Cloro, Fósforo, Flúor ou Boro. Para que uma bateria possa acumular 30 kWh, considerando cerca de 500 Wh/kg no catodo e 250 Wh/kg no anodo, esses dois componentes pesariam 60 kg e 120 kg, respectivamente. A bateria pesaria perto de 200 kg, tendo em conta o peso do eletrólito e da carcaça. A fabricação de baterias de íons de Lítio no país, da qual se cogita, deveria ser precedida de detalhados estudos dos diversos tipos, certamente já em curso, tendo em vista a identificação da tecnologia mais adequada às condições locais e as perspectivas de evolução dessas tecnologias. Dada a complexidade dessa indústria, sugere-se que a utilização de carros a bateria e de veículos elétricos de um modo geral seja desvinculada do seu início da fabricação dessas baterias no país, até mesmo porque assim se poderá obter elementos mais confiáveis quanto à adequação das diversas tecnologias às condições ambientais e facilidades locais. Estruturais Veículos a bateria são os mais simples, do ponto de vista estrutural, pois não possuem motor de combustão interna e gerador de bordo nem tanque de combustível e sua mecânica é bem mais simples do que a dos VEH, principalmente dos automóveis desse tipo que empregam o sistema paralelo , descrito acima, exige um complexo sistema de engrenagens (sistema planetário) que encarece o custo de fabricação do veículo. Enquanto essa é a característica usual dos carros híbridos, os veículos híbridos pesados não precisam utilizá-la, contando com maior capacidade de armazenamento nas baterias, já que seu peso não os afetam tanto quanto aos carros.Nestes, assim como na maioria dos VEP, a energia elétrica gerada a bordo é direcionada para a bateria e desta para o motor, no sistema dito série . Eventualmente o motor e a 101
bateria fornecem simultaneamente energia ao motor elétrico, em momentos de demanda mais elevada, mas isso não implica em arranjos mecânicos complexos e sim, apenas, de controles elétricos. Outro componente fundamental dos veículos elétricos é seu sistema computacional de controle, que comanda a operação do grupo motor-gerador (nos VEH e VEP), gerencia o carregamento e a utilização das baterias, bem como sua recarga na frenagem regenerativa, transfere a energia gerada para resistências dissipadoras quando a bateria está carregada, controla a frenagem mecânica quando a elétrica não é suficiente, além de outras funções. O sistema de controle constitui um fator de encarecimento do carro em relação a seus similares convencionais, mas que se pode admitir que venha a ser bastante reduzido com a padronização de componentes e o aumento das escalas de produção desses veículos. Os motores elétricos que acionam as rodas apresentam três vantagens básicas em relação aos motores de combustão interna que acionam aquelas dos veículos convencionais: a eficiência, em termos da energia utilizada para obtenção de determinada energia transmitida às rodas; o menor tamanho e maior simplicidade estrutural, menor peso, menor número de peças móveis, portanto menos atrito interno e menor exigência de manutenção do que motores de combustão interna e, finalmente, a grande capacidade de aceitar sobrecarga, ainda que por períodos breves, mas suficientes para atender as necessidades de partida e fortes acelerações dos veículos. Assim, a potência nominal dos motores elétricos pode ser menor do que a dos motores a combustão interna que acionam veículos similares, com o mesmo desempenho. Destaca-se a importância, tanto no caso dos veículos a bateria (VEB) quanto dos híbridos plug-in (VEP), do seu dispositivo de conexão à rede externa, para carregamento da 102
bateria. É necessário que os conectores e pontos de conexão sejam padronizados, de modo a permitir essa operação em qualquer local do país, pelo menos. Ainda nesse tema, da interface do veículo com a rede de suprimento de energia elétrica, é necessário estabelecer procedimentos de medição e cobrança da energia fornecida, de modo a viabilizar o carregamento das baterias junto a qualquer ponto onde haja uma tomada adequada, independentemente da concessionária distribuidora local, analogamente ao que ocorre com os telefones celulares. A adequação das redes elétricas de fornecimento será tratada adiante. É importante que se possa contar com número suficiente de pontos de recarga, seja nas garagens dos prédios residenciais, comerciais, públicos, estacionamentos, além de eletropostos para recarga rápida à medida que se assegure a viabilidade de se estabelecer, no país, uma oferta de carros elétricos. É necessário que as autoridades governamentais interessadas na difusão do emprego de carros elétricos, além dos fabricantes, vendedores e as concessionárias distribuidoras de energia elétrica tenham consciência do impasse potencial que se afigura, pois enquanto não houver possibilidade de recarga, os carros a bateria dificilmente serão vendidos e, por outro lado, se não houver perspectiva de venda de energia para a recarga, as concessionária relutarão em fazer os investimentos necessários ao atendimento dessas novas cargas. Industriais Uma característica relevante da indústria automobilística é a produção em série, com ganhos de escala que contribuem para a competitividade dos seus produtos. Esse modo de produção requer, entretanto, grandes investimentos iniciais, nas linhas de montagem, organização das redes de suprimento de componentes, treinamento de operários e técnicos, organização das redes de vendas, manutenção de estoques de peças sobressalentes, inclusive junto às concessionárias em 103
todo o país, treinamento de equipes de manutenção etc. Enquanto isso, a produção de veículos pesados, feita sob encomenda, requer menor investimento e a manutenção pósvenda, pelo menos inicialmente, não exige preparação prévia de equipes e criação de estoques locais, podendo ser organizada à medida das necessidades dos usuários, geralmente em número menor do que os de automóveis, além de mais concentrados, como as empresas de ônibus. Entende-se que a fabricação local de automóveis elétricos seja viável, embora não se deva minimizar as dificuldades. Essa indústria precisará contar com apoio financeiro que lhe permita superar a fase inicial, de limitados ganhos de escala e elevados custos de investimento prévio. Certamente não será econômico nem competitivo produzir localmente componentes tecnologicamente mais críticos, como baterias. Será indispensável partir de projetos bem concebidos e dimensionados, com pleno conhecimento dos componentes mais adequados e de onde obtê-los. O exemplo e o sucesso da indústria aeronáutica brasileira são ilustrativos. Alguns componentes de veículos elétricos já são fabricados no Brasil ou poderiam sê-lo, em breve, desde que haja demanda. É o caso dos motores elétricos e de baterias de chumbo-ácido, também para tração. No tocante aos sistemas de controle, diversos tem sido projetados e montados no país, embora com parte dos componentes importados, o que não constitui impedimento. Há diversos fabricantes de componentes desses sistemas eletrônicos no país, que poderão fornecer parcela crescente das necessidades de uma indústria local. Em termos mais objetivos, caberia discutir quem seriam os fabricantes desses veículos no Brasil. Os fabricantes multinacionais instalados no país podem vir a fabricar aqui os veículos elétricos que fabricam ou fabricarão, em breve, em outros países. A questão passará pela estratégia empresarial 104
dessas indústrias que, mesmo que tenham a intenção de produzir aqui esses veículos, envolve prazos, modelos e graus de nacionalização. Acredita-se que assim que uma das montadoras instaladas no país se mobilizar para produzir esses carros no Brasil, a maioria das demais seguirá sem demora na mesma direção. A tabela a seguir indica recentes estimativas da ABVE para as possíveis vendas de carros elétricos, sejam híbridos puros (VEH) ou com baterias que possam ser carregadas a partir da rede externa (VEB e VEP), em milhões de veículos por ano. Esses números são baseados em estudo do EPRI – Electric Power Research Institute, dos EUA, em declarações de especialistas e de representantes da indústria. Brasil: Vendas Anuais de Automóveis, Milhões de Unidades ANO
TOTAIS
VE
VEH
VEP/B
2010
2,8
-
-
-
2015
3,6
0,14
0,10
0,04
2020
4,2
1,03
0,73
0,30
2025
4,9
2,70
1,39
1,31
2030
5,6
4,12
1,65
2,47
Observa-se na tabela acima que as vendas de carros híbridos seriam inicialmente predominantes, mas seriam superadas pelas vendas de veículos com alimentação total ou parcial a partir de redes externas. É possível que essa superação seja antecipada, graças a inovações na tecnologia de baterias. 105
Uma possibilidade, ainda que limitada, para que se antecipe uma produção industrial local de carros elétricos é de adaptar automóveis convencionais, convertendo-os para elétricos. Essa prática vem sendo adotada por fabricantes em alguns países, na medida em que as plataformas dos veículos convencionais se prestem para essa transformação. Alguns carros nacionais foram convertidos para elétricos (VEB), mas a experiência para avaliação de seu desempenho ainda é escassa e seu custo, elevado, sobretudo nos casos em que foram empregadas baterias de melhor desempenho do que as de chumbo-ácido. Outra hipótese seria de desenvolver uma indústria nacional, que aproveitaria a indústria de autopeças já instalada e que fornece componentes para as montadoras que operam no país. Certamente haveria necessidade de capacitar novas indústrias, particularmente para componentes específicos dos carros elétricos além de, como já considerado, importar significativo montante de elementos, pelo menos num estágio inicial dessa indústria. Suprimento de energia elétrica Oferta global Nos parágrafos precedentes foram feitas duas observações de caráter geral: (i) de que não se vislumbram limitações de oferta de energia elétrica para o atendimento de carros dos tipos VEB e VEP, em termos de sua geração e transmissão para o mercado e (ii) como indicado na tabela acima, a penetração dos carros que demandam suprimento externo deverá ser relativamente lenta, permitindo sua incorporação às previsões de demanda de energia e eventuais ajustes dos programas de expansão da oferta. Estima-se que a demanda de energia elétrica daqueles carros seja significativamente inferior a 1% da demanda total do país em 2020 e que alcance cerca de 3% desse mercado em 2030. Trata-se, portanto, de grandezas inferiores às margens de erro 106
admitido nas previsões que embasam o planejamento do setor elétrico, que é revisto e ajustado anualmente. Estima-se que o impacto da substituição de carros convencionais por elétricos, no mercado de combustíveis líquidos e de GNV deverá ser proporcionalmente maior, da ordem de 3% em 2020 e de 20 % em 2030. Redes de distribuição Embora a carga a ser atendida pela rede de distribuição para carregar em condições normais uma bateria seja da ordem de 3kW, semelhante a de um chuveiro elétrico ou um condicionador de ar de maior porte, a formação de grandes conjuntos dessas cargas, próximas e operadas simultaneamente, como num condomínio residencial, poderá exigir reforços da rede local, bem como de seus alimentadores. Embora da mesma magnitude de um chuveiro elétrico, a carga de uma bateria tem duração muito superior, de 4 a 8 horas. Em princípio, os carros elétricos constituem uma carga interessante para as empresas distribuidoras de energia elétrica, dado que as baterias podem ser carregadas à noite, após o período de maior demanda do sistema. Constituiriam assim uma carga complementar à atual, preenchendo o vale da curva de carga, ou seja, ensejariam um aumento das vendas com pouco investimento adicional na rede. Também tendem a compensar a perda de mercado decorrente do aumento de eficiência da maioria dos equipamentos eletrodomésticos e de escritórios, desde os de iluminação até os de computação. Todavia, a nível local, mesmo com sua carga ocorrendo fora do horário de ponta, é provável que, em algumas áreas, as redes precisem ser reforçadas. No Brasil, em particular, onde não há tarifas diferenciadas segundo o horário de consumo para o mercado atendido em baixa tensão, como o residencial, o impacto dessas novas cargas poderá ser mais significativo do que noutros países. Na Inglaterra, consumir no horário de ponta 107
custa perto de cinco vezes mais do que durante a madrugada. A menos que sejam criadas tarifas horárias, o problema poderia ser contornado por meio de “conectores inteligentes” que, embora ligados à rede a qualquer hora, só permitissem o fornecimento num horário programado. Alternativamente, por exemplo, o conector poderia ser ativado mediante um cartão e a contagem da energia recebida seria afetada pelo horário do fornecimento. As baterias, ligadas à rede deverão constituir um elemento relevante para a evolução das redes elétricas no sentido das chamadas “redes inteligentes”. Não só constituirão uma carga flexível, que poderá ser desligada por alguns minutos sem prejuízo do usuário, como poderão devolver à rede parte da energia acumulada, para ajudar a superar problemas transitórios, que atualmente exigem a mobilização de fontes remotas. Tais serviços “ancilares” começam a ser prestados às redes por terceiros, à medida que a geração distribuída se desenvolve. Outro aspecto que vem sendo considerado é o do aumento de harmônicos nas redes elétricas devido à linearidade das cargas de baterias. Essas correntes de alta freqüência provocam perdas de energia e prejudicam equipamentos, devendo ser neutralizadas. Diversas empresas distribuidoras de energia elétrica já estão estudando os impactos dos veículos elétricos em suas redes, bem como iniciando suas avaliações de necessidades de seu reforço em algumas áreas. Outro tema que já começam a estudar é o do carregamento e dos conectores das baterias. É fundamental que as empresas distribuidoras, fabricantes de baterias e de equipamentos elétricos atuem de forma coordenada para que se estabeleça um padrão nacional para a conexão de alimentação das baterias no país. A ABRADEE, a ABINEE e a ANEEL precisarão acompanhar, senão coordenar esse processo, que também deveria contar com a presença da ANFAVEA. 108
Por fim, cabe examinar, desde já, como preparar os prédios existentes e, principalmente, os futuros, de modo a viabilizar o carregamento de baterias dos veículos de seus ocupantes. Em diversas cidades, como San Francisco, na Califórnia, bem como na França, os prédios a serem construídos proximamente deverão contar com instalações elétricas capazes de permitir aquele serviço. Criação de oferta local de carros elétricos Aspectos gerais Tendo em vista a criação de oferta local de veículos e, particularmente, de automóveis elétricos, no Brasil, quer mediante importação quer fabricando-os no país, convém observar a evolução desse processo em outros países, sem perder de vista, naturalmente, as inovações recentes que proporcionem atalhos tecnológicos e industriais, bem como a necessidade de se criar, tempestivamente, a infraestrutura de suprimento cuja falta impedirá o desenvolvimento desse novo segmento do setor automotivo. A recente difusão do emprego de veículos elétricos, além daqueles tradicionalmente utilizados nos transportes urbanos e interurbanos, além daqueles de cargas, por veículos permanentemente conectados à fonte de suprimento externo, foi motivado pela busca de dois benefícios complementares, apesar de seu custo inicial ser mais elevado: (i) melhoria da qualidade ambiental, mediante redução de emissões de gases e materiais particulados, além de ruído e (ii) redução do consumo de combustíveis fósseis, particularmente nas áreas urbanas. Essas considerações motivaram as restrições impostas em vários países ao desempenho dos veículos acionados por motores de combustão interna e que incentivaram seus fabricantes a buscar soluções menos poluentes e de menor consumo de combustíveis. Empresas de ônibus, como a de Nova York, adquiriram inicialmente veículos híbridos apenas 109
com a perspectiva de redução das emissões, visto que somente as versões mais recentes oferecem grandes reduções de consumo de combustível, da ordem de 40%. Observa-se também que esses veículos não carecem de suporte da rede elétrica, visto que geram a bordo a energia necessária. O fato de serem veículos híbridos lhes permitiu utilizar baterias mais baratas e facilmente accessíveis, de chumbo-ácido. A mesma motivação ambiental levou uma empresa de transportes públicos que atua em São Paulo a utilizar ônibus híbridos, produzidos localmente. Há cerca de 40 ônibus híbridos operando no Estado de São Paulo e, nos próximos meses, será colocado em circulação um, semelhante, no Rio de Janeiro. Produção local Em todos os países nos quais os veículos elétricos vêm tendo difusão acelerada há, de alguma forma, o reconhecimento de que sua utilização interessa à sociedade e que, pelo menos nessa fase inicial de sua produção, cabem incentivos de alguma natureza, de modo a atenuar a diferença de preço em relação ao de similares convencionais. Certamente o possível aumento dos preços dos combustíveis e a imposição de penalidades ao uso de combustíveis fósseis, como taxas de carbono, propiciarão o emprego de veículos elétricos. A ABVE tem recebido, com freqüência, consultas de interessados em fabricar veículos elétricos no Brasil. Há também diversas iniciativas, algumas já concretizadas, de converter carros convencionas em elétricos, com fins comerciais, além de iniciativas isoladas, visando o uso pessoal ou educacional, em centros de pesquisas. Tais iniciativas merecem incentivo, porque estimulam o mercado e desenvolvem competências e a oferta de componentes que serão úteis à futura produção desses veículos no país. 110
Nos EUA, em particular, nota-se o surgimento de diversos fabricantes independentes de carros a bateria, com produção anual limitada em comparação à de carros produzidos pelas grandes montadoras. Entretanto, essa escala inicial, embora pequena, é compatível com o caráter semiexperimental desses produtos. No Brasil, caso não se materialize o interesse das montadoras multinacionais em produzir localmente os carros que produzem em outros países, pode-se estimular iniciativas locais, que poderiam inicialmente (i) reproduzir, sob licença, produtos comprovados em outros países, (ii) formar parcerias com montadoras locais para fornecimento da carroceria e partes mecânicas baseadas em projetos apropriados ou (iii) partir diretamente para a produção autônoma. Entende-se que uma fase inicial de produção, parte dos componentes do sistema de acionamento precisarão ser importados. Baterias de tração, a não ser as de chumbo-ácido, não são fabricadas no país. Cabe, todavia, estimular inovações e iniciativas locais que possam vir a proporcionar soluções econômicas, cujo desempenho seja adequado às necessidades do mercado. Mesmo que a produção de automóveis elétricos venha a ter maior prioridade do que a de veículos pesados e de duas rodas, entende-se que a produção de veículos pesados do tipo híbrido deva ser estimulada, pelo fato de já existirem produtores atuantes no país e devido à sua relativa simplicidade estrutural. Cabe também observar que a produção local de ônibus híbridos conta com grandes indústrias nacionais de carrocerias e não carece, pelo menos inicialmente, de grandes linhas de montagem, dado que são feitos por encomenda. A dinamização dessa indústria poderá estimular a tecnologia e fabricação de diversos componentes que também poderão ser utilizados na produção de automóveis. 111
CARTA DE CAMPINAS* No 6° Seminário de Veículos Elétricos realizado em novembro de 2009, em Campinas, SP, foram apresentadas e discutidas as perspectivas de evolução desta forma de acionamento, particularmente no Brasil. O evento reuniu representantes de todos os segmentos interessados, dentre eles empresas de energia elétríca, montadoras de veículos fabricantes de autopeças e componentes, bancos, empresas de consultoria, agências governamentais, universidades, entidades de pesquisa e usuários. Considerando que os veículos elétricos são já uma realidade e que a difusão de seu emprego é vetor relevante para a sustentabilidade do desenvolvimento econômico e social do país, o INEE - Instituto Nacional de Eficiência Energética e a ABVE - Associação Brasileira do Veículo Elétrico, organizadores do evento, entendem ser importante sintetizar os principais aspectos levantados e analisados para conhecimento da sociedade brasileira. Em especial, consideram fundamental evidenciar as vantagens e atuais impedimentos relacionados ao emprego desses veículos, de modo a motivar a ação dos órgãos governamentais, inclusive os de caráter regulatório, bem como a de outros setores, para promover a efetiva difusão do uso dos veículos elétricos. A oferta de veículos e componentes fabricados no Brasil aumentou sensivelmente desde a realização do Seminário de Veículos Elétricos precedente, há dois anos. Tecnologias de ponta, além da concepção e montagem de veículos, tiveram notável evolução e atraíram o interesse das grandes montadoras de automóveis e caminhões. Esses fatores despontam como fundamento de nova fase da indústria •
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Documento resultante do 6º. Seminário de Veículos Elétricos, organizado pela Associação Brasileira do Veículo Elétrico, ABVE, e o Instituto Nacional de Eficiência Energética, INEE.
de veículos elétricos no país, abrangendo os veículos a bateria, híbridos e os tradicionais trólebus. Observa-se tendência mundial de que governos, consumidores e montadoras considerem este tipo de acionamento um importante meio para reduzir as emissões de efluentes nocivos à saúde das populações e daqueles que contribuem para o aquecimento global. Além disso, por serem consideravelmente mais eficientes, estes veículos permitem prolongar a disponibilidade das fontes de energia não renováveis. No Brasil, o segmento de veículos pesados, normalmente fabricados sob encomenda, apresenta maior dinamismo, com dois fabricantes nacionais de ônibus elétricos híbridos em pleno funcionamento. Verifica-se também grande variedade de nichos de mercado que podem ser atendidos com linhas de produção relativamente pequenas, em condições competitivas. Dentre estes, destacam-se o transporte público, a prestação de serviços urbanos e a frota de conservação e manutenção das vias e do mobiliário urbano. A percepção dessas oportunidades pelas montadoras multinacionais que atuam no Brasil poderá contribuir para acelerar sua decisão de desenvolver veículos elétricos para mercado brasileiro, no qual a lógica da maior eficiência energética é reforçada por uma matriz de geração de energia elétrica eminentemente renovável. Veículos elétricos oferecem vantagens construtivas para os fabricantes de automóveis instalados no Brasil, quer pela disponibilidade local de componentes, quer pelo fato dessas indústrias exportarem parte expressiva de sua produção local. Enquanto as exportações de veículos convencionais exigem adaptações específicas ( tuning-up ) segundo os países aos quais se destinam, em função das especificações dos combustíveis disponíveis em cada um, veículos a bateria poderão ser fabricados e exportados de •
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forma mais padronizada, reduzindo custos. Em diversos países, os avanços da indústria refletem políticas de governo que incentivaram seu desenvolvimento através de inovações que rompem paradigmas e permitem superar as dificuldades de diversas naturezas, constituindo relevante, senão indispensável impulso inicial. Além dos instrumentos clássicos de incentivo fiscal observam-se posturas municipais que privilegiam o uso de veículos elétricos no trânsito, refletindo as vantagens ambientais que esses veículos proporcionam. Aspectos fiscais, que atualmente desfavorecem a competitividade e a atratividade dos veículos elétricos, são relevantes e precisam ser modificados sem maior demora pelas autoridades governamentais federais, estaduais e municipais. Veículos elétricos e seus componentes vêm sendo taxados mediante alíquotas mais elevadas do que seus similares à combustão interna, apesar de apresentarem maior eficiência energética e menor impacto no meio ambiente. Essa distorção precisa ser urgentemente sanada. É necessário implantar uma política de estímulo fiscal, com redução de alíquotas, vigorando enquanto esse mercado for de pequeno porte. Essas medidas temporárias pouco afetarão as receitas fiscais, pelo reduzido porte inicial desses mercados. Registra-se a necessidade de serem evitadas dificuldades de homologação e de licenciamento de novos veículos, bem como daqueles que venham a ser convertidos para elétricos, opção adotada para importante parcela dos veículos elétricos nos EUA e importante mercado para ocupação e formação de mão-de-obra especializada. Ficou patente que, para algumas aplicações, como no transporte público, o custo inicial dos veículos, além de compensado pela redução de custos operacionais, poderá ser mitigado por condições de financiamento mais favoráveis do que aquelas oferecidas para veículos convencionais, tendo •
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em vista a maior durabilidade dos veículos elétricos. Constatou-se que a iniciativa do BNDES de financiar em condições especiais os investimentos em ônibus elétricos híbridos tem sido frustrada por problemas de operacionalização dessas operações, o que deverá ser objeto de medidas corretivas para viabilizá-las. Ressalte-se o caráter estratégico, no Brasil, da criação de uma base tecnológica para o desenvolvimento da concepção e produção de VE e de seus principais componentes, tendo em vista a importância da inovação e da adaptação nessa atividade. O país, que e pioneiro em algumas áreas, corre o risco de ficar defasado tecnologicamente apesar da importância do mercado cativo, pois economias avançadas já saíram na frente no desenvolvimento e emprego de veículos elétricos. As estimativas de penetração de veículos elétricos no mercado não indicam impacto significativo na demanda total de energia elétrica no sistema elétrico brasileiro, sendo inferior à margem de erro normalmente aceita para as previsões de crescimento dessa demanda. As baterias utilizadas nos veículos elétricos vêm apresentando considerável evolução em termos do custo do kWh armazenado, com redução de peso e volume. Atualmente, para a maioria dos usos urbanos, a autonomia dos veículos a bateria já alcança níveis suficientes, deixando de constituir uma limitação, como o foi no passado. O abastecimento ou carregamento das baterias será feito nas residências, nos estacionamentos e, para suprimentos complementares (emergenciais), a carga das baterias poderá ser obtida em eletropostos, como aqueles já implantados em diversos países, inclusive no Brasil. A recarga de baterias tenderá a ser feita, principalmente, em sistemas de baixa tensão, para o que, em algumas áreas, as distribuidoras terão adequar suas redes. •
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Porém o benefício auferido por elas será maior, pois aumentarão suas vendas com relativamente pouco investimento adicional, especialmente se as recargas ocorrerem em horários fora daquele ponta de carga. As características dos edifícios residenciais e comerciais nos grandes centros urbanos poderão exigir alterações nas formas de medição do fornecimento de energia elétrica para esses veículos, bem como demandar adequado ajuste das regras de comercialização de energia elétrica pelas empresas distribuidoras. • Adicionalmente, o desenvolvimento de redes inteligentes (smart-grids) ensejará a utilização dos veículos elétricos como reservas de potência descentralizadas; a utilização da carga armazenada nas baterias para atendimentos emergenciais e variados serviços ancilares podem aportar resultados significativos em termos de qualidade do fornecimento de energia e da eficiência elétrica. Essas considerações mostram que o presente momento é crucial para que sejam adotadas e implementadas, pelas autoridades governamentais e pela sociedade brasileira, medidas que viabilizem e incentivem o desenvolvimento, produção e utilização de veículos elétricos no país. O Brasil, para assegurar permanentemente uma posição de destaque no cenário mundial, deverá demonstrar seu compromisso com suas metas voluntárias de redução de emissão de gases de efeito estufa, além de outros efluentes nocivos. A adoção de uma política global de uso de veículos elétricos contribuirá para que o Brasil se desenvolva conforme suas-potencialidades, de forma sustentável e socialmente justa. ABVE - Associação Brasileira do Veículo Elétrico INEE - Instituto Nacional de Eficiência Energética.
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GOVERNO CULPA CARRO E MOTO POR POLUIÇÃO Segundo estudo, em 2009 as emissões de CO do transporte individual equivaleram a 83% do total do poluente, ante 2% dos ônibus. Denise Menchen (Folha de São Paulo) * A frota de carros e motocicletas do país emite 40 vezes mais CO (monóxido de carbono), poluente oriundo da queima de petróleo e que afeta o sistema cardiovascular, do que a frota de ônibus urbanos. É o que revela estudo inédito divulgado ontem pelo Ministério do Meio Ambiente, que fez um inventário das fontes de poluição por veículos usados no transporte rodoviário. Segundo o estudo, em 2009 as emissões de CO por parte de carros e motos corresponderam a 83% do total desse gás no transporte rodoviário. Os ônibus responderam por 2%. O número de usuários em cada modalidade, porém, foi equivalente: o transporte coletivo somou 16,8 bilhões de passageiros em 2008 e 2009 e o individual, 17 bilhões. Para o ministro Carlos Minc (Meio Ambiente), o resultado, “completamente gritante e chocante”, revela a falência do modelo de transporte no Brasil. “Isso mostra realmente a falência do sistema público de transporte, o atraso do metrô, as deficiências do trem, questões que a gente tenta enfrentar agora em algumas cidades.” Ao longo das últimas três décadas, porém as emissões de poluentes como o CO vêm caindo no país, a despeito do aumento da frota de veículos – em 1980, o número de carros era de 7,5 milhões; em 2008, bateu 21,1 milhões. Somando-se *
Publicado na Folha de São Paulo, C4 (Cotidiano), 26 de março de 2010.
os outros veículos, a frota nacional em circulação chega a 36 milhões de unidades.
Limites De acordo com o ministro, a queda ocorreu devido à implantação do Proconve (Programa de Controle de Poluição Veicular), no fim dos anos 80. O programa, que passou a estipular limite máximo de emisões de poluentes, levou ao desenvolvimento de motores e combustíveis. “Antes, a emissão de CO de um carro era de 58 g/km; hoje, o limite máximo é de 0,5g/km”, explica o gerente de qualidade do ar do ministério, Rudolf Noronha. Na próxima fase do programa, que deve ser implantada em 2013, o valor máximo será de 0,3g/km. Com isso, as emissões de CO em 2009 foram de aproximadamente 1,5 milhão de toneladas. Em 1992, o total ficou próximo de 5,5 milhões de toneladas, maior valor já registrado no país. Reduções semelhantes também foram verificadas nas emissões de hidrocarbonetos não metano, óxidos de nitrogênio, material particulado e aldeídos, poluentes que também são regulados pelo governo. A liberação de CO2 (dióxido de carbono) decorrente da queima de combustíveis fósseis, porém, aumentou de forma contínua ao longo dos anos – dos 60 milhões de toneladas anuais estimados para 1980, passou para 140 milhões de toneladas em 2008. O CO2 é um dos gases responsáveis pelo aquecimento global, mas, como não era considerado poluente, não teve seus limites de emissão estabelecidos pelo governo.
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ETANOL E VEÍCULOS ELÉTRICOS: VIA DE MÃO ÚNICA OU DUPLA?* Fabiano Mezadre Pompermayer * INTRODUÇÃO A matriz energética brasileira é das mais limpas do mundo, com mais de 45% da energia consumida no país sendo gerada a partir de fontes renováveis (Brasil, 2008). A matriz energética mundial possui apenas 12,9% de fontes renováveis. Das fontes renováveis consumidas no Brasil para geração de energia, 37% provêm da cana-de-açúcar – somando-se o etanol e o bagaço de cana –, 30% de energia hidráulica, 26% de lenha e carvão vegetal e 7% de outras fontes. A geração de energia, seja para a produção de eletricidade, seja para transporte de pessoas e cargas, é o principal fator de emissões de gases de efeito estufa no mundo. No Brasil, a geração de eletricidade é fortemente baseada na energia hidráulica, com baixas emissões líquidas de gases de efeito estufa, mas as emissões provenientes dos transportes são consideráveis. A isto se acrescentam as emissões oriundas do desmatamento, ainda considerado a maior fonte emissora de CO2 no país. As pressões internacionais para a redução de emissões no Brasil estão focadas no desmatamento, em especial da Amazônia. Assim, as exigências quanto à redução de emissões a partir da geração de energia no Brasil ainda são reduzidas, não obstante a participação de fontes renováveis em nossa matriz vir decrescendo. As pressões para que se reduzam as emissões na geração de energia, especialmente a usada em transportes,
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Do Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada, Ipea.
têm crescido substancialmente, apesar de a COP15 28 ter apresentado poucos avanços concretos. Na Europa, as emissões do setor de transporte respondem por mais de um quinto do total, e este é o único setor que as tem aumentado (EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY, 2010). Grande parte das emissões de gases de efeito estufa nesse setor ocorre no transporte individual diário, no qual as pessoas utilizam seus carros para ir de casa ao trabalho, e do trabalho para casa, em deslocamentos curtos e geralmente a baixas velocidades. É exatamente neste tipo de transporte que os automóveis elétricos podem substituir os automóveis movidos a motores de combustão interna, reduzindo substancialmente a emissão de poluentes. É claro que existe a possibilidade de emissão de gases na geração da energia elétrica, dependendo da fonte utilizada. De qualquer forma, já haveria uma redução das emissões de gases de efeito estufa, pois os automóveis elétricos são mais eficientes que os movidos a motores de combustão interna no tráfego urbano, em especial quando em baixas velocidades e constantes acelerações e frenagens. Na Europa, considerando a atual matriz de geração elétrica – que contém fontes não emissoras de CO2, como a nuclear e a eólica, mas também utiliza carvão mineral, óleo combustível e gás natural –, estimase que as emissões seriam reduzidas em 50% com a substituição de automóveis com motores a combustão interna por automóveis elétricos. A Agência Ambiental Europeia estima que veículos elétricos corresponderão a 60% das vendas em 2050, constituindo cerca de 25% da frota mundial. Entretanto, este seria o cenário moderado, e as estimativas têm grande variação devido às incertezas quanto ao desenvolvimento tecnológico e ao comportamento do consumidor. Para um horizonte mais curto, 28
COP15: UN Climate Change Conference – 2009, em Copenhague. 121
as próprias montadoras projetam em 2% a participação de carros elétricos nas vendas mundiais de automóveis em 2020, com a Renault-Nissan sendo mais otimista, projetando 10% de participação (CAMPOS, 2010). O etanol também seria adequado para substituir os combustíveis fósseis usados no transporte individual diário, com a vantagem de ter aplicação mais versátil que os automóveis puramente elétricos, podendo proporcionar mais autonomia e ser usado em veículos de maior porte. Porém, existem barreiras à utilização de ambas as tecnologias. No Brasil, a solução natural seria o uso mais intensivo do etanol, associado a uma melhor oferta de transporte público urbano. Entretanto, nos demais países, a tecnologia de veículos elétricos despontou como a melhor alternativa para os veículos com motores de combustão interna. Tal escolha é influenciada, também, pela intenção de se renovar a indústria nos países mais desenvolvidos, principalmente após a crise financeira de 2008. É interessante, ou mesmo viável, o Brasil se isolar em relação ao mundo quanto à tecnologia usada na propulsão de automóveis? Os fabricantes de automóveis manteriam no país produtos tecnologicamente tão distintos? Haveria evolução tecnológica dos motores movidos a etanol, ou dos motores flex , se o único mercado consumidor fosse o nosso? Este estudo busca analisar algumas das opções para o etanol brasileiro num cenário de ampla utilização dos automóveis elétricos nos demais países do mundo, fomentando o debate sobre as políticas públicas brasileiras em relação a meio ambiente, energia, indústria, e pesquisa e desenvolvimento.
MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA
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Mais de 45% da matriz energética brasileira é proveniente de fontes renováveis, numa composição bem melhor que a matriz energética mundial (gráfico 1). Entretanto, ao se avaliar o consumo de energia por setor, aparecem alguns pontos dignos de atenção. Conforme o gráfico 2, os dois setores de maior consumo são o industrial e o de transportes, os quais, em comparação aos demais, recorrem menos a fontes renováveis, devido, basicamente, ao menor uso de energia elétrica. Esta, no Brasil, é originária principalmente da energia hidráulica, o que permite, na geração elétrica, um índice de fontes renováveis de 89% – contra 18% da média mundial. O segundo ponto de atenção, mais importante, é que o setor de transporte opera com um índice de fontes renováveis de apenas 15%. Saliente-se que, se comparado ao mesmo setor em outros países, é um ótimo índice, devido ao uso do etanol em parte dos automóveis brasileiros, e à adição do etanol anidro à gasolina. Contudo, é um setor cujo consumo de energia vem crescendo fortemente, e com ele as emissões de gases de efeito estufa, apesar do emprego do etanol. Um dos principais problemas causadores de emissões no setor de transporte é sua baixa eficiência energética. No transporte de cargas inter-regional há o uso intensivo do modal rodoviário, em detrimento do ferroviário e do aquaviário. Por sua vez, nos centros urbanos a oferta precária de transporte público e a maior facilidade de aquisição de automóveis e motocicletas têm aumentado o transporte individual (CARVALHO e PEREIRA, 2009), que leva mais veículos às ruas, provocando congestionamentos e mais poluição. Mesmo sem os congestionamentos, o transporte individual já é menos eficiente, do ponto de vista energético, do que o transporte público. O uso do etanol resolve em parte o problema de emissões, mas pouco contribui para uma melhor eficiência energética. Em resumo, há um sério risco de o Brasil deixar de 123
ter uma matriz energética das mais limpas do mundo, em virtude do alto consumo de energia não renovável no setor de transportes.
CARROS ELÉTRICOS: VANTAGENS E PRINCIPAIS BARREIRAS A SUA UTILIZAÇÃO
Automóveis elétricos são excelentes candidatos a substituírem os automóveis convencionais em seu uso mais frequente, que é o transporte diário de casa para o trabalho e de volta para casa ao final do dia. Pesquisas realizadas na Europa indicam que cerca de 80% das viagens de automóveis perfazem menos de 20 quilômetros, e que os europeus percorrem, em média, menos de 40 quilômetros por dia (EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY, 2009). Para estas distâncias, o automóvel elétrico é perfeitamente aplicável, pois se trata de percursos inferiores aos permitidos pelas baterias, que têm na baixa autonomia uma de suas principais limitações. Além da menor emissão de gases de efeito estufa, que pode ser até zero, dependendo do método de geração de energia elétrica, os automóveis elétricos não produzem outros poluentes, como particulados, e são muito mais silenciosos que os automóveis convencionais, a motores de combustão interna29. Entretanto, o que fazer nos dias em que o usuário precisa realizar viagens mais longas? Parar a cada 200 29
Estudos indicam uma eficiência energética global de 20% a 50% melhor dos veículos elétricos em relação aos movidos a gasolina, considerando-se a geração de eletricidade em termelétricas a carvão mineral e a gás natural. Sobre esse assunto, há alguns estudos disponíveis em:
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quilômetros para recarregar as baterias por duas a quatro horas não é uma opção plausível. Um modelo que pode viabilizar tanto curtas quanto longas viagens é o desenhado pela Better Place 30 empresa americana que propõe um modelo de leasing de baterias, com uma rede de pontos de recarga e postos de troca de bateria, caso não se disponha de tempo para deixar o veículo ligado na tomada. Outra opção é a de veículos híbridos, com motores de combustão interna associados a baterias e motores elétricos, cuja autonomia chega a superar a dos automóveis convencionais. Esta alternativa, entretanto, envolve maiores custos por veículo que um modelo puramente elétrico. Outra barreira ao pleno uso de automóveis elétricos é que, para conseguirem maior autonomia e usarem baterias menores, seu componente de mais alto custo, os automóveis elétricos tendem a ser pequenos. Os compradores de automóveis costumam associar carros pequenos a carros populares, não aceitando pagar um preço prêmio por tais automóveis, que teriam custo de fabricação mais alto se fossem elétricos. Além disso, o consumidor de automóvel também prefere comprar um veículo que atenda a todas as suas utilizações – inclusive a sua viagem no feriado, quando precisa de um veículo grande e com boa autonomia, mesmo que seu uso mais frequente seja para rodar menos de 40 quilômetros diários, e com apenas um ocupante. Há ainda a questão da infraestrutura elétrica, tanto para geração quanto para distribuição. Pontos diversos para recarga das baterias serão necessários, assim como postos de troca no modelo de leasing de baterias. Além disso, sistemas inteligentes de fornecimento de energia elétrica (smart electricity grids) são necessários para evitar picos de consumo de energia elétrica e viabilizar a geração a partir de fontes renováveis, como a hidráulica, a eólica e a solar. Estes 30
Disponível em: . 125
sistemas podem assegurar o fornecimento de energia para recarga de cada bateria quando houver oferta de eletricidade proveniente destas fontes, ou mesmo quando o custo de geração for mais baixo, ainda que procedente de combustíveis fósseis. Por fim, deve-se mencionar o descarte das baterias. Além do alto custo de produção, as baterias não podem – ou pelo menos não devem – ser descartadas em lixo comum ao final de sua vida útil. As baterias têm em sua composição metais pesados, que são tóxicos, podendo trazer danos se descartados inadequadamente. Isto acrescenta custos à utilização do veículo elétrico.
ETANOL: CONCORRENTE OU COMPLEMENTAR AOS CARROS ELÉTRICOS?
Veículos movidos a etanol seriam naturais substitutos dos automóveis convencionais – devendo-se sempre colocar na balança as demais oportunidades, custos e sacrifícios de usos de recursos concorrentes. Não há perda expressiva de autonomia em relação aos veículos movidos a gasolina, sendo possível utilizar o etanol em veículos de maior porte, e tecnologicamente a proposta não implica grande mudança para a indústria automobilística. As principais barreiras para seu uso em larga escala nos demais países do mundo são: a necessidade de se construir uma infraestrutura de distribuição e abastecimento, dado que os tanques e dutos usados para derivados de petróleo estariam suscetíveis a corrosão se usados para o etanol; e a necessidade de importação do etanol, devido à pequena capacidade de produção local nos países de maior consumo. Discute-se também a potencial redução da área plantada para a produção de alimentos. Entretanto, o destaque que os países desenvolvidos deram a este argumento, no passado, sugere mais o propósito de desviar a atenção da real ameaça que o etanol lhes traz: a dependência energética em 126
relação aos poucos países produtores. Esta é, provavelmente, a principal barreira à adoção do etanol como substituto de boa parte dos derivados de petróleo no transporte. Nesse sentido, ressalte-se que o Brasil é o país que apresenta melhores condições de produzir etanol em quantidades e custos aceitáveis. Sempre existe a possibilidade de se aumentar a oferta de etanol produzido por outros países. Por exemplo, alguns países da África, do Caribe e da América do Sul podem produzir etanol a partir da cana-de-açúcar, usando técnicas de plantio e tecnologias de destilação brasileiras. Isto, contudo, não reduziria a dependência externa dos principais países consumidores de combustíveis para automóveis, apenas reduziria a concentração da oferta. Outra opção é a produção de etanol de segunda geração 31 que, todavia, ainda está em fase de pesquisa. Em princípio, este tipo de etanol poderia ser produzido nos principais países consumidores. O ponto negativo desta alternativa é que, em relação ao etanol destilado da cana-de-açúcar, o Brasil é menos avançado nesta tecnologia. Por um lado, em comparação ao automóvel elétrico o veículo movido a etanol é mais versátil e tecnologicamente mais parecido com os automóveis convencionais, e a adequação necessária quanto à infraestrutura é menos complicada. Por outro, a dificuldade de produção do etanol é uma barreira forte, e os automóveis elétricos geralmente propiciam melhor eficiência energética. Se for confirmada a preferência pelos automóveis elétricos nos países desenvolvidos, e também em países com 31
Diversas são as rotas tecnológicas atualmente pesquisadas para o desenvolvimento dos novos processos de segunda geração, sendo, no momento, a hidrólise e a gaseificação da biomassa as mais promissoras. A este respeito, consultar: . 127
grande demanda por automóveis, como China e Índia, qual seria a aplicabilidade da tecnologia de motores movidos a etanol já consolidada no Brasil? Seria adequado restringir os automóveis elétricos no Brasil para garantir mercado aos atuais fabricantes de automóveis flex e aos produtores de etanol? Seria possível exportar o modelo de automóveis flex para o restante da América do Sul? Uma aplicação viável para o etanol, não concorrente com os automóveis elétricos, seria seu uso no transporte de cargas, em caminhões e mesmo trens, e, no transporte público urbano, nos ônibus. Estes veículos apresentam consumo energético por quilômetro muito alto, além de operarem por longos períodos, sendo inviável a utilização de baterias elétricas para sua propulsão. A adequação dos motores de combustão movidos a óleo diesel para funcionar com etanol é viável, a um custo ligeiramente superior ao das adequações necessárias ao motor de combustão movido a gasolina. No Brasil, sua utilização ainda não é adequada devido ao custo por quilômetro que um caminhão teria para rodar com etanol, muito superior ao custo do diesel. Nos outros países, onde o etanol ainda não é empregado em substituição à gasolina, isto é, onde seu preço final não é balizado pelo preço da gasolina, a introdução do etanol em substituição ao diesel seria factível com uma menor necessidade de subsídios que no Brasil. Em vez de subsídios, podem-se introduzir impostos sobre o consumo de combustíveis emissores de gases de efeito estufa, não incidentes no etanol. O etanol, neste caso, competiria com o biodiesel, que já vem sendo usado nestes tipos de veículos. O biodiesel exige menor adaptação dos motores a diesel. Por seu turno, a oferta de biodiesel tem sofrido restrições de óleos vegetais para sua fabricação. A principal fonte, atualmente, é o óleo de soja, cujo preço internacional tem onerado os cofres públicos para sua utilização como insumo do biodiesel. A melhor opção “verde”, seja etanol ou biodiesel, para os veículos atualmente movidos a diesel, dependerá de diversos 128
fatores, entre eles a eficiência na produção agrícola em termos de área plantada necessária por quilômetro rodado. Outra possibilidade é o emprego do etanol nos automóveis de porte médio e grande, como grandes sedans , vans , camionetes e sport utility vehicles (SUVs), nos quais o uso de propulsão puramente elétrica é menos adequado. Para estes veículos, cujos preços já são mais elevados, poderia ser utilizada a tecnologia de propulsão híbrida, a bateria elétrica e a motor de combustão interna, dependendo da opção mais eficiente em cada condição de tráfego e da autonomia necessária. Este motor a combustão interna seria movido a etanol. Obviamente, esta opção também é viável para os derivados de petróleo, gasolina e óleo diesel, o que para o Brasil, como potencial exportador de petróleo e derivados, não é mau negócio, pois mantém a demanda mundial por estes produtos. De qualquer forma, para viabilizar tanto o etanol quanto os veículos elétricos, ou no mínimo acelerar a mudança, uma eficiente regulação, com a combinação de incentivos e penalidades, deve ser elaborada. A energia para os carros elétricos se originará das fontes existentes, e dado o custo de geração mais elevado a partir das fontes solar e eólica, é natural que parte seja proveniente de combustíveis fósseis, ou ainda da energia nuclear. Neste contexto, uma possibilidade é a utilização do etanol, e de outros produtos da cana-de-açúcar, nas centrais termelétricas. Para gerar energia elétrica de combustíveis fósseis com reduzida emissão de gases de efeito estufa estão sendo estudadas as tecnologias de captura e armazenagem de carbono, mais conhecidas como CCS (carbon capture and storage). Entretanto, mesmo que se tornem viáveis técnica e economicamente, os sistemas de CCS devem ser implantados, primeiramente, em novas termelétricas. Nas centrais existentes, movidas a carvão mineral, óleo combustível e gás natural, a adaptação para o CCS pode ser onerosa demais.Nestas, poderia ser utilizado o etanol, ou mesmo outras 129
fontes renováveis como o carvão vegetal, para as quais os custos de conversão devem ser menores que para o CCS. Isto reduziria sobremaneira as emissões na geração de energia elétrica nestas centrais.
CONSIDERAÇÕES FINAIS A utilização do etanol como combustível dos automóveis nos demais países do mundo não parece ser a opção de mais provável escolha para se reduzir a emissão de gases de efeito estufa, sendo o uso de automóveis elétricos a opção mais discutida no momento. Neste cenário, nem mesmo a utilização do etanol no Brasil parece viável, uma vez que a tecnologia de motores de combustão interna para pequenos veículos ficaria praticamente restrita ao país. Entretanto, o uso de eletricidade para a propulsão de veículos é menos adequada quando os veículos são grandes e quando sua operação ocorre por longos períodos ininterruptos, como no transporte de carga e no transporte público urbano. Esta é uma potencial aplicação do etanol em substituição aos combustíveis fósseis atualmente utilizados. Para viabilizar este cenário, há ainda algumas barreiras, em especial o preço do etanol em relação ao do óleo diesel no Brasil, que tornaria antieconômico o emprego do etanol nos veículos hoje movidos a óleo diesel. Ademais, apesar de já existir tecnologia para se utilizar o etanol nos veículos movidos a diesel, ela se encontra em um grau de desenvolvimento menor que o dos motores flex , de ciclo Otto, usados em automóveis. Existe ainda a opção do biodiesel, que atualmente enfrenta dificuldades no que concerne ao aumento da oferta de óleos vegetais a um custo competitivo. A opção que talvez tenha menor resistência nos países desenvolvidos é a utilização do etanol em automóveis de grande porte, preferencialmente de propulsão híbrida. Os veículos híbridos já têm o apelo de agredirem menos o meio ambiente. Se os motores de combustão interna neles utilizados 130
forem movidos a etanol, eles teriam virtualmente emissões zero de CO2, equiparando-se aos veículos puramente elétricos. Além disso, não teriam o problema das emissões na geração de energia elétrica, que geralmente ocorre em centrais termelétricas. Por fim, seriam automóveis versáteis, podendo ser usados tanto no deslocamento diário, de curta distância, quanto em percursos de longa distância e com maior quantidade de pessoas e carga, como nos fins de semana. Para fomentar esta aplicação, o Brasil precisará interagir com a indústria automobilística mundial, tanto para fornecer etanol aos automóveis híbridos já fabricados nos países desenvolvidos, como a fim viabilizar a utilização destes veículos em seu próprio território, onde a infraestrutura de distribuição do etanol já está desenvolvida. Ainda não há uma definição de qual será a tecnologia dominante na propulsão ecologicamente correta dos veículos, sejam estes movidos a baterias elétricas, a biocombustíveis como o etanol, ou mesmo a células de hidrogênio. Os países desenvolvidos continuam avaliando os biocombustíveis, e o Brasil conseguiu bons resultados nas avaliações de seu etanol pela Agência de Proteção Ambiental Americana (EPA) e pelo Instituto Internacional para Pesquisa em Política Alimentar (IFPRI) (AL-RIFFAI, DIMARANAN, e LABORDE, 2010). A manutenção dos preços do petróleo em patamares elevados, em especial os anteriores à crise de 2008, contribui para o desenvolvimento dos veículos elétricos, mas também incentiva o etanol. De qualquer forma, se há interesse do Brasil em viabilizar o etanol como forma de reduzir a emissão de gases de efeito estufa no mundo, é necessário pensar em alternativas que se complementem às demais tecnologias, caso não seja possível tornar o etanol a opção dominante. Além disso, se o etanol não for adotado nos demais países, que não se incorra no erro de isolar o Brasil tecnologicamente, apenas para viabilizar sua utilização. Aplicações diversas existem para o etanol, sendo necessário o 131
seu desenvolvimento, bem como a elaboração de um eficiente sistema de incentivos e penalidades que leve o usuário a adotá-lo. REFERÊNCIAS AL-RIFFAI, P.; DIMARANAN, B.; LABORDE, D. / Global trade and environmental impact study of the EU Biofuels Mandate. IFPRI, Final Draft Report, March, 2010. Disponível em: . BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Balanço Energético Nacional. 2008 Disponível em: . CAMPOS, J. R. Montadoras na encruzilhada. Valor Econômico, 8 de abril, 2010. CARVALHO, C. H. R.; PEREIRA, R. H. M. Efeitos da variação da tarifa e da renda da população sobre a demanda de transporte público coletivo urbano no Brasil. Brasília: Ipea. Boletim Regional, urbano e ambiental, n. 03, dez. 2009. EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY. The electric car - a green transport revolution in the making? Jan., 2010. Disponível em: .
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Carlos Ghosn (entrevista)
“O CARRO ELÉTRICO É PRESENTE, NÃO FUTURO” O presidente mundial da Renault-Nissan diz que a nova face da indústria automobilística no século XXI será moldada pelos carros elétricos e populares O brasileiro Carlos Ghosn está no Centro de uma das maiores transformações da indústria automobilística em todos os tempos. Como presidente mundial da Renault-Nissan, o quarto maior grupo automotivo global (6,1 milhões de veículos vendidos em 2009), ele comanda projetos que ajudarão a mudar o setor neste século. Entre eles, destaca-se a produção de carros elétricos, prevista para o ano que vem nos Estados Unidos e no Japão, e de novos modelos populares, para atender à crescente demanda de mercados emergentes. No início de abril, Ghosn (fala-se Gón em francês) surpreendeu o mercado ao anunciar uma parceria com a DaimlerBenz, a fabricante do Mercedes, para compartilhar linhas de montagem, produzir carros populares e desenvolver tecnologia para carros elétricos, motores e vans. Segundo ele, é a única forma de reduzir custos e realizar os investimentos necessários para lançar modelos a preços mais acessíveis. Sua trajetória fez dele um dos executivos mais influentes e respeitados do mundo. No início da década, como presidente da japonesa Nissan, Ghosn ganhou status de celebridade no Japão ao revigorar a montadora, então com dívidas de US$ 20 bilhões. Implacável na gestão dos custos, ele renegociou contratos com fornecedores e demitiu 21 mil trabalhadores, o que lhe rendeu o apelido de Le Cost Killer (o matador de custos). Virou tema de livros e teses acadêmicas. Tornou-se até personagem de mangá. Seu sucesso o credenciou a acumular, em 2005, o comando da francesa Renault, associada à Nissan desde 1999. Na semana passada, Ghosn esteve no Brasil para abrir o Fórum da Liberdade, em Porto Alegre, anunciar uma parceria com a prefeitura de São Paulo, para avaliar os investimentos necessários para o uso de carros elétricos na cidade, e participar do lançamento do novo Logan, da Renault, em Salvador. Nossa conversa ocorreu num hotel da capital gaúcha. Com seu jeito afável e um forte sotaque francês,
Ghosn falou sobre os carros verdes, o futuro da indústria e os planos da Renault-Nissan para o Brasil.
ÉPOCA – Durante a crise, uma explosão de vendas de carros em países emergentes reduziu os prejuízos da indústria. Essa mudança é temporária ou veio para ficar? Carlos Ghosn – Não é temporária. Apareceu de um jeito muito nítido durante a crise - as vendas nos países desenvolvidos caíram muito e os países emergentes se saíram muito bem. Mas, antes da crise, as vendas nos mercados emergentes já cresciam muito mais. ÉPOCA – Como os emergentes deverão moldar os planos das montadoras? Ghosn – Vai mudar muita coisa. Haverá mais lançamentos e mais fábricas nos países emergentes.Haverá também mais produtos concebidos com engenharia e design adaptados a eles, porque somos homens de negócios, somos pragmáticos. Vamos seguir o mercado. Recentemente, foi para Abu Dhabi (Emirados Árabes Unidos) para lançar o Patrol, um carro importante da Nissan. Fizemos o lançamento lá porque o principal mercado desse carro são os países árabes. Antes, ele era lançado no Japão. ÉPOCA – Isso significa que teremos lançamentos de carros mais baratos, como o Nano, desenvolvido pela Tata, da Índia? Ghosn – Você vai ter carros muito baratos, de US$ 3 mil ou USS 4 mil. É um jeito de atrair as pessoas que hoje dirigem uma motocicleta ou um triciclo. É uma forma também de estimular quem tem carro usado a comprar um novo. O Nano não será um fenómeno limitado. Haverá concorrência. ÉPOCA – No início de abril, a Renault-Nissan anunciou uma parceria com a Daimler-Benz, para desenvolver projetos em conjunto. Esse tipo de acordo é a única forma de a indústria sobreviver? Ghosn – Há duas tendências claras. A primeira é que as montadoras não gostam de fazer fusões, porque elas têm de abandonar sua personalidade, suas marcas. Eu pessoalmente não acredito em fusões. Isso pode funcionar a curto prazo, mas não 134
funciona no longo prazo - a grande maioria das fusões morre em cinco ou dez anos. Ao mesmo tempo, precisamos de economia de escala, para diminuir o custo de produção, e de grandes investimentos. Precisamos desenvolver tecnologias muito diversas - carro elétrico, híbrido, movido a hidrogênio, a diesel, a gasolina, a etanol, flex. Depois, temos de oferecer carros superbaratos, populares, sedans familiares, esportivos, 4X4, carros de luxo. E ainda temos de estar nos principais países emergentes. Hoje, você não pode esquecer a China, a Índia, o Brasil. Tudo isso demanda investimentos maciços. Nenhuma montadora aguenta fazer isso sozinha. ÉPOCA – Esse negócio de carro elétrico ou movido a hidrogénio, com emissão zero de gás carbónico, vai se tornar realidade? Ghosn – O carro elétrico-deverá chegar ao mercado em 2011. No Japão e nos EUA, o esforço de marketing começará já no final deste ano. Aqui ele poderá chegar em 2012 ou 2013. Será uma mudança importante. Quando você viajar para Paris, vai ter táxi elétrico. Em São Paulo, a mesma coisa. Isso é uma tecnologia do presente, não do futuro. O carro movido a hidrogênio virá mais para a frente. ÉPOCA – Algumas montadoras optaram por investir na produção de carros híbridos. A Renault-Nissan preferiu apostar em carros elétricos. Por quê? Ghosn – Também temos carros híbridos. Nos Estados Unidos, vendemos o Altima. Mas isso não é suficiente. Temos de ir para o carro de emissão zero, totalmente independente do petróleo. Além disso, o híbrido é um carro mais caro. Ele usa duas tecnologias, o motor elétrico e o movido a gasolina. O consumidor quer um carro mais favorável ao meio ambiente, mas pelo custo normal. Com o carro elétrico, você pode oferecer isso. ÉPOCA – Mas o carro híbrido não exige uma infraestrutura própria para carregamento de baterias... Ghosn – A infraestrutura já existe. São os postos de gasolina. Por que não usá-la para colocar contos de carregamento de baterias? 135
Os investimentos para popularizar o carro elétrico não são tão altos. ÉPOCA – A tecnologia brasileira do flex poderá fazer parte desse cardápio global? Ghosn – Dificilmente, porque o Brasil tem condições ideais para produzir etanol de forma competitiva. A Europa não tem. A Ásia também não. O uso do flex e do etanol será bem limitado em nível mundial. ÉPOCA – Então a ideia de o Brasil exportar etanol e tecnologia flex é fantasia? Ghosn – O problema do petróleo é que muitos países dependem da importação para o sistema de transporte. Substituir o petróleo pelo etanol é só trocar a dependência. No caso da eletricidade, você não depende de ninguém. ÉPOCA – Recentemente, o senhor disse que a Renault-Nissan pretende ampliar sua presença no Brasil. Como? Ghosn – Hoje, a participação de mercado da Renault no Brasil é de 5% e da Nissan de 1%. Queremos ter, no Brasil, o mesmo nível de participação que temos no mercado global, em torno de 10%. O mais rápido possível. A Nissan vai lançar novos produtos, vai entrar na linha de carros populares, na faixa de preço em torno de R$ 20 mil. Se você não participa desse mercado, é difícil fazer qualquer coisa no Brasil. Com a Renault, não estou tão preocupado, porque ela já atua nesse segmento. Precisamos agora transformar isso em participação de mercado. Queremos avançar de 5% para mais de 7%. ÉPOCA – A ideia é usar a planta da Renault em São José dos Pinhais, no Paraná, para produzir esses veículos? Ghosn – Sim. Ela ainda não está saturada. ÉPOCA – Quando será lançado o carro popular da Nissan no país? Ghosn – Em geral, nossos projetos levam dois ou três anos para amadurecer. ÉPOCA – Quanto a Renault-Nissan pretende investir nos próximos anos? 136
Ghosn – Haverá investimentos pesados em novos produtos da Renault e da Nissan e aumento de capacidade de produção de motores, das fábricas. Não tenho o montante na cabeça. Sei que só a Renault vai investir R$ l bilhão até 2012. ÉPOCA – Considerando que o salto da Nissan deverá ser bem maior que o da Renault, podemos esperar que o investimento total seja no mínimo o dobro... Ghosn – Não vamos anunciar nenhum número hoje. Não vamos ficar chutando números.
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Salão Genebra 2010
Ferrari verde e Citröen elétrico na onda ecológica de Genebra * Ferrari 599 HY-KERS. Que tempos vivemos... Até a casa de Maranello se vê obrigada a assumir o verde – no caso, um vistoso metálico! A Ferrari mostra em Genebra o "carrolaboratório" Hy-Kers, testando um sistema híbrido. O protótipo usa uma versão de rua do Kinetic Energy Recovery System, adotado pela Fórmula-1 no ano passado, que transforma a energia cinética liberada durante a freagem em energia elétrica. Isso alimenta um motor elétrico ligado à transmissão (no modelo 599, câmbio e diferencial vão montados no eixo traseiro). São 100cv extras, ajudando o V12 a gasolina em momentos de pico de potência. As baterias que guardam a energia ficam localizadas atrás do diferencial e, juntamente com o motor elétrico, pesam cerca de lOO kg.
Ferrari 599 HY-KERS: aproveitamento da energia cinética liberada durante *
p. 3.
Publicado em “O Globo”, 03.03.2010, caderno CARROETC,
a freagem, como nos F-1 de 2009. A cor verde é sugestão ecológica.
CITROEN SURVOLT: É uma espécie de meio-termo entre um esportivo estilo Bugatti e os veículos do filme "Tron". Reconhecida pela ousadia visual, a Citroën mostra em Genebra o futuro de suas linhas através deste conceito movido a eletricidade. O Survolt tem 3,85 metros de comprimento e, segundo a Citröen, tem um “punch” de carro de corrida.
O Citröen Survolt é apenas um estudo de estilo e propulsão elétrica
RINSPEED UC: O Salão de Genebra não está completo se não houver uma criação maluca da Rinspeed, empresa local especializada em protótipos. A sigla UC vem de Urban Commuter, um “carro urbano do dia a dia. Com 2,60m de comprimento, o modelo leva dois ocupantes. A aparência é de um Fiat 500 encurtado – e também leve, graças ao uso de plásticos especiais. Em vez de volante e pedais, há um joystick. Seu motor é elétrico e permite alcançar a máxima de 120km/h, com autonomia de 105 quilômetros. A ideia é que, para rodar distâncias maiores, o UC seja embarcado em um trem com vagões especiais, com tomadas para recarga das baterias do carrinho.
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Renault-Nissan e Prefeitura fazem acordo para uso de elétricos em São Paulo *
Nissan Leaf, que deve ter lançamento no Japão e nos EUA este ano, pode vir ao Brasil A aliança Renault-Nissan e a Prefeitura de São Paulo assinaram nesta terça-feira (13) um protocolo com o objetivo de estudar o uso de automóveis elétricos na capital paulista. O objetivo municipal declarado é, em conjunto com outras medidas, reduzir as emissões de gases na atmosfera. A frota paulistana já chegou a 6,2 milhões de carros; também rodam em suas ruas 32 mil táxis e cerca de 15 mil ônibus municipais, segundo dados da administração. A cada dia, mil novos carros entram em circulação. Já o da aliança franco-nipônica é encontrar mercado para o Leaf, seu compacto movido a eletricidade que deve ser lançado este ano, a um preço inicial de cerca de US$ 25.280 para os Estados *
Da redação de UOL Carros. Disponível em:http://carros.uol.com.br/ultnot/2010/04/13.
Unidos. O valor já contabiliza incentivos fiscais - sem eles, o preço cheio passaria de US$ 32 mil. Um dos resultados possíveis do protocolo assinado pela montadora e pela Prefeitura pode ser o futuro uso de veículos elétricos pela Companhia de Engenharia de Trânsito (CET), empresa municipal responsável pela gestão do trânsito em São Paulo. A cerimônia foi realizada na sede da Prefeitura e contou com a presença do prefeito Gilberto Kassab; o presidente e CEO da Renault-Nissan, Carlos Ghosn, também participou. "A RenaultNissan tem buscado parcerias com governos e instituições no intuito de encorajar a adoçao de veículos 100% elétricos", disse Ghosn. Ele admite que a produção em escala e a comercialização em massa de um modelo elétrico como o Leaf dependem de incentivos governamentais, ao menos inicialmente. Caso contrário, não haveria como concorrer com modelos a combustão. A aliança Renault-Nissan é um dos grupos automotivos que mais investem na propulsão elétrica, tanto em veículos que podem ser feitos em série -- como o próprio Leaf -- como em carros-conceito. Acordo semelhantes foram feitos pela aliança na Espanha, França e Portugal. O prefeito Kassab manifestou a intenção de agir para que "parte expressiva da frota" de veículos da capital passe a ser movida por combustíveis limpos. Segundo a assessoria da Prefeitura, uma outra meta dessa operação é melhorar os índices de poluição sonora - carros 100% elétricos não emitem ruídos. Uma das grandes dificuldades para uma maior aceitação de carros eléíricos, e isso falando em termos mundiais, é o alto custo das baterias e sua autonomia relativamente baixa. Além disso, a recarga geralmente é demorada (pode levar uma madrugada inteira) e faltam estações de abastecimento. O secretário municipal de Desenvolvimento Urbano, Miguel Bucalem, disse que o acordo com a Renault-Nissan vai gerar um grupo de trabalho para analisar esse tipo de questão, inclusive a implementação e a manutenção de uma rede de recarga. O Leaf, segundo a Nissan, pode rodar cerca de 160 km com uma carga de bateria 142
De modo geral, a indústria ainda aposta mais em carros híbridos, com dois motores, um deles elétrico e o outro a combustão (que "liga" para recarregar as baterias do primeiro), como uma fórmula mais exequível de economizar combustível e poluir menos. Essa foi, por exemplo, a solução encontrada por duas rivais da Nissan, a Toyota, com o pioneiro Príus, e a Honda, com o Clarity. Entre os elétricos, além do Leaf – a entrar em produção no Japão, nos EUA e no Reino Unido, nesta ordem –, são esperados para este ano o lançamento do Volt, da General Motors, e do MiEV, da Mitsubishi, sendo que este já roda no Japão.
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SWITCHED-ON HIGHWAYS Electric cars are cheaper and faster than any hybrid on the market, says Shai Agassi.
Shai Agassi *
The all-electric automobile is not a new idea: in 1900, a quarter of the cars produced in the United States ran on batteries alone. But when Henry Ford debuted his cheap, gas-powered Model T in 1908, oil quickly became the industry standard. Shai Agassi, 40, a former president at software giant SAP, thinks the electric car deserves to be salvaged from history's dust-bin. With his new venture, Better Place, he plans to jump-start the fledgling electric-auto industry by building an entire infrastructure—cars, recharge stations and more—from scratch. Governments in Israel, Denmark, northern California and elsewhere have signed on. NEWSWEEK's Fareed Zakaria spoke to him about the company. Excerpts: ZAKARIA: Whafs the idea of Better Place?
AGASSI: We looked at the problem of transport from a very different perspective than the automotive sector has in the past. They’ve all looked at it from the perspective of how to build the car. We looked at it from the perspective of how to run an entire country without oil. You’ve got to put the infrastructure ahead of the cars. In our case, the infrastructure is a combination of a massive amount of charge spots and the *
Former President at SAP.
ability to switch batteries in less time than it takes you to fill up with gasoline. But by building the infrastructure before you have electric cars on the road, aren't you putting the cart before the horse?
We wouldn't build the infrastructure if we didn't have a massive carmaker to build cars. Renault-Nissan is the first to build the cars for this infrastructure, and we've coordinated so our infrastructure will be in place when their cars hit the market. How else have you altered the old transportation model?
The second [change we decided on] is that the car and the battery, ownership-wise, have to be separated. Why is that?
You never want to be the guy who bought the previous [year's] battery. We say, you never buy the battery. What you buy is the car. The third change is in the business model. You buy the commute by miles, and commute miles include the battery, the electricity, access to the network and batteryswitching. You [sign up for] a contract on a per-mile basis, and you get a rebate based on the length of your contract. That makes the electric car cheaper to acquire than the gasoline counterpart. Does government have any role in this?
Our model is not predicated on governments subsidies. What governments can do is they can accelerate adoption. Every government creates a different policy. Israel, our first site, created a tax differential of 60 percent between buying a gasoline car and an electric car. Denmark went up to a 180 percent difference—180 percent tax on gas engines, zero tax on electric. This all sounds very complicated. What’s the status report from Israel and Denmark? 145
Our goal for Israel and Denmark is mass-market access by 2011. In 2010, we have a systems-wide test where we have about 100,000 [recharge] spots already installed, a few thousand cars, a few switch stations already in location, the software's already in place, people are driving on customer contracts and are paying. In 2009, we have a smaller systems test with about 50 cars going around Israel and about 50 cars going around Denmark. With oil under $50 a barrel, does your business plan still make sense?
The cost of the battery [averaged out over its lifetime] roughly translates to about four to six cents per mile. The cost of clean electricity translates to about one to two cents per mile. So [our costs are] somewhere between six and eight cents per mile. If you look at the average miles per gallon a car gets in the U.S., [those costs are in line with oil at] $25 a barrel. Denmark and Israel are small, densely populated countries. How do you make this work in the sprawling American Midwest?
If you look at the North American continent, you actually have about 50 urban centers, which are, on the East Coast, so dense that at least half of them overlap another center. If you look at California, the California area is actually covered with four of these dense circles. Imagine a -hundredmile circle around San Francisco, and another hundred-mile circle around Sacramento, and again the same thing in Los Angeles and San Diego. In between those you have three freeways connecting [northern and southern California]. On these freeways, if you put switch stations at a distance of about 30 miles from one another, you would have full coverage across the entire state, which is effectively the most prolific car state in the nation. We still don't seem to be where we need to be in terms of battery technology. Is it improving? 146
The Moore's curve for batteries is about 8 percent to 10 percent improvement per year. Do we need to wait for the best battery? We didn't wait for the best chip technology to start the PC revolution, and we didn't wait for the best communications chip to start the cell-phone revolution. But you're saying the car is viable with current batteries? Many have said that they're too expensive or too heavy right now .
We have a battery in the car today that weighs 550 pounds and takes you 155 miles without air conditioning. It gives you a car that weighs less than any hybrid in the market today, costs less than any hybrid today, and actually drives faster than any hybrid today. What we were missing was a business model. Once we put in place the infrastructure and the business model, batteries beat fuel on efficiency, affordability and convenience. Nobody will send you a Chevron truck to fill your car at night, every night. I can fill your car at night, every night. We don't produce batteries in the United States. With your plan, instead of sending money to OPEC, aren’t we just sending it to battery-producing countries?
[That statement] is painfully right. The U.S. is in a very, very dire situation vis-à-vis battery manufacturing. The government should come up and say, "We're building a battery reserve, much like the national oil reserve, and to build that battery reserve we're willing to take the risk of a loan guarantee to manufacturers.” So in this you do see a role for government? This doesn't happen without government. This is Silicon Valley meets Michigan meets Washington, D.C.
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PROJETO DE CARRO ELÉTRICO, À BASE DE BATERIAS DE ÍON-LÍTIO Uma fonte de energia eficiente e renovável para veículos elétricos
Roberto M. Torresi * INTRODUÇÃO Desde que a Sony introduziu sua célula 18650 em 1990, baterias de íon-lítio com excelente desempenho eletroquímico foram fabricadas e ocupam uma posição privilegiada no mercado para alimentar dispositivos portáteis 1 e não-portáteis. A razão para tal relevância é que, comparativamente às baterias tradicionais, tais como as recarregáveis de chumbo-ácido e Ni-Cd, a bateria de íon-lítio apresenta várias vantagens: menor peso e dimensão e ao mesmo tempo alcançam maior densidade de energia (leve, menor dimensão). Além disso, embora os valores de capacidade de carga sejam semelhantes a outros sistemas recarregáveis, as voltagens são aproximadamente três vezes maiores, fornecendo maior potência. Por estes motivos as baterias íon-lítio dominam atualmente o mercado de baterias secundárias para dispositivos portáveis. A procura de combustíveis alternativos aliada ao interesse pela diminuição de emissão de gases poluentes levou a indústria automobilística a desenvolver carros elétricos, e o que era um desafio se transformou em inovação tecnológica. Obviamente, a força motriz para esta inovação tecnológica não está somente relacionada ao suprimento de petróleo lembremos a citação do xeque Ahmed Zaki Yamani em 1973, *
Instituto de Química – Universidade de São Paulo – CP 26077 – CEP 05513-970 – São Paulo (SP). E-mail: [email protected]
quando era Primeiro Secretário Geral da Opep e Ministro do Petróleo e Recursos Minerais da Arábia Saudita: "A Idade da Pedra não terminou por falta de pedra. E a do petróleo não terminará por falta de petróleo." (The Economist - 23.10.2003) mas também ao interesse fundamental de diminuir o aquecimento global utilizando tecnologias de baixo impacto ambiental. Estas novas diretrizes ambientais têm acelerado o processo evolutivo tecnológico em diversas áreas e sobremaneira na inovação de baterias recarregáveis, mudando o interesse para a produção de dispositivos com a potência suficiente para poder utilizá-los em propulsão de veículos básicos de passageiros por mais de 200 quilômetros. Esta nova filosofia significa uma mudança radical: os usuários, ao invés de encher o tanque, deverão ligar na tomada seu veículo. Certamente, que o desenvolvimento de uma frota de carros elétricos “verdes” deverá estar associado a baixo custo, diminuição da emissão e uma rede de distribuição e armazenamento de energia elétrica 5. Qual tipo de tecnologia será potencialmente utilizado, ainda não está claramente definido, já que a maioria delas está saindo da escala laboratorial. Dentre estas, na última década, as baterias de íon-lítio têm passado de pequenas unidades para alimentação de eletrônicos portáteis, a baterias de grande porte, em grande medida por sua química verde e grande desenvolvimento da ciência de materiais. BATERIAS SECUNDÁRIAS Todas as baterias são formadas por dois eletrodos conectados por um condutor iônico, denominado eletrólito 6. Os eletrodos têm diferentes potenciais químicos determinados pela reação química que ocorre em cada um deles. Quando eles são conectados a um dispositivo externo, elétrons fluem do potencial mais negativo para o mais positivo e íons se movimentam no eletrólito para manter o balanço de carga, e 149
energia elétrica pode ser consumida no circuito externo. No caso de baterias secundárias, quando o sistema chega ao equilíbrio não se pode mais extrair energia (corrente), mas pode-se aplicar uma voltagem na direção oposta e a bateria ser recarregada. A quantidade de energia elétrica por massa ou volume que pode ser extraída depende da voltagem da célula e de sua capacidade, que por sua vez dependem da química dos eletrodos. Outro parâmetro é a potência que depende em grande parte da engenharia da bateria além dos parâmetros mencionados anteriormente. Não obstante as baterias serem conceitualmente simples, seu desenvolvimento foi muito mais lento que o dos eletrônicos onde elas são utilizadas como fonte de alimentação. Em 1859, foi proposto o primeiro protótipo da bateria de chumbo ácida – (PbO2(s),PbSO4(s)/H2SO4(aq)/PbSO4(s),Pb(s)) – hoje as populares baterias de carro, e também utilizadas para alimentar os carros elétricos híbridos desenvolvidos no começo da década de 90. Este projeto foi depois abandonado pelo fato das baterias de chumbo ser muito pesadas. Em 1909, foi proposto outro sistema para baterias secundárias, popularizado com o nome de níquel-cádmio (NiOOH(s),Ni(OH)2(s)/KOH(aq)/Cd(OH)2(s),Cd(s)) e largamente utilizado na década de 80 nos primeiros eletrônicos portáteis, principalmente brinquedos. Este sistema, começou a ser abandonado nos anos 90, devido aos problemas de contaminação por cádmio, e finalmente substituído pelo sistema níquel-hidreto metálico (NiOOH(s),Ni(OH)2(s)/KOH(aq)/MHx(s),M(s)), proposto em 1975, ou seja, praticamente 60 anos depois do sistema anterior. Como já foi mencionado na introdução, em 1990 foi proposta a bateria secundária de íon-lítio (Li (1-x)CoO2(s), LiCoO2(s)/LiPF6(ECDMC)/LiC6(s),C6(s)), que com o decorrer dos anos conquistou o mercado dos eletrônicos portáteis. 150
O desenvolvimento de baterias secundárias, principalmente de íon-lítio teve um ponto de inflexão quando foram introduzidos os materiais nano-estruturados como materiais de eletrodos 7. Partículas com um diâmetro menor de 20 nm aglomeram-se formando arranjos de 1 a 2 m, contribuindo para o aumento da capacidade de carga e potência da bateria. A revolução da nano-tecnologia aliada ao surgimento de “novos” materiais como o fosfato de lítio e ferro (olivinas) ampliaram o leque de aplicações para este tipo de sistemas, permitindo assim que baterias de grande porte aparecessem; como exemplo, pode-se citar as baterias da A123 Systems , empresa fundada em 2001 a partir de um grupo de pesquisa do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) na Califórnia (Estados Unidos).
FONTE DE ENERGIA E ARMAZENAMENTO PARA VEÍCULOS ELÉTRICOS
Basicamente, dois tipos diferentes de tecnologias estão sendo desenvolvidas e aplicadas (em veículos protótipos) para propulsar os motores elétricos: veículos elétricos propulsados por baterias, BEV, e veículos elétricos propulsados por células a combustível, FCV (ambas as siglas provêm do inglês). A General Motors pode se considerar a empresa pioneira no lançamento de um veículo elétrico, o EV-1. Este veículo foi lançado em 1996 nos Estados Unidos em resposta a uma lei da Califórnia que previa 2% de veículos com emissão zero para 1998. Esta primeira geração de EV-1 utilizava baterias de chumbo-ácido, baterias que ainda são a opção tecnológica nos veículos convencionais atuais. As propriedades positivas destas baterias são: baixo custo, segurança, longavida e confiabilidade; porém são grandes e pesadas. Podem impulsionar um veículo por 150 km utilizando uma carga da bateria.
151
A segunda geração de baterias, lançada em 1999 estava relacionada à química das baterias de níquel-hidreto metálico, e teve desempenho 50% maior em relação à distância percorrida que as baterias de chumbo ácidas com uma carga. No ano 2000, a General Motors cessou a fabricação dos EVs. Depois da experiência da GM, a Toyota começou a produção de EV utilizando uma tecnologia similar e, na terceira geração de Evs, o Prius (carro flex da Toyota – combustão e bateria) começou a ganhar popularidade. Mas o problema estava nas baterias de níquel-hidreto metálico, porque estes sistemas podem ser danificados se sofrerem uma descarga profunda e para manter uma margem de segurança, somente 20% de sua carga é utilizada no caso do Prius ; mesmo assim é suficiente se o sistema é suplementar a um motor a combustão. Isto indica claramente que uma nova química é necessária para que um carro seja completamente movido por um motor elétrico. Dentro deste contexto, as baterias de íon-lítio, que já são extensamente utilizadas em eletrônicos portáteis e possuem alta capacidade de carga são as candidatas ideais nesta procura por uma nova química que permita alcançar um alto grau de desenvolvimento tecnológico para alavancar um veículo completamente elétrico e sustentável. Apesar de o lítio ser um metal leve e o óxido de cobalto um material que tem mostrado uma excelente química, elencar as baterias de íonlítio para EVs apresenta alguns problemas: o óxido de cobalto é caro e o lítio metálico pode ser explosivo, portanto novos materiais são necessários. A combinação das olivinas (LiFePO4) com a nanoquímica permitiu a síntese de um material nano-estruturado o qual cristalizou a aparição de uma nova geração de baterias de íon-litio que se mostram adequadas para impulsionar EVs. Várias indústrias automobilísticas (Chevrolet, GM, Mercedes 152
Benz, Toyota) estão testando diferentes sistemas de baterias de lítio - desde o A123 Systems até o sistema da coreana LG Chem ; seja utilizando veículos híbridos (combustão e eletricidade) ou utilizando propulsão 100% elétrica, tentando aumentar a duração em quilometragem de distância percorrida. É clara a preocupação das indústrias automobilísticas em encontrar a fonte de armazenamento de energia adequada e existe uma inversão econômica importante no sistema de baterias de íon-lítio, relacionado fundamentalmente com nanotecnologia e na síntese de materiais baratos de alto rendimento. Conjuntamente com o desenvolvimento deste tipo de baterias nos últimos 18 anos, pavimentado pelo primeiro sistema da Sony em 1991. O movimento das diferentes indústrias automobilísticas para as baterias de íon-lítio fica evidenciado pelas alianças e colaborações que foram tomando corpo nos últimos dois anos: Renault-Nissan com a americana A123 Systems , Hyundai com LG (ambas coreanas), General Motors com A123 Systems e Toyota com Matsushita Electric Industrial Co . Outras uniões foram aparecendo durante o ano de 2009, fundamentalmente entre as gigantes japonesas rivais da Toyota como, por exemplo, a Mitsubishi Motors e a NEC Corporation .
POR
QUE AS BATERIAS DE ÍON-LÍTIO INTERESSANTES PARA A PROPULSÃO DE EVS?
SÃO
Apesar de existirem no momento dois tipos de tecnologias disponíveis para protótipos de Evs, as baterias secundárias (BEV) e as células a combustível (FCV), é comum levantar o problema de massa, volume e custo no caso de baterias de íon-lítio. Stephen Eaves e James Eaves 9 publicaram um trabalho comparativo entre baterias de íon-lítio e células a combustível em relação a veículos elétricos, considerando um EV que é capaz de entregar 100 kW de pico e transferir 60 kW para a tração. Isto significa, aproximadamente, que o veículo é capaz de transferir 135 HP 153
e viajar 450 km, considerando tipicamente como veículo um Honda Civic. Para BEVs, a eletricidade é fornecida ao longo das linhas elétricas a um carregador de bateria. Este carrega a bateria de íon-lítio que armazena a energia a bordo do veículo para depois transmitir a potência para sua movimentação. Além de uma etapa de armazenamento e duas de distribuição; temos duas fases de conversão (a conversão de algum tipo de energia em eletricidade e depois, a conversão de eletricidade para energia mecânica). No caso dos FCVs, a energia elétrica a partir da usina é utilizada para a eletrólise do processo que produz o hidrogênio. Este é comprimido e então distribuído para abastecimento nas estações em que pode ser bombeado para ser armazenado a bordo do veículo. O gás hidrogênio é então combinado com o oxigênio da atmosfera para produzir a eletricidade que movimentará o veículo. Além de uma distribuição e uma fase de armazenamento, o percurso do FCV consiste de quatro fases de conversão (a conversão de energia em eletricidade, a conversão de eletricidade em hidrogênio, a conversão de hidrogênio em eletricidade novamente e, finalmente, a conversão de eletricidade em energia mecânica). Devido em grande parte ao fato de existirem duas fases adicionais de conversão em relação ao BEV e ao fato da diferença em eficiência, 54% para BEV e 30% para o FCV, as necessidades de energia para os FCV são maiores que para o BEV (aproximadamente duas vezes). Provavelmente, uma via mais eficiente para as FCVs seria baseada na reforma a bordo de combustíveis fósseis ou armazenamento de hidrogênio líquido. No entanto, estas tentativas de métodos alternativos não são competitivas em comparação com um sistema baseado em gás hidrogênio comprimido. A ineficiência do caminho total para FCV combinado com o alto custo de manutenção do sistema de distribuição 154
leva a diferenças significativas entre os custos de reabastecimento de um FCV de um BEV, especialmente se a fonte é renovável. Comparação de massa, volume e custos Uma célula a combustível moderna é capaz de fornecer 182 W de potência por kg, considerando o tanque de armazenamento e a quantidade necessária para o sistema de propulsão satisfazer o desempenho: o sistema total deve pesar aproximadamente 721 kg. Uma bateria de íon-lítio é capaz de fornecer 143 Wh de energia por quilograma de bateria. Considerando o mesmo sistema para o FCV, as baterias devem pesar 504 kg para alcançar o mesmo desempenho. Em relação ao volume, uma célula a combustível pode proporcionar 95 W/L, que combinado com o volume do tanque de armazenamento de hidrogênio e dos componentes elétricos para a transmissão de potência, resulta num volume total de 1465 L. Uma bateria de íon-lítio fornece 161 Wh/L e considerando o mesmo sistema de transmissão, tem-se um volume total de 469 L. No trabalho consultado é relatado um custo de US$ 205 por kW para uma célula a combustível de 100 kW. Adicionando-se a isso o custo do motor elétrico, a eletrônica de controle e a cisterna de hidrogênio, o custo total nos Estados Unidos é de aproximadamente US$ 30,000 para as células a combustível como sistema de propulsão. No caso do BEV, o custo de uma bateria de íon-lítio é estimado em US$ 250 por kWh. Considerando todos os componentes o custo total é de aproximadamente US$ 20,000 para o sistema de propulsão de BEVs. Deve-se ressaltar que os dados apresentados são do ano 2004, e que a evolução dos sistemas indica que massa, volume e custos continuarão caindo, mas isto depende também fortemente da demanda que no caso de ser importante permitirá realizar a inversão econômica 155
necessária para acelerar ainda mais o desenvolvimento destes sistemas. Inferências relativas ao uso potencial das baterias de íon-lítio O desenvolvimento extraordinário das baterias de íonlítio nos últimos 18 anos passando da produção de sistemas de pequeno porte a aqueles que podem ser utilizados na propulsão de BEVs, o rápido interesse das diferentes indústrias de automóvel em achar os parceiros necessários entre os fabricantes de baterias de íon-lítio de grande porte, as ações feitas por diferentes governos (especialmente Estados Unidos) para acelerar esse desenvolvimento, conjuntamente com as comparações apresentadas nas seções anteriores e publicados por Stephen Eaves e James Eaves 9, indicam claramente que os argumentos propostos como massa, volume e custo não devem ser considerados para descartar a utilização destes sistemas como elemento propulsor em BEVs. Também fica claro que não existe no momento uma tecnologia hegemônica que domine ou dominará no futuro próximo o armazenamento e transformação de energia química em elétrica nos EVs 10. Os dois sistemas estão sendo desenvolvidos de forma paralela e é difícil prever qual prevalecerá. Não obstante pode-se considerar como vantagem das baterias de íon-lítio, além dos argumentos já apresentados, o grande desenvolvimento alcançado nos últimos anos.
CUSTOS Qual será o impacto do custo de desenvolvimento de vários tipos de baterias no mercado emergente para os carros elétricos? Que progressos podemos esperar para ver na próxima década, e quais barreiras críticas precisam ser superadas ao longo do caminho? Num recente estudo do Boston Consulting Group (BCG) 11, estas perguntas são 156
analisadas minuciosamente já que estão relacionadas ao custo que poderão alcançar os carros elétricos que poderão ser disponibilizados pela indústria automotiva. A procura desta indústria para limitar o seu impacto sobre o ambiente e transformar a mobilidade automóvel em um modo sustentável de transporte continua em alta intensidade. Na análise do desenvolvimento do mercado para carros elétricos e seu custo, os atributos técnicos e os custos das baterias de íon-lítio são os fatores determinantes. Então, quais são os desafios tecnológicos que devem ser superados para que as baterias de íon-lítio possam cumprir os critérios de mercado fundamentais? Como as tecnologias de bateria podem atingir a maturidade e qual será o impacto econômico? As tecnologias mais importantes para aplicações automotivas são as de lítio-cobalto-níquel-alumínio (NCA), lítio, níquel-manganês-cobalto (NMC), o lítio-manganês espinélio (LMO), titanato de lítio (LTO), e lítio-fosfato de ferro (LFP). A tecnologia que prevalece atualmente em aplicações de consumo é a de lítio-óxido de cobalto (LCO), que geralmente é considerada inadequada para aplicações automotivas devido aos riscos de segurança. Todas as baterias automotivas (ou a química das baterias) necessitam de monitoramento elaborado, equilíbrio, e sistemas de refrigeração para controlar a liberação de energia química, evitar a instabilidade térmica, e garantir uma razoavelmente longa vida para as células. A recente explosão de inovação é impulsionada pela necessidade de quebrar alguns compromissos fundamentais na tecnologia das baterias. No lado técnico, a tecnologia de íon-lítio pode ser comparada ao longo de seis dimensões: segurança, tempo de vida (medido em termos de número de ciclos de carga e descarga e idade geral da bateria); desempenho de potência de pico (a baixas temperaturas, o estado de medição de carga, e gestão térmica); energia específica e potência específica. Do lado da empresa, os altos custos permanecem o maior obstáculo. O desafio será reduzir os custos de produção por 157
meio de escala e efeitos de experiência como ampliar os volumes de mercado. Nos Estados Unidos, o Advanced Battery Consortium fixou uma meta de custo de US$ 250 por kWh; mas, o custo da bateria pode ficar acima desse nível. Claramente, o custo das baterias irá desempenhar um papel crítico na determinação da viabilidade comercial dos carros elétricos. Estimativas dos níveis de custos atuais e futuros variam muito e são ainda mais complicados pela falta de clareza sobre o que cotizar ou, o que precisamente está sendo estimado: é o custo de uma célula individual, de uma bateria vendida para um fabricante de equipamento original, ou de uma bateria de substituição vendida a um consumidor? Sem dúvidas que na estimação do custo final estas distinções são importantes. Em princípio, os custos de bateria para 2020 deveriam diminuir acentuadamente com o aumento dos volumes de produção. Peças individuais vão se tornar menos caras, graças à experiência e aos efeitos de escala. O custo dos equipamentos também vai cair, reduzindo a depreciação. Maiores níveis de automação continuarão a reduzir custos através do aumento da qualidade, redução dos níveis de desperdícios e redução de custos trabalhistas. No entanto, cerca de 25% dos custos da bateria atual estão relacionados principalmente aos custos das matérias-primas, dos padrões e peças que em geral permanecem relativamente independentes dos volumes de produção e deve mudar apenas modestamente ao longo do tempo. A conclusão deste estudo não parece estar em principio muito a favor dos veículos elétricos. BCG acha que é pouco provável que o custo das baterias cairá o suficiente para fazer EVs a preços competitivos comparados à veículos de combustão interna na próxima década. Alguns especialistas não vêem avanços na tecnologia de baterias no horizonte. No entanto, o custo atual estimado de US$ 1,0001,200 por kWh para baterias de íon-lítio pode ser até o dobro 158
do custo real, se consideramos o informado pela General Motors. No entanto existem outras informações que dão a entender que o custo da bateria do Volt foi realmente de US$ 500-600 por kWh e espera-se que esse número caia. Obviamente, é praticamente impossível ter dados independentes para fazer um acompanhamento da evolução do custo, mas é conhecido que os primeiros números informados são para a construção dos protótipos e não para a produção em massa. Uma das razões pela qual o custo das baterias automotivas permanecerá superior a US$ 250 por unidades de eletrônicos de consumo, é por causa da necessidade de testes robustos, incluindo embalagem a prova de choque e vibração, controle térmico e de segurança de detecção; no entanto, a estimativa do mercado é importante com mais de 25 milhões de unidades. Assim, talvez seja possível chegar a um preço bem inferior, o qual indicaria que EVs alimentados por baterias de íon-lítio seria um sonho possível.
CONSIDERAÇÕES FINAIS As baterias de íon-lítio dominam atualmente o mercado de baterias secundárias para dispositivos portáveis. Alta durabilidade, excelente desempenho e voltagem elevada são algumas de suas principais características. A química destas baterias consiste na intercalação de íon-lítio nos dois eletrodos, ânodo e cátodo como um processo concomitante à mudança de estado de oxidação dos materiais que constituem estes eletrodos: grafite no ânodo e uma mistura de óxidos de metais de transição no cátodo (óxido de cobalto e óxido de manganês). A síntese de novos materiais e sua formulação em escala nanométrica (especificamente as olivinas – fosfato de ferro e lítio) iniciou uma corrida para desenvolver estes dispositivos para serem utilizados em veículos elétricos 159
conjuntamente com outros sistemas de armazenamento de cargas como os ultra-capacitores. Dentro deste contexto, diversos países 12 e indústrias têm aplicado importantes recursos econômicos nos últimos dois anos para apoiar as pesquisas aplicadas e fundamentais em relação a estes sistemas: obtenção de novos materiais de intercalação de lítio, eletrólitos seguros e montagem de baterias para veículos elétricos. Como conseqüência disto já existem companhias produzindo este tipo de dispositivos, como por exemplo, o A123 Systems que está sendo utilizado para impulsionar protótipos de veículos elétricos. Na feira de carros de Detroit que vai até 24 Janeiro de 2010, fabricantes de automóveis internacionais têm mostrado estar muito preocupados tentando desenvolver novos conceitos para carros elétricos. A Ford anunciou um novo investimento em veículos elétricos, e a Audi, a BMW e a Fiat revelaram novos protótipos elétricos para diminuir o grande impacto causado pelos anúncios de carros híbridos realizados pela Toyota, Honda e General Motors. A Ford investirá adicionalmente vários milhões em seu plano de "um veículo elétrico agressivo", que lhe permitiria fazer rodar uma van elétrica (Ford Transit Connect) em 2010 e iniciar a produção do veículo elétrico Focus em 2011. The Electric Focus terá uma distância alvo de até 161 km por carga completa com zero emissões. A Audi estreou o seu mais recente modelo elétrico conceitual, o "Showcar Detroit Audi e-tron"; sendo uma versão melhorada do Audi e-tron mostrada na Frankfurt Auto Show em 2009; esta versão possui dois motores elétricos assíncronos com uma independência de funcionamento de 250 km. Feito de alumínio e materiais compósitos pesa apenas 1.350 kg. A BMW também anunciou seu segundo carro elétrico conceitual baseado no BMW Série 1, o BMW Concept ActiveE. Alimentado por um motor síncrono, o veículo deverá atingir 161 km de distância e 0-100 km/h em menos de 9 segundos. A 160
velocidade máxima será limitada eletronicamente a cerca de 145 km/h e o modelo (peso de 1.800 kg) se carregará em aproximadamente 4,5 horas na América do Norte e 3 horas na Europa. Uma versão elétrica do carro conceitual popular Fiat 500 foi também introduzida pela Chrysler, agora detida pela firma italiana; no entanto não existem planos para produzir a versão elétrica. A montadora chinesa “Build Your Dreams” ou BYD também mostrou o e6, um quatro portas elétrico que deve ser lançado nos Estados Unidos neste ano. Isto permite ter uma visão muito clara do que está acontecendo no mundo em relação aos carros elétricos e ao tipo de fonte de energia. Hoje, na realidade, a competição entre as montadoras está fundamentalmente mais relacionada ao tipo de carro que ao tipo de fonte de energia. No Brasil existe uma preocupação e tem-se demonstrado interesse no desenvolvimento de veículos elétricos baseados em outras tecnologias, mas os sistemas de armazenamento de cargas de íon-lítio têm sido ignorados até o momento, utilizando argumentos como a sua massa e custo; mesmo existindo diversos grupos em várias Universidades trabalhando nos aspectos fundamentais da química destas baterias. O salto tecnológico para dispositivos protótipos de alta velocidade de descarga e baixo custo exige um esforço cooperativo de várias áreas, desde a química fundamental até a engenharia apoiado por uma inversão econômica importante. O Brasil está em condições de produzir praticamente todos os materiais para obter protótipos destas baterias de descarga rápida, alguns dos quais se têm tornado estratégicos em relação à demanda por veículos elétricos como, por exemplo, os sais de lítio. O desenvolvimento no Brasil da tecnologia de baterias de lítio deve ser abordado considerando: I – Obtenção de materiais nano-estruturados para os eletrodos; II –Montagem dos eletrodos; 161
III – Síntese e caracterização de novos eletrólitos; IV – Montagem do protótipo de bateria; V – Diminuição do custo por kW; VI –Aumento da densidade de energia por unidade; VII – Melhoria da tolerância aos abusos (descarga profunda, sobrecarga, etc.); VIII – Aumento do tempo de vida da bateria (ciclos de carga/descarga). Considerando que as aplicações das baterias de íonlítio deixaram de ser restringidas aos dispositivos portáveis para se tornarem uma realidade próxima em aplicações de grande porte e a existência no Brasil dos recursos humanos necessários para o desenvolvimento de protótipos destas baterias, estão dadas as condições para alavancar um projeto relacionado à Pesquisa e ao Desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia baseados em baterias de íonlítio; uma vez que, da mesma forma que outras tecnologias, é importante seu domínio e desenvolvimento de vários pontos de vista: Científico, Tecnológico e Geopolítico.
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VEÍCULOS ELÉTRICOS: PERSPECTIVAS DE USO DE BATERIAS DE ÍONS LÍTIO Nerilso Bocchi * , Romeu C. Rocha-Filho* e Sonia R. Biaggio* INTRODUÇÃO Um dos mais importantes desafios de nossa era é cessar ou pelo menos reduzir drasticamente a emissão de CO 2 nas vias de transporte, pois, conforme tem sido enfatizado pelo IPCC - Painel Intergovernamental sobre Mudança do Clima (ONU), existem conexões diretas entre emissões de gases estufa pelos meios de transporte e o aquecimento global. Para que este desafio possa ser alcançado, há necessidade de mudanças dos sistemas de propulsão veiculares baseados em derivados de petróleo para outros baseados em fontes energéticas alternativas, de modo a tornar o sistema de transportes sustentável. Neste sentido, a possibilidade do uso de veículos elétricos dotados de baterias recarregáveis é uma opção atraente, pois podem funcionar efetivamente sem qualquer emissão de CO ou serem neutros em emissão de 2 carbono, especialmente se a fonte primária da energia elétrica for renovável. Entre as baterias recarregáveis, a de íons lítio já atingiu estágio de desenvolvimento tal que a destaca como forte candidata a ser usada nesses veículos. A mudança para um sistema de transportes sustentável recebeu forte incentivo norte-americano a partir de março de 2009, em decorrência do anúncio das políticas do governo Obama para a área de Energia e Meio Ambiente, que incluem *
Laboratório de Pesquisas em Eletroquímica, Departamento de Química, Universidade Federal de São Carlos. Caixa Postal 676, 13560-970 São Carlos – SP www.ufscar.br/lape 165
2,4 bilhões de dólares de financiamento para apoiar o desenvolvimento de uma nova geração de veículos elétricos híbridos do tipo plug-in , com a expectativa de que um milhão destes veículos estejam em uso até 2015 (THE WHITE HOUSE, 2009). Neste artigo é apresentado, de modo sucinto, o que são veículos elétricos e baterias de íons lítio, como estas se comparam a outras, qual a situação atual de seu uso em veículos elétricos, bem como suas perspectivas futuras de uso. Também serão apresentados alguns dados sobre as reservas minerais mundiais de lítio.
VEÍCULOS ELÉTRICOS: ASPECTOS BÁSICOS Nos últimos anos, diversos fatores (incluindo questões ambientais como aquecimento global e mudanças climáticas) têm forçado o setor de transportes a diversificar seu insumo energético para fontes de energia mais sustentáveis. Nesse contexto, as principais fontes de energias renováveis são: eletricidade, hidrogênio, biocombustíveis e biogás. Independentemente dos respectivos prós e contras, eletricidade e hidrogênio têm em comum a vantagem de possuírem flexibilidade em relação às fontes primárias de energia e a possibilidade de selecionar entre as diversas fontes de energias renováveis (JORGENSEN, 2008). Eletricidade e hidrogênio podem ser utilizados nos veículos elétricos de diferentes maneiras, como descrito mais adiante. O termo veículo elétrico (VE) refere-se a um veículo automotor que utiliza pelo menos um motor elétrico para sua tração e inclui uma ampla gama de tipos e subtipos. Dentre tantos, os principais tipos de veículos elétricos incluem (ABVE, 2010): Veículo elétrico a bateria recarregável : veículo movido por motor elétrico alimentado por uma bateria recarregável, cujo carregamento é normalmente feito usando energia elétrica da rede; 166
Veículo elétrico a célula a combustível : veículo movido por motor elétrico alimentado por energia elétrica gerada a bordo por uma célula a combustível a partir de hidrogênio; Veículo elétrico híbrido - VEH: veículo movido por: a) motor elétrico alimentado por uma bateria recarregável, cujo carregamento é feito por um motor de combustão interna (movido a diesel, gás, gasolina ou etanol) acoplado a um gerador; b) motor de combustão interna; c) combinação desses dois motores; Veículo elétrico híbrido plug-in - VEHP: veículo idêntico ao VEH, mas com a possibilidade adicional de sua bateria recarregável poder ser carregada usando energia elétrica da rede. Os componentes e a arquitetura dos veículos VEH e VEHP são semelhantes (BRADLEY & FRANK, 2009). Convencionalmente, ambos incorporam motores elétrico e a combustão interna, que são acoplados entre si e com as rodas do veículo. Esses dois motores podem ser arranjados de forma tal que os caminhos que levam a energia à tração das rodas estejam em paralelo, em série ou numa combinação dos dois. Recentemente vem sendo preconizada a troca do motor de combustão interna por uma célula a combustível (JORGENSEN, 2008 e HORWITZ, 2009). A única diferença entre os veículos VEH e VEHP é a introdução de um carregador nos VEHP, permitindo que energia elétrica da rede também possa ser usada para carregar a bateria recarregável. Recentemente, numa revisão sobre os desenvolvimentos alcançados em testes realizados com VEHPs, especialmente nos últimos dez anos, BRADLEY & FRANK (2009) concluíram que para estes veículos já há tecnologia disponível capaz de melhorar a sustentabilidade do setor de energia para transporte. Mais recentemente, AMJAD et al. (2010) revisaram aspectos de projeto e seleção dos principais componentes para VEHPs, bem como dos seus desafios tecnológicos. 167
De forma geral, o sistema utilizado para armazenar energia nos veículos elétricos consiste de baterias recarregáveis, embora supercapacitores e células a combustíveis também possam ser empregados. As baterias recarregáveis podem fornecer energia elétrica para tracionar o veículo ou para atender subsidiariamente a uma demanda de potência por um curto período de tempo, devendo desempenhar essas funções em uma variedade de estados de carga. Dependendo das características do veículo, a energia elétrica armazenada é da ordem de 20 - 30 kW h, com transientes de potência maiores que 75 kW ou 150 kW, para veículos de tamanhos médio e grande, respectivamente (BRADLEY & FRANK, 2009). Dado que o custo das baterias recarregáveis representa fração significativa do preço de um veículo elétrico, o tempo de vida dessas baterias deve ser similar ao de outros componentes do veículo. Esta exigência impõe que as baterias recarregáveis tenham um tempo de vida de cerca de 10 anos (160 - 210 mil km) e 2400 ciclos de carga/descarga (BRADLEY & FRANK, 2009). Embora os primeiros veículos elétricos empregassem baterias recarregáveis de chumbo-ácido (Pbácido) ou níquel-cádmio, estudos mais recentes têm utilizado principalmente baterias mais avançadas, como as de níquelhidreto metálico (Ni/MH) e de íonslítio, uma vez que atendem às exigências acima citadas. Delas, as baterias recarregáveis de íons lítio apresentam maiores valores de energia específica e de densidade de energia, como claramente ilustrado na Figura 1 (MANTHIRAM, 2009).
BATERIAS DE ÍONS LÍTIO A tecnologia envolvida na montagem das baterias de íons lítio é relativamente nova (a primeira bateria de íons lítio comercial foi lançada pela Sony em 1991). Apesar disto, atualmente estas baterias dominam o mercado de aparelhos eletroeletrônicos portáteis (telefones celulares, computadores 168
portáteis etc.) e já estão presentes em aviões, ferramentas elétricas etc. Como mostrado na Figura 1, essas baterias fornecem maiores valores de energia específica e densidade de energia quando comparadas com outros sistemas. Isto ocorre porque as baterias de íons lítio operam com maiores valores de potencial de célula (~4 V), o que só é possível pela utilização de eletrólitos não aquosos; esses também permitem que as baterias operem num intervalo mais amplo de temperatura. Nos últimos anos, baterias recarregáveis de íons lítio também vêm sendo consideradas uma alternativa promissora para uso em VEs devido à sua alta Figura 1 – Comparação das energias específicas e densidades de energia de algumas baterias recarregáveis (MANTHIRAM, 2009). energia específica. A seguir, é fornecida uma visão geral dos conceitos básicos, bem como dos principais componentes (materiais de eletrodos e eletrólito) das baterias de íons lítio. Também está descrita a situação atual e desafios do uso destas baterias em VEs.
Baterias de lítio/íons lítio: conceitos básicos O princípio de funcionamento das baterias recarregáveis de lítio envolve, durante sua carga/descarga, um processo de inserção/extração de íons lítio (espécies hóspedes) para/de uma matriz hospedeira (material de eletrodo), também denominada de composto de inserção. Este processo de inserção/extração de íons lítio, acompanhado por um fluxo de íons lítio através do eletrólito, decorre de uma reação de redução/oxidação (reação redox) da matriz hospedeira com consumo/liberação de elétrons de/para um circuito externo. Este conceito foi primeiramente demonstrado para uma bateria recarregável de lítio constituída por sulfeto de titânio (TiS ) como catodo (eletrodo positivo), lítio metálico (Li) 2 como anodo (eletrodo negativo) e um eletrólito não aquoso 169
(WHITTINGHAM, 1976). TiS é um composto de inserção, já 2
que apresenta estrutura lamelar, como ilustrada na Figura 2. Durante a descarga (espontânea), ocorre a reação de redução 4+
3+
+
de íons Ti para Ti e, consequentemente, íons lítio (Li ) são inseridos entre camadas de sulfeto na estrutura do TiS . 2
Durante a carga (não espontânea), ocorre o processo inverso, 3+
4+
isto é, a reação de oxidação de íons Ti para Ti com a consequente extração de íons lítio da estrutura do TiS . A 2
manutenção da estrutura lamelar do TiS ao longo de ciclos de 2
carga/descarga garante a reversibilidade deste material. O potencial de célula de uma bateria de lítio como esta é dado pela diferença entre os potenciais dos materiais de eletrodos usados como catodo (TiS ) e anodo (Li). 2
Com a demonstração do conceito de bateria recarregável de lítio usando TiS como catodo, diversos outros 2
sulfetos e calcogenetos (selenetos e teluretos) foram investigados como material de catodo, na década de 70 (WHITTINGHAM & JACOBSON, 1982). Entretanto, a grande maioria apresentou valor de potencial de célula menor que 2,5 V em relação ao material de anodo (Li). Os óxidos foram, primeiramente, estudados como material de catodo no início da década de 80 (MIZUSHIMA et al., 1980; GOODENOUGH et al., 1980; THACKERAY et al., 1983; GABANO, 1983 e VENKATASETTY, 1984) e extensivamente na década de 90
170
Figura 2 – Representação esquemática ilustrando o processo de inserção (descarga)/extração(carga) de íons lítio para/de uma estrutura lamelar de sulfeto de titânio (TiS ) durante ciclos de 2
carga/descarga (MANTHIRAM, 2009).
(PISTOIA, 1994; JULIEN & NAZRI, 1994; LINDEN, 1995; THACKERAY, 1997; WAKIHARA & YAMAMOTO, 1998 e MANTHIRAM & KIM, 1998). Com isto, foram propostas diversas matrizes hospedeiras de óxidos de metais de transição (geralmente com estados de oxidação variados) com estruturas bi e tridimensionais. Valores de potencial de célula de até 5 V em relação ao lítio metálico foram obtidos, como ilustra a Figura 3. Apesar disto, a comercialização de baterias recarregáveis de lítio apresentou problemas devido ao anodo de lítio metálico (MANTHIRAM, 2009). Dada a reatividade química deste metal, depósitos não uniformes de lítio eram formados durante a carga da bateria. Tais depósitos provocavam não somente o fim da vida da bateria causado por curto-circuito (dendritas do depósito atingiam o catodo), como 171
também sérios problemas de segurança devido ao demasiado aquecimento local. As dificuldades associadas com a utilização de lítio metálico como anodo impulsionaram o desenvolvimento das baterias recarregáveis de íons lítio constituídas por compostos de inserção tanto como material de catodo como material de anodo. A primeira bateria de íons lítio comercial foi lançada pela Sony em 1991, tendo cobaltato de lítio (Li CoO ) como x
2
material de catodo e grafite litiado (Li C) como material de x
anodo.
Entretanto,
esta
estratégia
exige
escolhas
cuidadosas de pares de materiais de catodo e anodo da bateria, a fim de se obter um potencial de célula de pelo menos 3 V e uma razoável energia específica ou densidade de energia, sem aumentar indevidamente sua massa ou seu volume (MANTHIRAM, 2009). Dentre diversos compostos de inserção, cobaltato de lítio (Li CoO ), niquelato de lítio (Li NiO ), x
2
x
2
172
manganato de lítio (Li Mn O ), combinações destes últimos e x
2
4
fosfato de lítio e ferro (Li FePO ), com potencial de célula no x
4
intervalo de 3 a 4 V em relação ao lítio metálico, são os mais comumente empregados como material de catodo. Nos últimos anos, este último composto de inserção tem recebido atenção especial por diversos pesquisadores (JUGOVI Ć & USKOKIVIĆ, 2009; KANG & CEDER, 2009 e BENINATI et al., 2009). Mais recentemente, TARASCON et al . (2010) revisaram como alguns dos métodos hidro e solvotérmicos a baixas temperaturas foram usados com sucesso na preparação do fosfato de lítio e ferro (LiFePO ). Os principais 4
desenvolvimentos obtidos, na última década, com os materiais empregados como catodo de baterias de lítio e íons lítio estão descritos em detalhes na revisão recentemente elaborada por ELLIS et al . (2010). Por outro lado, grafite e coque, com menor densidade e potencial menor que 1 V em relação ao lítio metálico, têm sido os materiais mais utilizados como anodo em baterias de íons lítio, como ilustrado na Figura 4, na qual os íons lítio migram do anodo de grafite litiado (Li C) para o catodo x
de cobaltato de lítio (Li CoO ) através do eletrólito e os elétrons x
2
fluem através do circuito externo durante o processo de descarga da bateria. Além de características intrínsecas dos compostos de inserção usados como materiais de eletrodos, outros critérios são importantes para a concepção de uma bateria recarregável de íons lítio de alto desempenho e longa vida útil (MANTHIRAM, 2009). O eletrólito deve possuir alta condutividade para os íons lítio e ser isolante eletrônico, a fim de evitar curto-circuito interno. Também deve ter estabilidade química e não reagir com os materiais de eletrodo. Dados de condutividade de diferentes eletrólitos indicam que o eletrólito formado pela mistura ternária dos carbonatos de etileno (CE), propileno (CP) e etilmetileno (CEM), contendo o sal 173
hexafluorofosfato de lítio (LiPF ) dissolvido na concentração 1 6
mol/L, apresenta boa condutividade num amplo intervalo de temperaturas (NAZRI, 2009). Ademais, a engenharia envolvida na concepção e fabricação da bateria tem papel crítico para seu desempenho global. Por fim, segurança dos usuários, aspectos ambientais e custos de matéria prima e fabricação também são fatores importantes tanto para a escolha de materiais quanto para a concepção da bateria.
Figura 4 – Representação esquemática do processo de descarga em uma bateria recarregável de íons lítio que emprega compostos de inserção como materiais de catodo e anodo (BRUCE, 2008).
Baterias de íons lítio para uso em VEs: situação atual e desafios O uso de baterias de íons lítio em VEs foi primeiramente considerado há cerca de 15 anos, quando programas de pesquisa e desenvolvimento foram lançados com o objetivo de demonstrar a viabilidade de tais baterias (BROUSSELY, 2009). Estes programas foram financiados pela Comissão Européia e organizações governamentais francesas, na Europa, pelo 174
USABC – Consórcio de Baterias Avançadas, do DOE – Departamento de Energia, nos EUA, e pela LIBES – Associação de Pesquisas Tecnológicas sobre Armazenamento de Energia em Baterias de Lítio, do MITI – Ministério do Comércio Internacional e Indústria, no Japão. Rapidamente, os resultados obtidos demonstraram vantagens da bateria de íons lítio em relação aos outros sistemas para aplicações espaciais. Em seguida, as baterias de íons lítio também foram introduzidas para aplicações industriais (baterias estacionárias e de transporte). Basicamente, não existem diferenças entre a tecnologia implementada em baterias de íons lítio para uso em aparelhos eletroeletrônicos portáteis e em VEs (BROUSSELY, 2009). O processo de fabricação dos eletrodos consiste em recobrir folhas metálicas finas (alumínio para o eletrodo positivo e cobre para o eletrodo negativo) com uma pasta contendo o respectivo material ativo, um material condutor (geralmente negro de fumo somente para o eletrodo positivo) e um material aglutinante dissolvido num solvente apropriado (geralmente polivinilideno – PVDF ou N-metil-piridina – NMP). Após secagem, o conjunto substrato/recobrimento é submetido a um processo de laminação até se obter a espessura/densidade desejada. A espessura do eletrodo é função da máxima potência específica requerida para a bateria. A natureza do eletrólito de baterias de íons lítio usadas em VEs também não é diferente, sendo que pode-se usar, por exemplo, o sal hexafluorofosfato de lítio (LiPF ) dissolvido numa mistura de solventes orgânicos à base 6
de carbonato, ou eletrólitos poliméricos. Como separadores entres os eletrodos positivo e negativo são empregadas membranas microporosas finas ( ≤ 25 μm) de polipropileno ou polietileno ou misturas de polímeros. Na maioria dos casos, uma célula é montada enrolando-se os eletrodos em espiral, tal como para baterias pequenas. O formato final do recipiente da bateria pode ser cilíndrico ou prismático. Baterias com formato 175
cilíndrico oferecem melhores características mecânicas (melhor estabilidade dimensional e homogeneidade de pressão sobre os eletrodos). Nas baterias com formato prismático, as células preenchem melhor o volume interno, mas tornam-se mais sensíveis a deformações durante cliclagens. O tamanho de uma bateria de íons lítio para uso em VEs é, evidentemente, dependente do tamanho do veículo. Estas baterias são montadas de forma que sua energia esteja no intervalo de 20 kW h a 30 kW h. A montagem das baterias é feita a partir de módulos com energia entre 1 kW h e 2 kW h; cada módulo contém um dado número de células (6 ou mais) que podem ser conectadas entre si em série ou em paralelo. Possíveis diferenças nos valores de potencial para células conectadas em série são equalizadas por meio eletrônico (incluído nos módulos). Autodescarga desigual das células causa desequilíbrio de carga, mas isto quase não ocorre em sistemas de íons lítio. Os módulos que compõem a bateria também são projetados para controlar a temperatura, cuja variação não é tão crítica quanto em alguns outros sistemas que empregam eletrólitos aquosos como, por exemplo, baterias Ni/MH. Normalmente, as baterias de VEs são montadas com valores de capacidade no intervalo de 3 A h (para aplicações de alta potência) a 100 A h (para aplicações que exigem alta energia) (BROUSSELY, 2009). Na Tabela 1 são comparadas algumas características de baterias de íons lítio com aquelas de outros sistemas também usados em VEs. Estas características estão estimadas para VEs que consomem uma energia típica de 120 W h por tonelada e por quilômetro e têm uma massa total de 1200 kg, incluindo uma massa de 250 kg para o sistema de armazenamento de energia (20% da massa do veículo: bateria – 195 kg; seu sistema de refrigeração – 55 kg). Dado que a massa da bateria a bordo é limitada, quanto maior a energia específica desta bateria maior a quantidade de energia disponível e, consequentemente, maior a autonomia do VE; 176
este é, claramente, o caso das baterias de íons lítio. A capacidade do VE de acelerar e subir rampas depende da potência específica da bateria, contanto que não esteja limitada pela potência do motor elétrico. Neste quesito, baterias de íons lítio também exibem superioridade quando comparadas às demais. Por outro lado, o custo é um dos fatores importantes para a escolha de um dado sistema a ser utilizado em VEs. Segundo CHEN et al. (2009), a melhor forma de expressar o custo da energia armazenada num sistema submetido frequentemente a ciclos de carga/descarga é como custo por -1
-1
unidade de energia e por ciclo de vida [US$ (kW h) ciclo ], pois este tipo de custo leva em conta a eficiência de energia do sistema (razão entre as energias de descarga e carga – >90% para baterias de íons lítio e 70-80% para as demais) e seu ciclo de vida. Os dados na Tabela 1 mostram que o custo da bateria Pb-ácido é relativamente baixo. Apesar disto, este sistema não apresenta menor custo por unidade de energia e por ciclo de vida quando a energia é empregada em VEs devido ao seu curto tempo de vida. Na realidade, como mostrado nesta tabela, os custos por unidade de energia e por ciclo de vida para as diferentes baterias usadas em VEs são similares, podendo, portanto, a escolha da bateria ser feita com base em outra(s) característica(s). Entretanto, muito recentemente MOSELEY & COOPER (2010), do Consórcio de Bateria Chumbo-Ácido Avançada, relataram avanços significativos nas investigações realizadas no sentido de resolver um problema do eletrodo negativo das baterias Pb-ácido convencionais, qual seja a formação indesejada de sulfato de chumbo. Num destes estudos, foi proposto um eletrodo negativo formado em parte por carbono e em parte como o eletrodo convencional, dando origem a uma bateria Pb-ácido avançada denominada de Ultrabattery . Quando esta bateria foi testada num veículo elétrico híbrido, o número de ciclos de carga/descarga aumentou em mais de 6 vezes em relação à bateria Pb-ácido. 177
Tabela 1 – Principais características de diferentes baterias usadas em veículos elétricos, com massa típica total de 250 kg (~20% da massa do veículo: massa da bateria – 195 kg; seu sistema de refrigeração – 55 kg) (BROUSSELY, 2009).
CARACTERÍSTICAS:
Pb
Ni/Cd
Ni/MH
Íons lítio
ácido Energia específica / W -1 h kg
33
45
70
120
Densidade de energia / -1 WhL
75
80
160
190
Potência específica / -1 W kg
75
120
170
370
Energia disponível a bordo / kW h
6,4
8,8
13,0
23,4
Autonomia / km (para -1 -1 120 W h t km )
53
73
114
195
Cust o*
-1
US$
300 600
500 1500
-
US$ -1 (kW h)
200 400
800 1500
-
kW
US$ -1 (kW h) ciclo -1
20 100
*De acordo com CHEN et al. (2009).
20 100
-
-
1200 4000 600 - 2500 15 - 100
convencional. Tal avanço implica, portanto, que a bateria Pbácido avançada pode apresentar, em relação às outras baterias, um menor custo por unidade de energia e por ciclo de vida, devido ao seu maior tempo de vida. Por fim, é importante comentar sobre a segurança do usuário, uma vez que muitos componentes das baterias de íons lítio são inflamáveis, começando pelo eletrólito. Apesar disto, testes em condições drásticas indicaram riscos aceitáveis para o uso de bateria de íons lítio em VEs (BROUSSELY, 2009). Também é importante ressaltar que ainda não foram amplamente comercializadas baterias de íons lítio para uso em VEs. Assim, todos os testes com estes veículos foram realizados com baterias encomendadas e especialmente montadas por um dado fabricante para este fim. Portanto, a produção e utilização em larga escala de baterias de íons lítio em VEs são desafios que começam a ser vencidos, dado que diferentes montadoras começam a ou planejam lançar VEs ou VEHPs equipados com baterias de íons lítio (vide abaixo) e que o governo Obama implementou grande incentivo para o desenvolvimento de VEs. Tais desafios foram recentemente discutidos por GOODENOUGH & KIM (2010), com ênfase na escolha dos materiais a serem empregados como eletrodos positivo e negativo e eletrólito das baterias de íons lítios para VEs. Infelizmente, tanto quanto foi possível saber, não há qualquer iniciativa anunciada de produção deste tipo de bateria no Brasil.
USOS E RESERVAS DE LÍTIO O lítio, altamente reativo, é o mais leve dos metais (densidade de cerca de 0,53 kg/L). Segundo relatório de órgão norte-americano (U.S. GEOLOGICAL SURVEY, 2010), em 2009 a produção mineral de lítio foi estimada em 18 mil toneladas (não incluindo a produção norte-americana, cujos dados não são revelados) e seu uso estimado é o seguinte: cerâmicas e vidros - 31%; baterias - 23%; graxas lubrificantes -
10%; tratamento de ar - 5%; fundição contínua - 4%; produção primária de alumínio - 3%; outros - 24%. Cabe ressaltar que houve uma queda de cerca de 25% na produção mineral de lítio em 2009, em comparação a 2008, em função da crise econômica. Dado que o lítio é um componente estratégico na indústria nuclear, no Brasil ele e seus compostos são controlados pela CNEN - Comissão Nacional de Energia Nuclear (Decreto n° 5.473, de 21/06/2005). As fontes minerais mundiais de lítio identificadas são estimadas em 25,5 milhões de toneladas (U.S. GEOLOGICAL SURVEY, 2010), sendo que as frações detidas por cinco países representam mais de 90%, ou seja: Bolívia (35%), Chile (29%), Argentina (10%), Estados Unidos (10%) e China (10%). Já as reservas mundiais seriam de 9,9 milhões de toneladas, das quais o Brasil, de acordo com esses dados, detém 190 mil toneladas, equivalentes a cerca de 2% das reservas mundiais (ressalte-se que documento do DNPM - Departamento Nacional de Produção Mineral cita as reservas nacionais como sendo somente de 137 mil toneladas [DNPM, 2009]). Um geólogo norte-americano independente, R. Keith Evans, estima que as reservas minerais mundiais de lítio são bem maiores, cerca de 30 milhões de toneladas, distribuídas principalmente em desertos de sal ou salmouras continentais (~62%), em pegmatitos (~27%) e em hectoritas (~7%) (EVANS, 2008). Por outro lado, tendo essas reservas em conta, Evans afirma que são infundadas preocupações quanto à disponibilidade de lítio para atender ao aumento de demanda decorrente de seu uso em baterias de íons lítio para fins automotivos. Nos próximos anos, devido ao crescente uso de baterias de íons lítio em aparelhos eletroeletrônicos e em VEs, prevê-se que a demanda por lítio cresça significativamente. Em 2009, o Departamento de Energia dos EUA, em decorrência do American Recovery and Reinvestment Act of 2009 , financiou projetos no valor de 2,4 bilhões de dólares para acelerar o desenvolvimento da capacidade de fabricação de baterias e de 181
componentes acionadores elétricos e para a introdução de veículos movidos a eletricidade. Nesses financiamentos, a tecnologia de baterias de íons lítio destaca-se, com cerca de 940 milhões de dólares outorgados a fornecedores de materiais, fabricantes e recicladores de baterias de íons lítio (U.S. GEOLOGICAL SURVEY, 2010). 5. Panorama atual do uso de baterias de íons lítio em veículos elétricos ou híbridos No momento, VEs que usam baterias de íons lítio já estão disponíveis em diversos países, embora ainda em quantidade baixa (Tabela 2). Na Finlândia, está sendo produzido o Think City , um carro de dois lugares que também é vendido para alguns outros países europeus; o veículo, que está sendo produzido por meio de uma parceria da Think com a Valmet Automotive , pode sair de fábrica com baterias de íons lítio (da Enerdel ) ou de sódio – Zebra (da Meas-Dea ). No início de 2010 a empresa anunciou que implantará uma fábrica em Indianápolis, EUA, com capacidade de até 20 mil veículos por ano, com início de produção previsto para 2011. O Think City foi o primeiro VE a ser certificado para uso na Europa, tendo atendido aos requisitos para homologação da Comunidade Européia. Na Noruega, a empresa Elbil NORGE introduziu no início de 2010 uma nova versão de seu mini EV, o Buddy , com carroceria em poliéster e ABS reforçada com fibra de vidro. Por outro lado, nos EUA, a empresa Tesla Motors fabrica o Roadster , um carro esportivo do qual já existem mais de mil em uso. No Japão, a Mitsubishi lançou, em julho de 2009, o i MiEV , um carro urbano de quatro lugares. Inicialmente as vendas foram focadas em clientes corporativos, sendo que as vendas no varejo começaram em abril de 2010; em 2009, a produção foi de 2 mil veículos, devendo passar para 9 mil em 2010. Na Europa, versões adaptadas do i MiEV serão lançadas pela Peugeot Citröen até o final de 2010; o VE a ser comercializado pela Peugeot é o iOn e o pela Citröen , o C-Zero . Por outro 182
183
Tabela 2 – Algumas características de veículos elétricos atualmente à venda . Veículo
Fabricante / País
Buddy
Elbil
Norge
/
Ano*
Tipo / Lugares
Autonomia / km**
Tempo de recarga / h***
2005
Urbano / 3
150
6
Noruega
Roadster
Tesla / EUA
2008
Esportivo / 2
360
3,5
Think City
Think / Finlândia
2008
Urbano / 2
180
13
I MiEV
Mitsubishi / Japão
2009
Mini / 4
160
7
F3DM
BYD / China
2008
Sedan / 5
100
-
Smart fortwo
Smart / França
2009
Urbano / 2
135
>8
Ano de início de fabricação. ** Valor máximo para modo econômico de condução. *** Menor tempo divulgado pelo fabricante, que depende do carregador usado.
lado, a empresa Smart lançou recentemente a versão elétrica do Smart fortwo , sendo que um número significativo de veículos já está em uso em algumas cidades européias; as vendas para o público em geral devem ser iniciadas em 2012. Quanto ao futuro próximo, há expectativa de diversos VEs serem lançados, usando baterias de íons lítio; alguns exemplos são dados a seguir. A Hyundai pretende lançar na Coréia do Sul, no 2º semestre de 2010, para clientes corporativos, o mini-carro i10 (atualmente produzido na Índia), que deverá ter um conjunto de baterias de íons lítio (com eletrólito polimérico) da LG Chem ; produção em escala mais ampla está prevista para 2012. Também no 2º semestre de 2010, deve chegar ao mercado japonês o Leaf , da Nissan- Renault , com um conjunto de baterias de íons lítio; em abril de 2010, foi divulgado que a Prefeitura de São negocia a aquisição deste VE para a frota da Companhia de Engenharia de Tráfego (Folha de São Paulo , 2010). Também em 2010, a empresa indiana Reva lançará o Reva NXR , um veículo de três portas para quatro passageiros, que poderá ser adquirido tanto com conjunto de baterias de íons lítio (160 km de autonomia) ou Pb-ácido (80 km de autonomia). A Ford já confirmou a introdução no mercado americano, ainda em 2010, de uma versão elétrica da Transit Connect (pequena van), equipado com baterias de íons lítio. A Toyota pretende lançar no Japão, em 2012, um carro pequeno de quatro lugares, pouco maior que o Smart fortwo , ora denominado de FT-EV . Em março de 2009, a Tesla Motors anunciou a produção de um segundo VE, o Model S , sedan de cinco lugares que será vendido nos EUA e Europa a partir de 2012, sendo que encomendas já estão sendo recebidas (a empresa espera implantar a fábrica com recursos do programa lançado pelo governo Obama na área de Energia e Meio Ambiente, em 2009 (THE WHITE HOUSE, 2009)). Por outro lado, a Subaru vem avançando com o desenvolvimento do R1e , micro-carro de dois lugares, fazendo diversas parcerias com empresas produtoras e/ou distribuidoras de energia elétrica.
Quanto aos VEHs com baterias de íons lítio, a comercialização de diversos modelos está prevista para os próximos anos, já na versão plug-in (VEHP). Alguns exemplos de VEHs lançados no 2º semestre de 2009: Mercedes S400 e BMW ActiveHybrid 7 . Em abril de 2010, a empresa chinesa BYD iniciou a venda no varejo de seu VEHP compacto F3DM , o qual fora disponibilizado para clientes corporativos ou governamentais no final de 2008. Para o 2º semestre de 2010, há previsão de lançamento do Karma (da nova empresa norteamericana Fisker Automotive , com capacidade de produção anual de 15 mil veículos) e do Volt pela General Motors . Por outro lado, a Ford e a Toyota anunciaram que, no futuro, passarão a usar baterias de íons lítio em seus veículos híbridos, no lugar das de Ni/MH, sendo que, no final de 2009, a Toyota já iniciou testes de modelos de seu VEH Prius equipados com baterias de íons lítio produzidas pela Panasonic . No caso da Ford , está previsto para 2012 o lançamento de uma versão elétrica do Focus . Mais informações sobre veículos elétricos, puros ou híbridos, podem ser encontradas, por exemplo, nos sítios www.greencar.com, www.hybridcars.com ou evworld.com. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O panorama acima apresentado indica que as baterias de íons lítio efetivamente já passaram a ocupar uma fração importante e crescente do mercado de baterias recarregáveis para uso em VEs e, especialmente, nos VEHs e VEHPs, contribuindo para aumentar a sustentabilidade do sistema de transportes. Neste sentido, idealmente o tipo de veículo adotado pelos usuários deveria ser VE, pois este pode fazer com que as emissões de CO sejam efetivamente zero 2
(dependendo da fonte primária de energia elétrica). Entretanto, este tipo de veículo normalmente tem baixa autonomia, problema não apresentado pelos VEHPs, que inclusive não 186
impõem grandes mudanças de hábitos aos usuários. Assim, na realidade, vislumbramos que os VEHPs deverão ocupar posição de destaque, dada sua versatilidade, pois: a) para usuários que comumente rodam curtas distâncias diárias, os VEHPs funcionam simplesmente como veículos elétricos (usando a energia elétrica da rede armazenada na bateria recarregável); b) para os usuários que rodam grandes distâncias, os VEHPs funcionam como veículos híbridos, recarregando a bateria por meio do gerador a bordo (movido por motor a diesel, gás, gasolina ou etanol). Cabe ressaltar que uma vantagem adicional brasileira é a possibilidade dos VEHPs serem comercializados na versão flex , o que poderá contribuir para uma redução ainda mais significativa da emissão de CO 2
de origem fóssil à atmosfera pelo setor de transportes. Entretanto, no Brasil, tanto quanto foi possível saber, até este momento nenhuma das montadoras anunciou a fabricação/venda de VEHPs. Considerando esse cenário e a necessidade estratégica do Brasil ser líder na área de Energia e Meio Ambiente, com iniciativas que contribuam para a sustentabilidade de sua matriz energética, são bem-vindos políticas e incentivos que levem à produção e comercialização de VEs e, especialmente, VEHPs dotados de baterias recarregáveis. Neste sentido, no início de 2010, o Ministério de Ciência e Tecnologia iniciou a definição de uma rede de inovação em veículos elétricos, cujos principais objetivos são “o desenvolvimento e aperfeiçoamento de matérias-primas e materiais aplicáveis à cadeia produtiva dos veículos elétricos, modernização de abastecimento do veículo com energia externa, sistemas embarcados de conversão de energia, melhoria de motores elétricos e seus componentes, além de sistemas mecânicos como chassis, suspensão, engrenagens, sistema de freios entre outros” (ANPEI , 2010). 187
Finalmente, cabe destacar que um dos problemas que pode dificultar a aceitação dos VEs pelos consumidores é o custo do conjunto de baterias, com impactos significativos no custo inicial do veículo. No caso das baterias de íons lítio, seu alto custo decorre principalmente da atual baixa escala de produção específica para VEs. Uma solução para os próximos 5 – 10 anos para esse problema poderá advir do uso de baterias Pb-ácido avançadas, que podem apresentar um menor custo por unidade de energia e por ciclo de vida e cuja produção em grande escala pode ocorrer mais rapidamente que a de baterias de íons lítio, dada a indústria de baterias Pbácido já estabelecida.
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CARROS ELÉTRICOS E AS BATERIAS DE ÍON LÍTIO: ESTADO ATUAL DE DESENVOLVIMENTO E PERSPECTIVAS TECNOLÓGICAS
Ana Maria Rocco *
INTRODUÇÃO Neste artigo serão abordados aspectos da tecnologia de carros elétricos com ênfase nas baterias de íon lítio. As baterias são consideradas o ponto estratégico da tecnologia de carros elétricos, cuja inserção é essencial em um novo cenário energético baseado em fontes de energia limpas, renováveis e sustentáveis. O papel da nanociência e da nanotecnologia é destacado na discussão sobre o desenvolvimento das baterias de íon lítio.
CARROS ELÉTRICOS E BATERIAS DE ÍON LÍTIO Os primeiros modelos de carros, já na década de 1890, eram elétricos. Utilizavam baterias chumbo-ácido, uma tecnologia já dominada na época, como o modelo Belga de 1899, La jamais contente , que alcançava 30 m/s (cerca de 108 km/h). No mesmo ano, o único carro movido a motor de combustão com derivado de petróleo foi desclassificado em uma competição automobilística em Paris, devido ao seu “inviável” consumo de combustível [ i]. Com a diminuição do custo do petróleo, já no início do século passado, entre 1900 e 1920, a proporção de carros elétricos diminuiu de 60 para 4 % do total da frota nos Estados Unidos.
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Grupo de Materiais Condutores e Energia, Escola da Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro. E-mail: [email protected]
Por motivos de mercado, os carros movidos a combustíveis fósseis tornaram-se os principais modelos comercializados em todo o mundo concentrando todas as atenções até a década de 1970, quando da primeira grande crise do petróleo. Nesta ocasião, ressurgiu o interesse por tecnologias alternativas ao uso de combustíveis fósseis, dentre elas, os biocombustíveis e os carros elétricos. Com estes, o interesse em adaptar e produzir baterias mais adequadas tem se intensificado desde então. No Brasil, a empresa Gurgel lançou no Salão do Automóvel de 1974 o modelo elétrico Itaipu. Em 1981, a mesma empresa voltou a utilizar a tração elétrica no furgão E400. Como evolução do projeto de 1974, este modelo teve um pequeno número de unidades produzidas. Há, atualmente, um entendimento global sobre a necessidade de diminuição das emissões dos gases causadores do efeito estufa, em particular, o CO 2. Uma das principais fontes do CO 2 emitido para a atmosfera é a queima de combustíveis minerais ou fósseis, os quais têm reservas limitadas que causam alto impacto em seu custo, o qual é também altamente dependente de condições de produção em regiões geopoliticamente instáveis. Os biocombustíveis constituem, hoje no Brasil, uma alternativa economicamente viável para o consumo em veículos, em especial carros de passeio, tratando-se de uma fonte renovável. Entretanto, sob o ponto de vista de geração de energia limpa, estes também geram, embora em quantidade menor, emissões de carbono. Alternativas com impacto ambiental ainda menor são os dispositivos de geração e armazenamento de energia limpa incluídos no campo da nanoenergia. Dentre eles; baterias e capacitores eletroquímicos, células a combustível e células solares. Esses dispositivos armazenam ou geram energia de forma não poluente, produzindo energia sem liberar qualquer tipo de substância agressiva ao ambiente. Embora haja controvérsias e discussão a respeito dos custos relativamente altos dessas 193
tecnologias, estes tendem a ser reduzidos considerando-se a produção e comercialização em larga escala dos dispositivos. A proximidade do fim das reservas de combustíveis fósseis conhecidos também diminuirá comparativa e, consequentemente, o custo das mesmas. Neste cenário, uma nova economia energética deve emergir e, considerando o desenvolvimento atual do setor, deverá ser baseada em fontes de baixo custo, renováveis e sustentáveis. Em particular, na área de transportes veiculares, os carros elétricos movidos a baterias tendem a ser uma solução sustentável e de implementação imediata. Veículos elétricos são aqueles cuja fonte de energia provém de um banco de baterias (BB). Conectado ao BB por um conversor eletrônico de potência, existe o motor elétrico que também atua como um gerador. Assim, em situações de desaceleração, parte da energia que seria dissipada nos freios convencionais pode ser aproveitada para recarregar o BB. Esta é uma tecnologia que proporciona baixo custo por quilômetro rodado, é de simples funcionamento e permite a recarga do BB diretamente na rede elétrica. Os carros elétricos movidos a baterias, quanto ao abastecimento, encontrariam facilidades já que poderia ser adaptada, com baixo custo tecnológico, a rede já existente de geração, transmissão e distribuição de energia empregada para suprir as residências. Apenas 1 % da energia elétrica produzida atualmente no Brasil é destinada ao setor de transporte, permitindo, com isso, um aumento desta porcentagem sem grandes investimentos para o setor de geração de energia. Futuramente, poderia ser empregada a energia gerada por células solares e usinas eólicas, para as quais o Brasil possui potencial e planos de aumentar a participação das mesmas na matriz energética. Modelos de carros híbridos que incluam em sua configuração células a combustível como fonte de energia, por 194
exemplo, podem demorar mais para serem comercializados em maior escala, em função da necessidade de desenvolvimento de tecnologias paralelas para viabilizar o armazenamento e transporte de hidrogênio seguros, assim como construir uma rede de postos de abastecimento. Com relação à infraestrutura para recarregamento das baterias dos carros elétricos, existem, em princípio, algumas soluções disponíveis, carecendo, obviamente, de adaptações, as quais podem ser implementadas no curto prazo com uma interação mais próxima entre empresas do setor, centros de pesquisas e universidades. A utilização da rede elétrica atualmente instalada pode ser apontada como uma estratégia inicial e com custo viável. Alternativas para o abastecimento não seriam, em princípio, impeditivas, já que a maioria dos automóveis passa 90 % do tempo parado. Estes poderiam ser abastecidos nas residências e em postos adaptados nos locais de trabalho. O abastecimento nas residências poderia ser realizado em horários de menor demanda energética, por exemplo, durante a noite. Uma das desvantagens apontadas na utilização das baterias é o seu tempo de recarregamento, que nos modelos atuais é de até 6 horas. Para contornar essa característica, pode-se lançar mão da utilização de altas tensões (220 V ou mais), produzidas por transformadores a serem instalados em postos de recarregamento, diminuindo significativamente o tempo de recarga. Para viagens de maiores distâncias, antes que se adapte a tecnologia para o aumento da autonomia desses veículos, uma alternativa para o recarregamento foi proposta pela aliança Renault-Nissan em parceria com a empresa israelense Better Place, na qual está prevista a instalação de 500000 pontos de recarga e postos de troca de baterias, inicialmente em Israel. A abordagem inclui o recarregamento 195
nos postos de serviço ou a troca de baterias gastas por baterias carregadas [ ii]. O desafio maior na tecnologia de veículos elétricos encontra-se na fabricação de baterias com energia específica suficiente para equiparar sua autonomia àquela oferecida pelos veículos convencionais. Por exemplo, no Chevrolet Volt (modelo a ser comercializado a partir de 2011, segundo a montadora), as baterias de íons lítio, quando totalmente carregadas, fornecem fornecem uma autonomia de até 64 km em trânsito urbano operando sem auxílio de um motor à combustão [ iii]. Para este modelo, a empresa LG Chem fornece as unidades para a montagem das baterias à GM [ iv]. Após a descarga da bateria, um motor 1.0 à combustão aciona um gerador que recarrega as unidades, mas não é empregado para tracionar o veículo, permitindo uma autonomia total de até 500 km. Segundo a aliança Renault-Nissan, as baterias são o ponto principal da tecnologia de carros elétricos. Esta aliança planeja disponibilizar, disponibilizar, a partir de 2011, vários modelos movidos a baterias de lítio, dentre os quais o Nissan Leaf. As baterias utilizadas nestes modelos vêm sendo desenvolvidas em parceria com a empresa NEC. Estima-se que cerca de 10 % das vendas de automóveis em 2020 seja representada por veículos elétricos [ v].
HISTÓRICO DAS BATERIAS DE LÍTIO A vantagem da utilização do lítio metálico foi demonstrada em meados dos anos 1970 com a montagem de uma célula (primária) não recarregável. Estas baterias primárias foram absorvidas rapidamente no mercado como fonte de energia para calculadoras e relógios, devido a sua alta capacidade de carga. A vantagem de empregar o lítio metálico como anodo foi atribuída, no início, ao fato de o lítio ser o metal mais leve e eletropositivo (-3.04 V versus o eletrodo padrão de hidrogênio), portanto, propiciando a fabricação de sistemas com alta densidade de energia ao mesmo tempo em que 196
facilitava o design da bateria. Concomitantemente, foram desenvolvidos compostos inorgânicos que reagiam com metais alcalinos de forma reversível, atualmente conhecidos como compostos de intercalação. Por suas propriedades e reações com metais alcalinos, propiciaram o desenvolvimento de materiais para baterias recarregáveis de lítio, conhecidas como baterias secundárias de íon lítio ou, simplesmente, baterias de íon lítio. A evolução dessa tecnologia se deu também, segundo Armand [vi], em função do desenvolvimento do conceito científico de intercalação eletroquímica (do início da década de 1970) e do conhecimento da química de estado sólido, no que se refere a dados acumulativos de estruturas de sólidos inorgânicos lamelares. A década de 1990 foi marcada por um avanço significativo na química e na engenharia de baterias com as tecnologias emergentes de Ni-MH (níquel metal-hidreto) e de íon lítio. No presente, essas células já superam as baterias de Ni-Cd. Esse avanço e melhor desempenho ficaram claros, em 2009, no 79º Salão Internacional do Automóvel e Acessórios de Genebra, onde modelos de automóveis elétricos atraíram mais atenção do que os modelos convencionais movidos a combustíveis fósseis ou renováveis. Isso se deveu especialmente à autonomia e desempenho otimizados das baterias de íons lítio e sistemas de potência dos modelos apresentados. Foram exibidos modelos de automóveis com autonomia de até 480 km a serem lançados em 2011 [ vii], o que representa um grande avanço de autonomia em comparação aos modelos anteriores. Dentre os vários modelos de veículos elétricos, uma das empresas apresentou um que pode acelerar de 0 a 100 km/h em 4 segundos, alcança 200 km/h e conta com autonomia de 390 km, utilizando baterias de íon lítio, não dependendo de nenhum tipo de combustível [ viii]. Os modelos de veículos elétricos comercializados até recentemente eram híbridos que utilizavam uma bateria de níquel e um motor convencional alternadamente. Protótipos de maior potência 197
empregam baterias de íon lítio, que futuramente poderão atuar em conjunto a capacitores eletroquímicos que também empregam materiais avançados com íons lítio em sua composição [ ix], eliminando a necessidade do motor convencional de combustão.
TECNOLOGIAS ATUAIS Uma bateria é um dispositivo conceitualmente simples, composto por um certo número de células eletroquímicas, as quais são ligadas em paralelo ou em série, fornecendo maior densidade de corrente ou tensão, respectivamente. Em cada célula, um eletrodo positivo e um negativo são separados por um meio eletrolítico ou, em concepções mais avançadas destes dispositivos, um eletrólito sólido polimérico. Os eletrólitos possuem sais dissociados e promovem o transporte de íons entre os dois eletrodos (quimicamente reativos). Conectando-se externamente os eletrodos, as reações químicas de oxidação (anodo) e redução (catodo) procedem gerando um fluxo de elétrons e a corrente a ser utilizada. A energia elétrica que uma bateria libera é expressa por unidade de peso (W·h·kg-1) ou de volume (W·h·L -1) e é função do potencial (V) e da capacidade de carga (A·h·kg -1), sendo ambos estes parâmetros fortemente dependentes da química do sistema. No início desta década, as baterias baseadas em lítio se sobressaíam a outros sistemas e somavam cerca de 60% das vendas mundiais em baterias portáteis [ x]. A justificativa para estes números reside nas propriedades de alta densidade de energia e flexibilidade de design . Atualmente, as baterias são desenvolvidas desenvolvidas em diferentes potências que atendem a aplicações diversas e crescentes, desde carros elétricos até eletrônicos portáteis. Cada uma das aplicações requer um desempenho específico e prospecta-se um aumento de demanda para outras aplicações em um futuro próximo. Existem, atualmente, baterias de íon 198
lítio confeccionadas em diferentes configurações, como a cilíndrica, cilíndrica compacta, retangular e delgada. O material de anodo mais utilizado nas baterias de íon lítio é o grafite intercalado com lítio, enquanto o catodo destes dispositivos pode ser (a) um óxido lamelar como óxido de lítio e cobalto; (b) sólidos baseados em poliânions como o fosfato de ferro e lítio; ou (c) um espinélio, como óxido de manganês e lítio. As baterias de íon lítio apresentam vantagens sobre as demais baterias secundárias, como menor peso, maior densidade de carga e maior número de ciclos de carga e descarga, alcançando, consequentemente, tempos de vida útil maiores. Uma outra característica que deve ser destacada é a alta tensão de circuito aberto que pode ser obtida em baterias de íon lítio em comparação a outros sistemas, como as baterias chumbo-ácido, metal-hidreto ou níquel-cádmio. Outras vantagens em comparação a baterias de níquel-cádmio e metal-hidreto são a ausência de limitação de carregamento em sucessivas cargas e uma baixa taxa de descarga quando a unidade não é utilizada. Em comparação a baterias de sal fundido (por exemplo, o projeto Zebra), as baterias de íon lítio apresentam baixas temperaturas de operação e alta densidade de energia por utilizarem materiais com maior densidade de carga e permitirem fabricação em modelos mais compactos. Na Tabela 1 são apresentadas resumidamente as características das baterias de íon lítio (convencional e polimérica), assim como as de níquel metal-hidreto, chumboácido e sal fundido.
Tabela 1. Tipos, características, aplicações e impacto ambiental de algumas baterias . Tipo de bateria
Características
Aplicações
Impacto ambiental 199
Portáteis, veiculares e adaptáveis para maiores escalas.
- A química do lítio é relativamente verde (abundante); - Reciclagem fácil; - Possibilidade de esgotamento de cobalto devido à utilização em larga escala; Substituição de cobalto por manganês e ferro que são abundantes e sustentáveis.
Alta capacidade e densidade de Adaptável à energia, velocidade média e larga Íon Lítio de carregamento escala, assim polimérica limitada. como Baixo peso. (P&D&I) aplicações Tecnologia acessível a baixo veiculares. custo.
-Recarregáveis; - Eletrodos obtidos a partir de materiais renováveis; - Fácil reciclagem.
Íon Lítio (comercial)
Ni-MH (comercial)
Chumbo-ácido (comercial)
Sal fundido (comercial)
Alta densidade de energia, alta velocidade de carregamento, longa ciclabilidade, custo médio com tendência a diminuir com a produção em larga escala.
Baixa voltagem, densidade de energia moderada, alta densidade de potência. Densidade de energia baixa, velocidade de carregamento moderada, baixo custo. Densidade de energia moderada, alta temperatura de operação, exige reaquecimento após desligamento.
Portáteis e de larga escala.
De larga escala, veicular, estacionária.
De larga escala, estacionária.
- Ni não é verde e é de extração difícil (não sustentável); - Ni é um metal tóxico e com reservas limitadas; - O Ni é reciclável. -Alta temperatura de operação; - Ciclabilidade limitada; - O chumbo é tóxico, porém, a reciclagem tem eficiência de 95%. - A bateria Na-NiCl2 apresenta o mesmo impacto ambiental das baterias Ni-MH.
200
Utilizando diferentes materiais e assumindo configurações distintas, as baterias de íon lítio podem alcançar diferentes potências e autonomias. As tecnologias mais comuns nestes dispositivos utilizam eletrólitos líquidos, porém, para alcançar configurações com menor espessura (as chamadas baterias delgadas), é necessária a utilização de materiais de eletrodos (catodo e anodo) e eletrólitos poliméricos. Estas baterias, em estágio de P&D&I, confeccionadas a partir de materiais poliméricos, apresentam como vantagens a flexibilidade, podendo ser adequadas a diferentes geometrias e o baixo peso, uma necessidade cada vez maior no desenvolvimento para aplicações em carros elétricos. A utilização de materiais poliméricos nos eletrodos para a confecção de baterias de íon lítio permite também a diminuição do custo final do dispositivo, uma vez que estes materiais apresentam baixo custo de obtenção. Na Figura 1 apresenta-se um esquema de uma bateria na configuração delgada flexível, onde cada camada pode ter espessura da ordem de alguns μm.
Figura 1. Esquema representando uma bateria de íon lítio na configuração delgada flexível, confeccionada a partir de materiais poliméricos.
MATERIAIS E NANOTECNOLOGIA EM BATERIAS DE LÍTIO 201
Os trabalhos mais recentes no desenvolvimento das baterias de íon lítio seguem a linha de criação e otimização de materiais poliméricos nanoestruturados, nanocompósitos e teste destes dispositivos, verificando, em geral, a influência da estrutura, nanoestrutura e suas propriedades sobre a eficiência do dispositivo. Materiais nanoestruturados e nanocompósitos têm sido propostos para o desenvolvimento dessas baterias e questões fundamentais têm sido avaliadas, nos últimos anos, em relação a fenômenos de transporte, eletroquímica de sólidos e descrição molecular dos materiais envolvidos. A Tabela 2 lista alguns dos materiais empregados em baterias de íon lítio convencionais e poliméricas [ xi, xii, xiii, xiv].
Tabela 2. Materiais empregados nos eletrodos e eletrólito em baterias de íon lítio. Baterias
Catodo LiCoO2 ; LiMnO2 ;
Íon lítio
LiFePO4 ; Li2FePO4F
Íon lítio polimérica
Politiofeno ; PEDOT ; Nanocompósitos LiFePO4/C
Eletrólito
Anodo
LiPF6, LiBF4, LiClO4 em um meio líquido
Li/grafite (LiC6)
(orgânico) LiPF6, LiBF4, LiClO4 em um meio polimérico orgânico
Nanocompósitos polímero/nanofibra de carbono
Os avanços tecnológicos ligados ao desenvolvimento de nanomateriais no campo da nanoenergia têm resultado na otimização de propriedades e, com isto, têm minimizado uma das características normalmente apontadas como limitantes para a produção e comercialização em larga escala dessas baterias para veículos elétricos, o seu peso. A nanotecnologia 202
permite a obtenção de materiais com alta densidade de energia por unidade de massa, o que proporciona a fabricação de dispositivos com maior autonomia e densidade de energia, atendendo à demanda de diminuição de peso para aplicações em carros elétricos. Utilizando-se estes materiais, o peso final do dispositivo será menor quanto maior for a participação de polímeros orgânicos em sua composição, sejam eles polímeros nanoestruturados condutores iônicos ou eletrônicos. Destacamse também os nanocompósitos de polímeros com estruturas de carbono. Algumas indústrias pretendem ampliar seus planos de pesquisa na utilização de polímeros em catodos orgânicos, já que estes materiais apresentam baixo custo de produção, processo de síntese simples e boas propriedades tecnológicas como fácil moldagem e solubilidade em diferentes solventes orgânicos [xv]. A progressiva utilização de polímeros orgânicos ou materiais inorgânicos com nanoestrutura controlada e consequente otimização de propriedades tende a diminuir também, em médio prazo, o custo das baterias, o que é fundamental para a sua comercialização em larga escala. Dentre os materiais inorgânicos, os óxidos de metais de transição litiados (empregados atualmente) estão sendo otimizados com controle da nanoestrutura. Diferentes abordagens para melhorar o desempenho eletroquímico de materiais para catodos têm sido estudadas, dentre elas, obter os materiais em partículas de pequenas dimensões e com maior contato eletrônico. Quanto aos materiais para anodos, algumas propostas consistem em substituir os materiais baseados em grafite por ligas ou compostos intermetálicos envolvendo lítio [15], o que representa um aumento do peso do dispositivo, embora, com aumento de densidade de corrente. Outra abordagem é aumentar a densidade de carga dos anodos baseados em carbono pela obtenção de nanocompósitos com polímeros 203
condutores eletrônicos. Adicionalmente, a presença de polímeros condutores pode aumentar a adesão das diferentes camadas que compõem a bateria.
ASPECTOS MERCADOLÓGICOS Um dos aspectos motivadores para a produção e comercialização dos carros elétricos é a meta de emissão zero nos meios de transporte. Atrelado ao aspecto ambiental, prospecta-se que os modelos de carros elétricos podem atingir o equivalente a 10 % do mercado mundial até 2020. Entretanto, ações são necessárias no sentido de estabelecer parcerias com governos, municípios, fornecedores de energia elétrica e outros segmentos, para que possa ser criada a infraestrutura necessária para o carregamento das baterias. Para a aceitação popular dessa tecnologia, é importante haver políticas de incentivo de modo a estimular os consumidores a adotar os carros elétricos. Criando-se uma economia de maior escala haverá menor apreensão do consumidor em adotá-los como opção de transporte. É imprescindível para o Brasil, hoje, criar uma indústria de carros elétricos. Em uma primeira etapa, pode-se importar baterias de íons lítio para viabilizar esta indústria ou empregar baterias comerciais disponíveis no mercado nacional. Paralelamente, deve-se desenvolver uma tecnologia de baterias mais avançadas que permita integrá-las a outros dispositivos, por exemplo, capacitores eletroquímicos, de modo a eliminar os motores à combustão dos veículos elétricos híbridos. O Brasil poderá atuar e competir internacionalmente no setor de baterias empregando nanomateriais já desenvolvidos para aplicação em dispositivos de geração e armazenamento de energia. O desenvolvimento de baterias e capacitores eletroquímicos de tecnologia nacional influenciará principalmente o setor automobilístico, para o qual baterias mais leves, mais eficientes e com tempo de vida maior são 204
imprescindíveis para viabilizar a produção e comercialização de carros elétricos em larga escala e com custos menores.
TECNOLOGIA DAS BATERIAS DE ÍON LÍTIO NO BRASIL E NO MUNDO
Com relação à geração de tecnologia ligada ao desenvolvimento de baterias de íon lítio, assim como de materiais avançados empregados na sua elaboração, o Brasil conta com pesquisadores atuando no desenvolvimento de novos materiais e dispositivos, em diversas universidades e centros de pesquisa. Existem também redes de pesquisa promovidas pelo MCT com o intuito de desenvolver a pesquisa em nanotecnologia molecular e de interfaces e em materiais. Dentre os trabalhos desenvolvidos, vários são voltados para o desenvolvimento de ciência e tecnologia na área da nanoenergia, inclusive para baterias de íon lítio, sendo que alguns grupos detêm patentes de produtos desenvolvidos, também para as baterias poliméricas. Existem também grupos atuando na reciclagem de metais de baterias descartadas. Com isto, há produção científica e tecnológica de alto nível e formação de recursos humanos altamente qualificados no país. Estes poderão ser empregados em futuros parques tecnológico-industriais, possibilitando a produção dessas baterias (mais leves, com maior autonomia e tempo de vida), outros dispositivos para carros elétricos, assim como para eletroeletrônicos e sistemas de segurança. No Brasil, atualmente, existem também empresas que detêm patentes de baterias e que realizam parcerias com grupos de pesquisa para P&D&I no segmento destes dispositivos. Nos últimos cinco anos, com registro de propriedade industrial no Brasil (base de dados INPI), foram encontrados cerca de 200 produtos ou processos envolvendo os termos “bateria” ou “capacitor” e número semelhante de artigos científicos foi publicado. A Figura 2 mostra o número de patentes com registro fora do Brasil contendo o termo “ lithium 205
ion battery ” nos últimos cinco anos, com mais de 7000 registros, dos quais não foram localizados detentores de direitos com endereços no Brasil. Como mostrado na figura, o número de patentes internacionais registradas apresentou um crescimento de 2006 até 2009 em cerca de 43 %, em função da grande demanda do setor automobilístico e de eletroeletrônicos portáteis. Parte desse desenvolvimento já foi incorporado na produção dos veículos elétricos oferecidos recentemente por algumas companhias, como já mencionado. Entretanto, a demanda por esse tipo de veículo ainda é restrita a setores da sociedade de alto poder aquisitivo, podendo ser estendida a outros segmentos da sociedade com o aumento da produção e possível comercialização em larga escala. 3000 2500 s e 2000 t n e t a p e 1500 d o r e m 1000 ú N
500 0 2006
2007
2008
2009
2010
Ano
Figura 2. Número de patentes internacionais registradas nos últimos cinco anos contendo o termo “ lithium ion battery ” [xvi].
Na Figura 3 é mostrado o número de patentes registradas contendo o termo “ lithium ion battery ” nos últimos 206
cinco anos pelas 25 companhias e instituições mais ativas neste segmento.
MATSUSHITA DENKI SANGYO KK TOYOTA JIDOSHA KK SANYO ELECTRIC CO LTD SONY CORP SAMSUNG SDI CO LTD NISSAN MOTOR CO LTD LG CHEM LTD MATSUSHITA ELECTRIC IND CO LTD TIANJIN LISHEN BATTERY CO LTD BYD CO LTD TOKIN CORP BIYADI CO LTD PANASONIC CORP HITACHI MAXELL KK SAMSUNG DENKAN KK SHENZHEN BIKE BATTERY CO LTD TOSHIBA KK WANG Y HITACHI VEHICLE ENERGY LTD LI J WANG J ZHANG Y LI X ASAHI KASEI KK DAINIPPON PRINTING CO LTD 0
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Número de patentes
Figura 3. Número de patentes internacionais nos últimos cinco anos contendo o termo “ lithium ion battery ” pelas 25 companhias e instituições mais ativas [xvi].
O gráfico da Figura 4 mostra o número de artigos produzidos nos últimos cinco anos pelos 25 países mais cientificamente ativos na área. A posição do Brasil pode ser considerada animadora, tendo em vista os recursos financeiros aplicados no desenvolvimento destes dispositivos ou materiais, em comparação a outros países e o número de empresas atuando em P&D&I neste segmento no país. Segundo a consultoria Alliance Bernstein, o mercado de baterias de íon lítio contará com um capital de cerca de US$ 150 bilhões em 2030. As reservas conhecidas de lítio 207
500
encontram-se distribuídas principalmente entre a Bolívia (50,5 %), Chile (28,1 %), China (10,3 %) e EUA (3,8 %), enquanto o Brasil conta com 1,3 % destas reservas. No Brasil, o lítio se encontra na forma de minérios, principalmente como óxido, carbonato e hidróxido. Em 2005, o Brasil produziu cerca de 9 toneladas de minério de lítio (dados do Depto Nacional de Produção Mineral). Os principais locais de extração do minério de lítio no Brasil encontram-se no sul do Estado de Minas Gerais. Além das reservas já conhecidas, não há dados divulgados sobre outras possíveis reservas contendo minérios de lítio no país. Dado ao mercado projetado para o consumo de lítio e a capacidade científico-tecnológica instalada no país, o Brasil tem a oportunidade de estabelecer uma forte participação nesse mercado.
PEOPLES R CHINA USA JAPAN SOUTH KOREA FRANCE INDIA TAIWAN AUSTRALIA GERMANY ITALY CANADA SWITZERLAND ENGLAND SPAIN POLAND NETHERLANDS SINGAPORE SWEDEN BRAZIL MALAYSIA RUSSIA SLOVENIA IRAN ISRAEL SCOTLAND
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Número de artigos
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Figura 4. Número de artigos produzidos nos últimos cinco anos contendo “lithium ion battery ” pelos 25 países mais cientificamente ativos na área [xvi].
Na Tabela 3 são listados os grupos de pesquisa atuando no Brasil em projetos relacionados às palavras chave ‘veículos elétricos”, “baterias”, “baterias de lítio”, e “eletrólitos sólidos/baterias”. Estes grupos encontram-se distribuídos por alguns Estados, no entanto, apresentam ainda alguma concentração nas regiões Sul e Sudeste. As áreas de atuação principais destes grupos, segundo a base de dados do CNPq, são, em sua maioria, Química (Eletroquímica, Matéria Condensada e Materiais), Física (Estado Sólido) e Engenharias como Metalurgia, de Materiais e Elétrica. Dos grupos que desenvolvem materiais, estes empregam uma abordagem nanotecnológica, dando atenção especial aos estudos envolvendo a relação entre a nanoestrutura e as propriedades eletroquímicas. Tabela 3. Grupos de pesquisa atuando no Brasil. As buscas com palavras chave foram realizadas para veículos elétricos, baterias e materiais relacionados [ xvii]. Palavra Chave: Veículos elétricos Grupo Instituição Líder do Grupo Grupo de Automação e PUCRS Daniel Ferreira Coutinho Controle de Sistemas Núcleo de Estudos em Energia UCS Carlos Roberto Altafini Sensores e Atuadores USP Julio Cezar Adamowski Palavra Chave: Baterias de lítio Grupo GENM - Grupo de Estudo de Novos Materiais GMCE - Grupo de Materiais Condutores e Energia Laboratório de Materiais Eletroativos Laboratório de Pesquisas em Eletroquímica LCAM Laboratório de Caracterização e Aplicação de
Instituição UEL UFRJ USP UFSCAR USF
Líder do Grupo Antonio Alberto da Silva Alfaya Ana Maria Rocco Susana Ines Cordoba de Torresi Romeu Cardozo Rocha Filho Silmara das Neves 209
Materiais MAv - Materiais Avançados
UNESP
Palavra Chave: Eletrólitos sólidos / Baterias Grupo Instituição Grupo de Físico-Química Orgânica GMCE - Grupo de Materiais Condutores e Energia
Palavra Chave: Baterias Grupo Diamante e Materiais Relacionados Filmes Finos e Materiais GENM - Grupo de Estudo de Novos Materiais Grupo de Eletro-Óptica de Processos Interfaciais e Desenvolvimento de Sensores, Baterias e Atuadores Mecânicos Grupo de Eletroquímica Grupo de Eletroquímica Grupo de Eletroquímica Aplicada
USP UFRJ
Instituição INPE UEL UEL UFVJM
USP UFPE UFES
Carlos Frederico Oliveira Graeff
de
Líder do Grupo Antonio Aprigio da Silva Curvelo Ana Maria Rocco
Líder do Grupo Vladimir Jesus Trava Airoldi Jair Scarminio Antonio Alberto da Silva Alfaya Flavio Santos Damos
GEP - Grupo de Eletroquímica e Polímeros Grupo de Materiais Condutores e Energia Grupo de Polímeros Condutores, Eletroativos e Materiais Reciclados Grupo de Reciclagem e de Resíduos Infra-Estrutura de Redes Laboratório de Materiais Eletroativos Laboratório de Pesquisas em Eletroquímica Laboratório de Caracterização e Aplicação de Materiais Materiais
UFSCAR
Ernesto Rafael Gonzalez Flamarion Borges Diniz Marcos Benedito José Geraldo de Freitas Carlos Ventura D'Alkaine
UFRJ
Ana Maria Rocco
UFES
Eloi Alves da Silva Filho
UFRJ
Julio Carlos Afonso
CPqD USP
Luiz Carlos Neves Susana Ines Cordoba de Torresi Romeu Cardozo Rocha Filho Silmara das Neves
MAv - Materiais Avançados
UNESP
UFSCAR USF UFMG
Rosana Zacarias Domingues Carlos Frederico de 210
Materiais e Eletroquímica Aplicada NEEN - Núcleo de Estudos em Energia Novas Técnicas Hidrometalúrgicas Novos Materiais Observatório Pierre Auger Pilhas e Baterias Química Ambiental e Fotocatálise Heterogênea Química Analítica e Ambiental Reciclagem de Materiais
LACTEC
Oliveira Graeff Carlos Mario Garcia
UCS
Carlos Roberto Altafini
UFMG
Afonso Henriques Martins
UFSJ CBPF LACTEC UENF
Jose Luiz Aarestrup Alves Ronald Cintra Shellard Patricio Rodolfo Impinnisi Maria Cristina Canela
UFES CETEM
Sistemática de Bactérias Microbiologia Aplicada Veículo de Propulsão Híbrida
UNICAMP
Honerio Coutinho de Jesus Paulo Sergio Moreira Soares Fabiana FantinattiGarboggini Sebastião Cardoso
e
UNITAU
CONCLUSÕES Neste artigo foram abordados aspectos relevantes à tecnologia de carros elétricos com ênfase nas baterias de íon lítio, bem como sua inserção em um novo cenário energético baseado em tecnologias limpas, de fontes naturais, renováveis e sustentáveis. Neste cenário de uma nova economia energética, o desenvolvimento do setor deverá ser baseado também em fontes de baixo custo e em materiais recicláveis, diminuindo-se os danos ambientais nos processos de extração de minerais e no descarte dos dispositivos. Em particular, na área de transportes veiculares, as baterias para carros elétricos tendem a ser uma solução sustentável, principalmente quando empregadas para a estocagem de energia gerada por fontes como a energia solar e eólica. Avanços na ciência de materiais, na química e física de estado sólido e na eletroquímica de sólidos levaram, nas últimas três décadas, às baterias fabricadas e comercializadas atualmente com alta densidade de energia, menor peso, menor 211
tempo de carregamento, longa ciclabilidade, menor preço e ainda possibilidades de diminuição de custos de produção. Otimizações dos materiais atualmente empregados nesses dispositivos teriam forte impacto no setor de carros elétricos, permitindo a miniaturização e maior tempo de vida das baterias de íon lítio, com consequente aumento de autonomia. Com as diferentes aplicações a que se destinam essas baterias, há uma demanda crescente para esses dispositivos e um mercado estimado para 2030 em U$S 150 milhões. No cenário mundial em 2010, o Brasil aparece como o décimo nono país dentre os 25 mais produtivos em número de publicações científicas sob o tema “baterias de íon lítio”. O Brasil possui excelentes perspectivas de aumentar sua participação nesta área, já que possui cerca de 1,3 % das reservas de lítio conhecidas e grupos de pesquisa atuantes no setor, seja no desenvolvimento de novos materiais, química e física de estado sólido, eletroquímica de sólidos, nanoenergia e engenharias de materiais, metalúrgica, mecânica e elétrica. Existem ainda no país algumas parcerias em P&D&I entre empresas e instituições de pesquisa.
REFERÊNCIAS i
“A travers le monde” (ed. Hachette) 213-214 (1899). Apud M. Armand, J.-M. Tarascon, “Building better batteries” Nature 451 (2008) 652. ii Revista Veja, 30 de dezembro de 2009, pg. 228-231. iii L. Perez, Revista Brasil Sustentável, fevereiro/março de 2009, pg. 25-29. iv “LG Chem Battery Cells to Power Chevrolet Volt”, Press Release, 12 Jan 2009, http://www.lgchem.com. v C. Ghosn, Revista Veja, 30 de dezembro de 2009, pg. 232-233. vi M. B.Armand, In “Fast Ion Transport in Solids”, W. Van Gool, Ed., North-Holland Amsterdam, 1973, pp 665-673. vii Página web: http://www.chevrolet.com, acessada em 10/04/2010. viii Página web: http://www.teslamotors.com, acessada em 10/04/2010. 212
