O que são?

Como funcionam?

Quais as vantagens?

VeículosElétricosHíbridos

VEH

uma introdução

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Metade do petróleo consumido no Brasil se destina ao transporte terrestre em que menos de 20%

da energia é efetivamente usada e o restante perdido para o meio ambiente. Esta é a maior causa de

poluição urbana do país e contribui também para o aquecimento do planeta.

Os índices de eficiência e emissão estão muito aquém dos teoricamente possíveis e uma das solução

promissoras para melhorá-los será através do uso dos VEHs, que permitem um salto qualitativo

neste sentido.

Fabricados desde 1998 - inclusive um modelo de ônibus brasileiro - há hoje mais de 200 mil circulando

no mundo, já tendo sido superado o estágio experimental. Produzidos em maior escala os preços

devem baixar e as vendas aumentarem. Como a arquitetura do VEH rompe um paradigma centenário,

os fabricantes têm sido cautelosos e adotam estratégias variadas para introduzi-los no mercado.

O Instituto Nacional de Eficiência Energética - INEE acredita que é possível acelerar o uso do VEH no

Brasil reduzindo barreiras artificiais e informando a sociedade sobre o tema. Este texto faz parte do

esforço, apresentando de modo esquemático o VEH, seus principais conceitos e benefícios para

seus proprietários e à sociedade em geral. Os interessados encontrarão endereços da Internet

onde podem obter informações mais detalhadas.

1 Documento preparado por Jayme Buarque de Hollanda e Antonio Nunes Jr. do INEE Versão 1 - Dezembro/03

Uma novidade mais eficiente e limpa1

|O que é um Veículo Elétrico Híbrido?Trata-se de um sistema especial de acionamento de veículos. O veículo é acionadoeletricamente e a energia que demanda é continuamente suprida por um geradorinstalado a bordo, dispensando as recargas de baterias. O termo “híbrido” deriva douso combinado de um motor de combustão interna (para acionar o gerador) e domotor elétrico.

Esta combinação permite ao VEH grande autonomia e possibilidade de rápidoreabastecimento que os usuários esperam do veículo convencional com o baixo ruído,aceleração suave e benefícios ambientais característicos do veículo elétrico, semnecessidade de conectar o veículo à rede elétrica para recarga de bateria.

Os benefícios práticos de VEHs incluem comprovada economia de combustível eníveis de emissões muito reduzidos quando comparados com veículos convencionais.

Os VEHs podem ser usados em qualquer meio de transporte pessoal, coletivo e decargas. Vale lembrar que o VEH pode operar com qualquer combustível ou mais deum combustível com os motores da tecnologia flex-fuel.

Uma ampla disseminação de VEHs ajudará a reduzir a dependência brasileira de petróleo(menos importações a curto prazo, possibilidade de exportar mais no futuro) assimcomo reduzir, pelo menos, entre um e dois terços a emissão de gases nocivos aomeio ambiente.

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|Entendendo como funcionaPara entender como funciona um VEH é interessante, primeiro, recordar os princípiosbásicos de acionamento dos veículos convencionais e dos elétricos.

Veículo convencional - VC

A característica básica da maioria dos veículos é o acionamento feito com um motor decombustão interna (m.c.i.), que transforma a energia de um combustível (gasolina, die-sel, álcool, gás natural) na energia mecânica que o aciona.

O m.c.i. só funciona a partir de uma velocidade de rotação mínima. O m.c.i. pode operarem diversas condições, mas há uma rotação e torque específicas em que apresenta amaior eficiência e emite menos poluentes (fig. 1). Fora do ponto “ótimo” 2 o consumoé maior (menor eficiência, cores mais escuras) e emite maior quantidade de poluentes.

2 Por esta razão os VC mais sofisticados têm no painel um “Conta Giros” que indica ao motorista o ponto defuncionamento do m. c. i. .

Fig. 1: Característica do Motor de Combustão

Ora, no uso normal os veículos precisam de diversas combinações de velocidade e detorque. Para casar esta necessidade com a boa operação do m.c.i., o VC é equipadocom embreagem para poder fazer uma arrancada suave e com uma caixa de câmbio,com a qual o motorista faz as “mudanças”, que através de engrenagens adaptam arotação/torque do motor às solicitações da roda, dando ao veículo a estrutura geral dafig. 2 (ver pág.6).

O acionamento do VC, portanto, é mecanicamente muito complexo, com centenas depeças móveis agindo de forma precisa, resultado de mais de 100 anos deaperfeiçoamentos. Vale notar que, como a operação de ligar o m.c.i. é relativamentecomplexa, normalmente ele fica ligado mesmo quando o VC está parado no trânsito,gastando combustível. Não obstante, esta classe de veículos é a preferida sobretudopela facilidade de abastecer e pela elevada autonomia que conseguem alcançar.

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Veículo elétrico

No veículo elétrico - VEveículo elétrico - VEveículo elétrico - VEveículo elétrico - VEveículo elétrico - VE, o acionamento é feito por um motor elétrico (m.e.) que podeacionar diretamente as rodas, usando a energia armazenada em um conjunto de baterias(fig. 3 ver pág.6). O conceito é bem mais simples que o VC e os m.e. são eficientesem todas as velocidades, inclusive na arrancada, dispensando embreagens e caixa decâmbio.

Os VEHs são silenciosos, têm uma arrancada suave, poucas vibrações e não emitempoluentes3 . Além disso, quando parados no trânsito não gastam energia e os modelosmais modernos têm freios regenerativos (ver adiante na discussão do VEH).

Um conjunto de baterias de um VE hoje comercializado4 armazena 19 kWh, tem umaautonomia na faixa de 90 a 150 km e o tempo para carga é entre 5,5 a 6 horas. Com umconsumo da ordem de 162 Wh/km, o custo da energia elétrica em 100 km é cerca deR$ 7,00, inferior ao de um VC a gasolina que seria da ordem de R$ 20,005 .

Há dois tipos de VE no mercado, os “fora de estrada” e os que buscam competir como VC em aparência e performance.

Os primeiros, de circulação restrita, atendem nichos de mercados específicos (grandescondomínios, aeroportos, grandes estacionamentos, shopping centers, policiamento,plantas industriais etc.) para transporte em baixas velocidades, com pequenas cargas,deslocamentos curtos e paradas freqüentes quando podem ser abastecidos. Por seremsilenciosos e não emitirem, podem operar dentro de prédios. Há pouca informaçãosobre vendas pois estes veículos não são licenciados. Estima-se existir uma quantidadeimportante e alguns fabricantes operando no Brasil.

Do segundo tipo foram lançados diversos modelos de fabricantes tradicionais visandoatender o mercado dos VC em cidades onde as restrições de emissões veiculares sãomuito exigentes. Depois de alguns anos, quase todos fabricantes estão desistindo.Aparentemente a questão da autonomia e do tempo de recarga são duas dificuldadesimportantes e que não foram superadas pelo VE.

3 Aqui se fala da emissão no local onde o VE circula. É evidente que se a eletricidade for gerada em um gerador a óleo oua gás, a emissão vai ocorrer junto a esses geradores.

4 Carro elétrico EV1 da GM, oferecido nos EUA com 26 módulos de baterias de 12-volt cada.5 Preços de dezembro 2003 com impostos, eletricidade residencial. A comparação relaciona apenas os custos com

energia. Para ser completa exigiria analisar o ciclo de vida em que o VE tem despesas extras com baterias e o VC compastilhas de freio, embreagem, óleo, caixa de câmbio, etc.

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Veículo Elétrico Híbrido

Trata-se de um veículos eletricamente acionado cuja energia elétrica é suprida por umgerador convencional que tem um m.c.i. como acionador. Existem muitas formas decombinar o m.c.i.6 , o motor e gerador elétricos e a bateria7 . As duas configuraçõeshíbridas básicas são a série e a paralela.

|Veículo Elétrico Híbrido :: Série

Nessa arquitetura, o m.c.i. aciona um gerador elétrico, cuja energia tanto podecarregar as baterias quanto alimentar o motor elétrico que, por sua vez, aciona asrodas (fig. 4 ver pág.6).

Pelo menos quatro características do VEH merecem destaque: 1) ele é muitoautomatizado, o que o torna dependente de controles sofisticados; 2) Quando freia, oscontroles convertem o motor acionador em gerador e a energia da inércia do carro –que seria normalmente dissipada como calor nos freios – é transformada em correnteelétrica que recarrega as baterias (ver Box I); 3) A potência do m.c.i. atende a médiadas necessidades e pode ser bem menor que a usada em um V.C. equivalente. Em umônibus VEH brasileiro, um motor de 80 HP proporciona um desempenho igual ao deum ônibus convencional com 240 HP; e 4) a transmissão, sem embreagem e câmbio,é mais simples e redunda em menos perdas.

O VEH em série é bem adaptado para operar no tráfego urbano – ônibus, vans,caminhões de entrega, táxis etc. – em que as arrancadas e paradas são muito freqüentes.

|Veículo Elétrico Híbrido :: Paralelo

Para atender o mercado tradicional do VC, tanto para âmbito urbano quanto paraestradas, foi criado o VEH-Paralelo, que dá ao usuário todas as condições a que eleestá acostumado no VC, independente das condições de tráfego. Nele, o m.c.i. tambémpode acionar as rodas diretamente em condições específicas. Por exemplo, se o VEHestá andando em alta velocidade e o controlador do carro verificar que esta é a condiçãoótima, o m.c.i. só aciona diretamente as rodas, reduzindo as perdas do gerador/motorelétrico e na bateria, aumentando a eficiência do VEH (fig. 5 ver pág.6).

As soluções técnicas do VEH-Paralelo são em grande número. Em um caso, uma caixade câmbio apropriada pode acoplar os dois motores às rodas quando conveniente. Emoutra possibilidade o motor elétrico aciona as rodas da frente e o m.c.i. as de trás (ouvice-versa). Na solução paralela, a importância relativa e o papel desempenhado porcada um dos motores pode ser muito diferente. Isto explica porque os modelos queestão sendo lançados no mercado têm concepções muito diferentes.6 As opções de unidade de potência para VEHs são os motores de ciclo Otto, Diesel, micro-turbinas a gás e célula a

combustível.7 Embora baterias são de longe a escolha mais comum para armazenamento de energia, pesquisas ainda estão sendo

feitas em outras áreas como de ultra-capacitores e volantes de inércia.

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Fig. 5: Veículo Elétrico Híbrido Paralelo - estrutura

Fig. 4: Veículo Elétrico Híbrido Série - estrutura

Fig. 3: Veículo Elétrico - estrutura

Fig. 2: Veículo Convencional - estrutura

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|Vantagens do VEH

Conforto

O VEH tem as características positivas de conforto dos VC e do VE, tendo autonomiabem maior, abastecimento rápido, baixa vibração e baixo nível de ruído. O VEH, destaforma, vai disputar o mercado com os VC.

Eficiência (menor consumo)

VEHs são capazes de oferecer significativas economias de combustível devido:

1) ao freio regenerativo que permite recuperar da ordem de 20% da energiademandada que seria perdida em freios convencionais (ver Box I);

2) o m.c.i. só funciona na rotação ótima garantindo um consumo mínimo;

3) quando parado no trânsito, o VEH não perde energia; e

4) o m.c.i. de menor porte é otimizado para as necessidades.....

Os VEHs no mercado, tanto carros a passeio quanto para transporte público, são entre 20e 30% mais eficientes que os seus equivalentes convencionais no mercado. Note-se queas sucessivas gerações têm aumentado esta eficiência que ainda está longe dos limitesteóricos.

Quando o carro freia, descendo uma ladeira ou para

diminuir sua velocidade, é ligado o freio

regenerativo que transforma o motor elétrico em

um gerador que oferece a resistência para a

frenagem ao mesmo tempo que gera eletricidade

que é armazenada nas baterias do VEH.

Se a potência demandada, para subir uma ladeira

ou para acelerar, for acima da potência do m.c.i.,

as baterias do VEH suplementam a energia elétrica

necessária durante este tempo.

BOX 1: Freio regenerativo

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8 VEHs podem reduzir mais ainda as emissões e a dependência de combustíveis fósseis se utilizarem m.c.i. comcombustíveis renováveis como o álcool e o biodiesel.

9 Há autores que garantem que os preços dos VEHs são subsidiados mas os fabricantes vêm mantendoconsistentemente esta diferença.

10 A legislação norte-americana permite um abatimento de até US$ 2.000 do Imposto Renda para quem comprar veículosde baixa emissão que hoje, na prática, atinge apenas os VEs e os VEHs.

Baixas Emissões

As emissões são inferiores pela maior eficiência mas sobretudo porque o m.c.i. sóopera no regime ótimo e grande parte das emissões ocorrem na mudança entre re-gimes de operação. Assim, por exemplo, medições feitas no Brasil e no exterior mostramque as emissões de particulados (fumaça negra) de ônibus VEH a diesel são de 50 a90% menores que as de um convencional e o mesmo nível de redução ocorre parahidrocarbonetos (HC), monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio (NOx). Aredução do dióxido de carbono (CO2), causador do efeito estufa é proporcional aoaumento da eficiência do veículo8 .

Este aspecto ambiental é particularmente importante em diversos países, estados ecidades, onde o problema da poluição é grave e melhor percebido por questões comoa topografia da região, regime de ventos etc. Muitos adotam normas cada vez maisrestritivas de emissão e da circulação de veículos. A norma SULEV (SSSSSuper UUUUUltra LLLLLow-

EEEEEmission VVVVVehicle) da Califórnia hoje só é atendida por VEs e VEHs.

Economia

Os VEHs custam hoje de 10 a 30% mais que os VC. Os fabricantes afirmam que adiferença se paga com a economia de combustível9. Além disso, nos EUA há incentivosfiscais10 para estes veículos, o que ajuda a alavancar as vendas iniciais que darão asescalas de produção.

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|Perspectivas do VEH

Curto Prazo

Nos próximos anos estão previstos os lançamento de muitos modelos por diversosfabricantes. Muitos apostavam nas tecnologias de longo prazo mas estão sendoforçados a entrar no mercado impulsionados pelo sucesso da concorrência sobretudopara atender os mercados em locais onde há limitações de emissões. Empresas queestão entrando mais tarde estão comprando a tecnologia de terceiros.

Com o aumento das vendas, da escala de produção e da concorrência, é esperado quea diferença de preços entre o VC e o VEH diminua. Neste caso é possível que o VEHaos poucos se torne um novo padrão da indústria.

Tipo

TransporteIndividual

TransporteColetivo

Fabricante

TOYOTA

HONDA

RENAULT

GM

FORD

Daimler

Chrysler

ELETRA

GM Allison

Orion

Daimler

Chrysler

Modelo

Prius

InsightCivic Hybrid

Kangoo

GMC SierraChevy SilveradoSaturn VUEChevy EquinoxChevy Malibu

Escape

Mercedes S-class

Dodge Ram Pickup

Ônibus ecaminhão pequeno

AllisonElectric

Orion VII

Observação

Desde 1997

Desde 1999Desde 2002

2003

20042004200520062006

2004

2005

2006

Desde 1999

2004

2003

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Médio Prazo

Os m.c.i. de hoje buscam contornar as dificuldades inerentes aos VC, em que partedas soluções e muito da complexidade derivam da necessidade que esses motorestinham de melhorar a performance e baixar emissões mesmo operando fora da rotação/torque ótimos. As possibilidades no VEH são muitas como, por exemplo, o uso dem.c.i. mais simples que tiram proveito de operarem, no VEH, com rotação e torqueconstantes (motores rotativos como as micro-turbinas, cuja tecnologia está sendoaprimorada rapidamente ou do tipo Wankel, já usados no passado). Progressos comacumuladores/capacitores e controles irão também influenciar o desenvolvimento dosVEHs. Motores Stirling (que funcionam com calor externo e foram muito usados noinício do século) podem completar o quadro, recuperando o calor do escape e dosblocos para produzir energia elétrica, aumentando a eficiência dos veículos.

Longo Prazo: célula a combustível

A evolução natural do VEH será trabalhar com células a combustível, tecnologia eletro-química em que o combustível básico é o hidrogênio que, ao se combinar com oxigênio,gera eletricidade.

Hoje já existem células desenvolvidas e comercializadas sobretudo para uso estacionáriomas os custos ainda são altos. Enquanto não existir uma distribuição do hidrogênio,ele pode ser obtido do metano, metanol ou etanol em um reformador, considerado,entretanto, um equipamento pouco prático para ser transportado em um veículo.

Muitos fabricantes acreditam que vencidas as barreiras tecnológicas das células acombustível e da distribuição do hidrogênio, estes veículos serão ideais por não terempartes móveis na produção de energia elétrica.

|Perspectivas BrasilAs barreiras à introdução do VEH no Brasil devem ser fortes. Sendo o país uma economiaperiférica, ele depende, em grande parte, de decisões externas e das dinâmicas dosmercados de origem dos fabricantes do veículo. Este processo, no entanto, pode seracelerado se houver uma pressão de demanda dos consumidores. Sua implantaçãono país provavelmente deve se iniciar em nichos de mercado como atesta o fato de jáexistirem dois fabricantes de ônibus VEH no Brasil, um operando há já três anos.

Outra possibilidade de uso do VEH interessante no país é a sua utilização em ônibusou caminhões de entrega urbanos usando Gás Natural Veicular (GNV) cujo uso éincentivado no país. Este combustível, que não tem apresentado bons resultados commotores a diesel, apresenta melhor desempenho com motores de ciclo Otto, menosindicados para aqueles tipos de transporte pesados. A solução de VEH, com motoresde ciclo Otto, contornaria este problema.

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|Mais informaçõesComo em todo processo de mudança dinâmico, as atualizações sobre o tema têmsido rápidas. Para acompanhá-las, o mais aconselhável é acompanhar o tema atravésda internet. Seguem-se alguns endereços.

Fabricantes

www.insightcentral.net/_files/_pdf/nrel.pdf

www.insightcentral.net/encyclopedia.html

Web site com detalhes sobre o Insight, VEHfabricado pela Honda, com um estudo sobre asua performance.

www.toyota.com/html/shop/vehicles/prius

Web site da Toyota, cujo modelo Prius está nomercado desde 1997.

www.eletrabus.com.br

Web site da ELETRA, fabricante brasileiro deônibus e de caminhões de entrega urbana. Nomercado desde 1999.

Geral

www.ott.doe.gov/

O Escritório de Tecnologias de Transporte (OTT) do Departamento de Energia dosEstados Unidos desenvolve e promove transporte avançado e tecnologias e veículosmovidos a combustível alternativo

www.ccities.doe.gov/

O programa de cidades limpas do OTT apóia a disponibilização de veículos movidos acombustíveis alternativos e a infra-estrutura de suporte.

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www.ott.doe.gov/hev/

Programa de VEH do OTT.

www.eren.doe.gov/EE/transportation_realted.html

Sites relativos a VEH de fontes governamentais, educacionais, comerciais eorganizacionais.

www.fueleconomy.gov

Versão web do Guia de Economia de Combustível do DOE/EPA.

www.portalVE.com.br

Site em preparação pelo INEE em associação com o Canal Energia que deve iniciar nocomeço de 2004.

|Sobre o INEE (www.inee.org.br)Desde a sua criação em 1992, o INEE desenvolve e incentiva ações que têm comoobjetivo a adoção de práticas de transformação e de uso eficiente da energia emtodos os setores da economia e da sociedade brasileira.

O INEE busca contribuir para o maior conhecimento e conscientização do potencialde economia de energia existente e de seus benefícios, como também para reduzirbarreiras de mercado que impedem a introdução de medidas, processos eequipamentos econômica e ambientalmente viáveis.

O INEE criou também o Fórum do VFórum do VFórum do VFórum do VFórum do Veículo Elétrico Híbridoeículo Elétrico Híbridoeículo Elétrico Híbridoeículo Elétrico Híbridoeículo Elétrico Híbrido , um projeto que temcomo objetivo acelerar a introdução da tecnologia de veículos elétricos híbridos noBrasil, visando o aumento da eficiência energética nos transportes, a redução dasemissões nocivas ao meio ambiente e a criação, a longo prazo, de uma alternativa degeração elétrica de alta eficiência.