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quinta-feira, 21 de agosto de 2014

Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica Residenciais e os VEs (Parte 1/2)


Ao tratarmos do assunto sobre “Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica Residenciais”, no âmbito dos Veículos Elétricos (VEs), convém lembrarmos da motivação maior que tem nos levado, de modo persistente, pelo caminho do desenvolvimento dessa tecnologia: nós acreditamos que os VEs são muito mais do que simplesmente mais um tipo de carro! Acreditamos os VEs nos darão (e já estão dando) a oportunidade, não apenas de poder dirigir um carro com emissão zero de Carbono, mas também a de poder desfrutar de mobilidade com um veículo silencioso, limpo, divertido, além deles serem muito mais simples e fáceis de se fabricar e de menores custos de manutenção.

Quando dizemos limpos e com emissão zero de Carbono, significa que essa é a nossa meta e, mesmo que isso pareça intangível, a busca por ela é o que mais importa e, nisso, inclui-se o desenvolvimento de toda uma cultura de energia renovável e limpa, numa abrangência que a humanidade até agora, ainda não havia buscado.

Nesse "oceano de preocupações" por energia, e pelo meio ambiente, inúmeras vertentes tecnológicas convergem. Diversas tecnologias podem ser pensadas, como subsistemas que, agregadas, depois, como partes integrantes de um sistema maior, futurístico que, muito provavelmente, se você viver algumas décadas mais, poderá estar dentro da sua casa, com VEs, energia solar, eólica, gás, e outros aparatos, tudo interligado, sistematicamente, em armazenagem integrada de energia. É neste contexto que a "ideia" do emprego dos Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica Residenciais pode se encaixar, e muito bem.

As respostas para perguntas alvo, buscadas aqui, serão, entre outras, principalmente as seguintes: É possível extrairmos alguma energia do fluxo de água que abastece um reservatório doméstico típico? Quanto de energia podemos extrair, sem comprometer a qualidade do serviço de abastecimento? Qual a forma mais adequada de se implementar isso? (local e equipamento de instalação adequado existe?)

Antes de irmos ao foco, convêm darmos uma boa olhada num esquema típico de ligação dos elementos de um Sistema Urbano Padrão de Abastecimento de Água, a fim de projetarmos uma devida contextualização, até mesmo porque, muitas das considerações sobre princípios de hidráulica, que se aplicam a este macrossistema, como, por exemplo, conceitos sobre vazão e pressão estática, de estagnação e dinâmica, etc, guardadas as devidas proporções, aplicam-se, também, ao microssistema hidráulico que encontramos a partir da tomada de água da rede de distribuição para uma residência, onde os tais Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica possam, por ventura, ser aplicados.

Diga-se de passagem, penso que, poder escrever e ler sobre esse assunto, diante da crise de abastecimento de água, que ora vivenciamos em São Paulo, pode ser algo muito conveniente, trazendo a baila um tema que deve ser de interesse de todos. Para uma melhor compreensão, o referido esquema pode ser racionalizado em duas partes principais:
  • Centrais de Produção de Água;
  • Rede de Distribuição Arterial, conforme o diagrama abaixo:




Visto isso, creio que podemos tentar evitar um maior detalhamento operacional da primeira parte, e convenientemente, partirmos diretamente para uma breve explanação sobre a segunda parte, que é a de maior interesse, pois, este é o subsistema que, na sua terminação de sua saída, irá abastece com o produto água potável, os consumidores residenciais e prediais.

Numa Rede de Distribuição Arterial, primeiro encontramos, ao menos, uma Adutora de Água Tratada, que é um elemento de conduto, que serve ao transporte da água entre elementos do sistema, antes dela ser servida à Rede de Distribuição. As adutoras ligam as Estações de Tratamento de Água aos Reservatórios, ou às Estações Elevatórias, que eventualmente possam existir após as estações de tratamento, e estas aos reservatórios. 

Assim como as Adutoras de Água Bruta (água capitada, porém ainda não tratada), estas também podem funcionar por Recalque ou por Gravidade, em Condutos Livres ou Forçados. A adução por gravidade constitui o meio mais seguro e econômico, em termos de Consumo de Energia, e de Custos de Implantação de Infraestrutura e de Manutenção, para se transportar a água. Todavia, nem sempre existe um desnível descendente do terreno, suficiente para conduzir por gravidade, garantindo a vazão e a pressão que são necessárias entre os pontos a serem interligados.

Nestes casos, estações elevatórias são necessárias e as adutoras a elas ligadas são classificadas como adutoras por recalque. As adutoras estão sujeitas a traçados muito diversos em decorrência de variedades topográficas ou geotécnicas, além de critérios técnicos e econômicos dos sistemas.


Uma função destas estruturas é, também, aumentar a capacidade de adução do sistema, aumentando a pressão nos condutos. As estações elevatórias de água tratada normalmente são instaladas após as estações de tratamento de água para o bombeamento do líquido até os reservatórios. As elevatórias podem também estar entre reservatórios, ou ainda, em algum trecho da rede de distribuição de água, e neste caso, são mais conhecidas pelo termo boosters.

Seguindo na direção do consumo, a função subsequente às adutoras é a dos reservatórios de água. Em geral, são estas estruturas que estabelecem os limites e fazem a transição entre a rede de transporte arterial e a rede de distribuição final, funcionamento como elementos de regularização entre as vazões de adução e a de distribuição, e ainda como estrutura de regularização da variação de pressões na rede de distribuição.

É raro um sistema de abastecimento que não necessite de trechos de adução de água tratada com instalações de estruturas elevatórias. Desta forma, os reservatórios assumem também a função de atuar como regularizador das variações na vazão de recalque, consistindo em elemento de arranjo estratégico na redução do consumo de energia elétrica.

A instalação de reservatórios após uma estrutura elevatória possibilita que a energia potencial da massa d'água seja armazenada e, com isso, o bombeamento de recalque possa ser interrompido, em determinados intervalos de tempo do dia, com nos horários tarifas de energia elétrica maiores, por exemplo.

Os reservatórios servem, também, como estratégia de adaptação de traçado de adutoras, em função das situações do terreno (ver casos na figura abaixo), e de economia dos componentes na rede de distribuição principal, uma vez que as adutoras, subadutoras e elevatórias que o antecedem, podem ser, assim, projetadas com um diâmetro reduzido, em função da combinação entre o consumo médio previsto, as distâncias e a reservação. Com estes arranjos, somente a rede posterior às estruturas dos reservatórios precisam ser projetadas, obrigatoriamente, para situações de pico de consumo máximo.

As linhas piezométricas (Lp, representadas no desenho a seguir) são linhas imaginárias que, em um canal aberto, tem seus pontos de apoio sempre coincidindo com a superfície do fluido (seccionando o plano de carga estática, que é a linha imaginária rente a superfície do fluído nos reservatórios), e que representa apenas as parcelas estáticas da carga.

Reservatórios como função de adequação do traçado das adutoras:
1- Situação em que o terreno da estrutura de armazenagem intermediária se eleva acima da linha piezométrica;
2- Situação em que a armazenagem intermediária permite a redução da pressão nos dutos.

Já, por sua vez, a linha de energia (que não se aplica ao desenho anterior) é uma linha imaginária que representa a altura de carga total, que permanece constante para um escoamento sem atrito, quando não é realizado nenhum trabalho sobre ou pelo líquido em escoamento (bomba ou turbina), e ela assume a carga do líquido ideal fluindo pelo duto ou canal aberto, considerando a somatória da estática e da dinâmica da carga, quando a parcela dinâmica se aplica, onde há carga associada à mudança de velocidade (dinâmica), devido ao uso de redutores de duto.  Ambas estas linhas proporcionam ajudas e dicas importantes para a localização e correção de pontos problemáticos em um escoamento (usualmente pontos de baixa pressão).

Quanto à forma, os reservatórios podem ser enterrados, semienterrados, apoiados ou elevados. A forma deve ser adequada à função do reservatório no sistema, à necessidade de altura piezométrica e a capacidade de reservação.

Os reservatórios assumem, ainda, funções dentro da distribuição. A posição dele na rede de distribuição pode ser a jusante ou a montante, e é possível também ter um arranjo que combine os dois. Sua função é, na transição entre a adução e a distribuição, além de simplesmente a de armazenamento, também regularizar vazões e adequar pressões na rede de distribuição.

Os reservatórios a montante sempre fornecem água à rede de distribuição, e consistem na alternativa mais usada nos sistemas implantados. 





Em função da extensão da rede de distribuição a que servem, os reservatórios de montante tendem a produzir variações acentuadas nas cargas piezométricas, nos extremos dessas redes, nos períodos de redução da demanda de consumo de água.


Por isso, a localização ideal desse tipo de reservatório é o centro das zonas de consumo, mas nem sempre isso é tecnicamente possível. Além disso, em função da própria topografia em que é assentada a rede, pode haver necessidade de reservatórios secundários, em geral elevados, que dividam as cargas piezométricas, minimizando as pressões nas áreas de menor cota, desenhando diferentes zonas de pressão numa rede de distribuição.


Os reservatórios podem, ainda, também ser a jusante, e trabalham fornecendo água nos períodos de maior demanda ou recebendo água nos de menor demanda. Pela mesma tubulação a água aflui e eflui. Por isso, podem ser denominados também reservatórios de sobra.


Já, por sua vez, a rede de distribuição é a interface final, a última mediação entre o recurso, agora produto, água potável, e o consumidor. E constituída por tubulações e equipamentos acessórios instalados em logradouros públicos, como redes de formas variadas, e têm por finalidade fornecer 24h por dia, em regime contínuo, água potável em quantidade, qualidade e pressão adequada à demanda de consumidores de sua área de atendimento.

As redes de distribuição são as unidades mais extensas dos sistemas de abastecimento e respondem por mais de 50% dos seus custos de implantação. Uma rede de distribuição mal operada ou mal projetada é sempre fonte de permanente problemas, mormente no que tange às perdas de água, ao comprometimento da qualidade da água e as reclamações dos usuários.

Para funcionar bem, a rede de distribuição deve estar sujeita a uma pressão mínima e a uma pressão máxima. A pressão mínima é necessária para vencer os desníveis topográficos e as eventuais perdas de carga no ramal predial e nas tubulações internas aos prédios abastecidos, garantindo que a água atinja os reservatórios prediais. (1)

A pressão dinâmica (pressão, referida ao nível do eixo da via pública, em determinado ponto da rede, sob condição de consumo não nulo) mínima é aquela garantidamente capaz de atender ao abastecimento, mesmo na condição de dia e hora de maior consumo (ou demanda de água), com o menor volume de água no reservatório correspondente àquela rede de distribuição;

A pressão estática (pressão, referida ao nível do eixo da via pública, em determinado ponto da rede, sob condição de consumo nulo) máxima corresponde ao limite em que as tubulações, válvulas e conexões garantidamente operem com integridade, e também permitam a manutenção do controle das perdas físicas. (2) 

O critério das perdas físicas é uma questão econômica relevante, e relativamente recente nos cálculos da pressão estática máxima, porque em tubulações defeituosas ou com furos devido à corrosão ou rompimento, o volume que se perde varia como uma função quase linear da pressão nas tubulações. A pressão estática máxima é, assim, aquela mais adequada, à manutenção da integridade da rede e do controle dessas perdas, calculada para os picos de menor consumo de água (consumo nulo), e considerando a ocorrência de nível máximo no reservatório correspondente àquela rede de distribuição.

A NBR 12218 (ABNT, 1994, item 5.4.1) estabelece a pressão dinâmica mínima nas redes de distribuição de água como sendo de 100 kPa (quilo pascal), enquanto a pressão estática máxima estabelecida para as mesmas redes é de 500 kPa, com exceção podendo ser feita para casos específicos em condutos principais que não abasteçam diretamente consumidores ou tubulações secundárias, e que se justifica técnica e economicamente a transgressão destes valores limite, e sob verificação de sua estabilidade estrutural e segurança sanitária.

Desta forma, o projeto de uma rede de condutores secundários: ramais prediais de tubulações de menor diâmetro que têm contato direto com as entradas de água dos edifícios (casas e prédios) abastecidos, pode apresentar a forma ramificada ou a forma de rede malhada, preferível a adoção da ligação formando malha, podendo ou não todos os pontos de cruzamento interligados, e o traçado da rede (conjunto de condutos principais e secundários), deve buscar o maior esforço para concentrar-se entre os limites de 100kPa e 500kPa de pressão, já considerando eventuais estabelecimento de diferentes Zonas de Pressão (áreas abrangidas por subdivisões da rede, separadas por cota altimétrica, na qual as pressões estática e dinâmica obedecem aos limites prefixados).

"Se a diferença entre a maior e menor cota altimétrica da área de projeto (área com abastecimento) for inferior a 40 m, haverá apenas uma zona de pressão. Se essa diferença for maior que 40 m, haverá a necessidade de (estabelecer) mais de uma zona de pressão, sendo que, para cada diferença de mais de 40 m, haverá a necessidade de uma zona de pressão (extra). Para cada diferença altimétrica máxima de 40 m, há que se tomar pelo menos mais 10 m (de intervalo inicial) relativos (a garantia) à pressão dinâmica mínima". (HELLER e PÁDUA, 2006: 613) 

Uma vez que a pressão especificada na norma é de 500 kPa, que corresponde, precisamente, a 50,986 mca (metros de coluna d'água, também representado por mH2O, sendo que 1 mca = 9,80665 kPa), na citação acima, Heller e Pádua idealizam um desenho com medidas (em metro) ligeiramente arredondadas para menos.

Como é comum em edifícios que o abastecimento de água aos apartamentos aconteça por gravidade, a partir de um reservatório superior, a subdivisão da rede em zonas de pressão é algo que se aplica, inclusive, no caso de edifícios mais altos, onde o projeto do sistema hidráulico deve ter o cuidado de garantir a limitação da pressão da água nos andares inferiores.

Neste caso, segundo a norma brasileira, a pressão estática (quando todos os registros estão fechados e o reservatório está com carga (volume) máxima de água) não pode ultrapassar 40 mca (392,3 kPa), nos pontos de consumo dos apartamentos, para não causar dano às tubulações, ramificações e equipamentos hidráulicos, gerando vazamentos dentro dos apartamentos. Para evitar esses problemas, são utilizadas Válvulas Redutoras de Pressão nas redes hidráulicas. Esses equipamentos regulam a pressão da água no seguimento da rede após elas, mantendo-a dentro dos limites especificados.

Imagem emprestada do site:
http://equipedeobra.pini.com.br/construcao-reforma/35/valvulas-redutoras-de-pressao-213991-1.aspx

Obviamente que, concomitantemente, a cota altimétrica do reservatório superior deve ser alta o bastante para garantir uma pressão dinâmica mínima nos pontos de consumo do andar superior do edifício, mesmo com carga de água mínima no reservatório. Assim, a diferença que existe entre uma rede de abastecimento interna a um edifício, e uma rede de distribuição pública de água, é apenas quanto a magnitude dos números, de modo que, válvulas reguladoras de pressão, adequadamente dimensionadas, aplicam-se, também, nas redes de distribuição públicas. 

As válvulas reguladoras de pressão são equipamentos mecânicos, acionados hidraulicamente, que permitem regular a pressão a jusante proporcionando a redução de vazão dos vazamentos, sendo que sua utilização é recomendada em áreas onde as pressões médias estejam acima do estabelecido pela NBR 12218/1994. Uma das características mais marcantes da tecnologia que utiliza tais válvulas é que sua implantação requer, obrigatoriamente, uma área de atuação bem definida na rede de distribuição de água, configurando um subsetor (zona de pressão) ou um Distrito de Medição e Controle (DMC).

Válvula de controle auto-operada unidirecional de
 diafragma DN 150, reduz uma pressão de entrada  alta
e variável em uma pressão menor e constante de saída,
independente da variação da vazão, proporcionando
o autocontrole por intermédio de um conjunto
composto  de um diafragma ligado a um obturador.
Assim, o dimensionamento e a regulagem de uma válvula redutora de pressão devem levar em conta os valores recomendados pela norma, possibilitando o funcionamento adequado do setor ou da zona de pressão na rede de distribuição de água a ser controlada. A regulagem da pressão a jusante da válvula definirá a diferença entre a pressão de entrada e a de saída da válvula.

Existem, basicamente, três tipos de válvulas reguladoras de pressão sendo empregadas em redes e distribuição:

Saídas fixas: Pressão de saída mantida constante ao longo do tempo;
Controle por tempo: Pressão de saída varia em função dos horários (pré-programada);
Controle por vazão: Pressão de saída varia em função da demanda.

O último caso, é, na verdade, uma Válvula Controladora de Vazão. Independente se a variável controlada é a pressão ou a vazão, todos estes tipos de válvula são de controle automático (válvulas de controle auto-operadas, unidirecional), permitindo o controle automático da rede de distribuição de água, adequadas para tubulações DN 50 (diâmetro nominal 50 mm) até DN 600.

Todavia, o estabelecimento de diferentes zonas de pressão não é o único condicionante para a implantação de uma rede de distribuição. Os locais para instalação dos reservatórios de distribuição que são, em última instância, os comandos da pressão predominante na rede de distribuição, condicionam a forma da rede, e devem considerar a maior proximidade com o centro de consumo, as características topográficas e geológicas para sua implantação, remetendo ao importante conceito de setor de abastecimento.

Não obstante o muito que este tema ainda poderia ser explorado aqui, eu creio que a contextualização ora apresentada, já é mais do que suficiente para partirmos, agora, para contemplar o foco de maior da nossa atenção nossa, que é o do emprego dos Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica Residenciais.

No entanto, não faremos isso sem, antes, aproveitarmos o momento em que ainda estamos falando a respeito das grandezas Pressão e Vazão Hidráulica em redes de distribuição de água, para introduzirmos o conceito de mais uma grandeza, a Potência Hidráulica, para, em seguida, fazermos uma pertinente analogia destas grandezas com as grandezas elétricas correlatas, Tensão e Corrente Elétrica, bem como a Potência Elétrica, com as quais teremos que nos envolver ao tratarmos do assunto dos Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica. 

Note que, uma vez que os fenômenos hidráulicos podem ser facilmente observados a “olho nu”, o comportamento dos circuitos hidráulicos é utilizado com muita frequência como analogia, na estratégia do ensino da eletricidade básica para novos alunos, haja vista que nem todos esses aprendizes chegam ao curso, já com a capacidade de visão espacial desenvolvida, quanto ao comportamento dos fenômenos elétricos. A motivação do emprego dessa analogia é bem esse mesmo: a água podemos ver e os elétrons, não.

Como já foi abordado, em hidráulica, desde que entre as linhas piezométricas de dois reservatórios haja alguma diferença de cota altimétrica, existe, entre eles, uma diferença de potencial hidráulico, ou seja, existe pressão, cuja intensidade é diretamente proporcional àquela diferença de cota altimétrica existente.

Reservatórios com cotas altimétricas diferentes entre suas linhas piezométricas, podem estar com suas bases assentadas tanto em terrenos de altitudes diferentes entre si, quanto em terrenos de mesma altitude pois, neste caso, o que importa é o nível relativo da carga de água contido neles que, se porventura resulta em cotas distintas entre suas linhas piezométricas, então, resulta também em pressão entre eles.

Repare que eu falei em dois reservatórios, mas eu sequer mencionei se eles estão ou não interligados e, se estiverem, se a tubulação de adução está livre ou bloqueada (se são ou não vasos efetivamente comunicantes). É prática comum a utilização de válvulas em circuitos hidráulicos com a finalidade de bloqueio (liga ou desliga a passagem de água) e, na ligação entre reservatórios, não é diferente. Se a válvula estiver fechada, a pressão que se faz relevante é a estática (que independe da vazão) e, se aberta, é a pressão dinâmica que deve ser considerada (obviamente existindo também vazão).

Assim, a pressão existe, independente se haja ou não vazão (fluxo) de água (como é o caso da pressão estática).

Pois bem, em circuitos elétricos, a Tensão Elétrica é a grandeza que equivale à Pressão nos circuitos hidráulicos. Assim, tal como para haver pressão é necessário que uma quantidade de carga de água (volume de água) sobressalente esteja armazenada em um reservatório, enquanto ela falta, relativamente, em nível, em outro, para haver tensão elétrica é necessário que uma quantidade de carga elétrica (quantidade de elétrons) esteja armazenada em um eletrodo, enquanto ela falte, em nível relativo, em outro  . Isso cria o que chamados de diferença de potencial (d.d.p.) elétrico, que caracteriza a tensão elétrica.

Tal qual ocorre com a pressão em hidráulica (que pode existir mesmo que não haja vazão), a tensão elétrica também pode existir, com ou sem a presença de Corrente Elétrica. Se você estiver olhando para uma bateria que esteja eletricamente carregada repousando sobre uma bancada de oficina, não havendo nenhum cabo condutor elétrico conectado aos bornes terminais de seus dois polos elétricos (positivo + e negativo -), então, decerto, ela não produzirá nenhuma corrente elétrica (tal como dois reservatórios em desnível de cota, mas que não estejam interligados).

Todavia, a tensão elétrica, está, sim, presente entre seus dois polos, e pode, inclusive, ser medida com auxilio de um voltímetro, o que revela que existe um “potencial” para a condução de corrente. Assim, de modo inerente, uma bateria é uma Fonte de tensão (mas, não, necessariamente, uma fonte de corrente).

Ao interligarmos os polos de uma bateria com um condutor para que haja corrente elétrica, convém que haja, também, a inclusão de uma Resistência Elétrica, a fim de limitar a corrente que fluirá. No caso da hidráulica, a resistência é provida pela própria tubulação, de modo inversamente proporcional ao diâmetro da seção e diretamente proporcional ao comprimento da tubulação e, em elétrica, a grandeza resistência é semelhante, somente diferindo pelo fato de que, em elétrica, podemos jogar com uma grande variedade de tipos de materiais que são utilizados como meios para se conduzir a corrente elétrica.

Assim como em hidráulica, o material interno de um filtro de água, por exemplo, não apenas cumpre a função de filtragem, como, também, atua como uma forte resistência, se opondo a passagem da água e limitando a vazão, em elétrica alguns materiais específicos, de maior ou menor resistividade (atributo de qualidade da resistência), são utilizados para prover uma resistência elétrica adequada. Outros elementos, como as válvulas, também oferecem resistência, que pode ser ajustada, modificando a vazão

Sem  a existência de uma resistência elétrica adequada, apenas fluindo pelos cabos condutores que apresentam baixíssima resistência, a corrente elétrica se tornaria muito elevada, tendendo, mesmo, ao infinito, em sua magnitude. Isso pode ser constatado apenas por avaliar a fórmula da lei de Ohm, na qual a corrente elétrica (i) é determinada pela razão entre a tensão (U) e a resistência (R).

Em elétrica, a corrente elétrica é a grandeza que equivale à vazão em hidráulica. Assim como a vazão que, além de pressão requer um caminho (tubulação) para fluir, a corrente elétrica requer, também, um caminho (formado pelos condutores e resistência interligados em conjunto) para fluir, que junto com a fonte de tensão, forma o circuito elétrico.

Em hidráulica, considerando que o fluido homogêneo escoe por uma tubulação a partir de uma fonte (reservatório), sem que haja outras fontes interligadas ao sistema, interagindo, ou sumidouros, então, a vazão é sempre a mesma em qualquer ponto ao longo da tubulação. Ou ainda, mesmo que haja outras fontes e múltiplos consumidores, vale a a regra que dita que a soma das vazões dos fluidos que entram no sistema é igual a soma das vazões dos fluidos que saem. Esse principio é o mesmo que se aplica a 1ª Lei de Kirchhoff (Lei das Correntes, ou Leis dos Nós, ou LCK) para circuitos elétricos. Assim, num circuito puramente em série, a corrente elétrica é a mesma, medida em qualquer ponto do circuito.

É importante notar que, tanto a vazão hidráulica, quanto a corrente elétrica, apesar de ambas estarem intimamente relacionadas a velocidade com que seus respectivos tipos de carga (água e elétrons) circulam pelos circuitos, elas não são, e nem ao menos expressam, a velocidade dessas cargas, em si. Em hidráulica, a vazão costuma ser medida em Q/Δt (quantidade de carga por intervalo de tempo), geralmente nas unidades de medida l/min (litros por min) ou em m3/min (metros cúbicos por minuto), enquanto que, por sua vez, a velocidade é medida em m/s (metros por segundo), não estando, portanto relacionada a quantidade de carga (Q) mas, tão somente, ao deslocamento dela.

Ao longo de um circuito de fluxo hidráulico em série, apesar da vazão (Q/Δt) ser a mesma em qualquer ponto ao longo da tubulação do circuito, é possível que nós verifiquemos diferentes velocidades (V) ao longo do circuito do fluxo, bastando que, para isso, a área da seção (A) da tubulação empregada varie em algum ponto ao longo dele.

Neste caso, o fluxo advindo pela tubulação de área de seção maior, ao entrar na tubulação de área de seção menor, terá sua velocidade aumentada. Porém, se velocidade aumenta e a pressão cai. Sempre que houver um fluxo por um orifício a pressão irá cair. Esta afirmação é de suma importância para entender, por exemplo, como as válvulas pilotadas funcionam.

Da mesma forma, a corrente elétrica expressa Q/Δt, só que, no caso, com unidade de medida C/s (Coulomb por segundo), que significa,a mesma coisa que A (Ampère). Precisou-se adotar a unidade de medida Coulomb, que nada mais é que uma pré-definida determinada quantia enorme de elétrons, por que a intensidade da carga elétrica de um único elétron é muito pequena para ser tomada em consideração, na grande maioria dos casos práticos, sendo 1 Coulomb = 6,28 X 1018 elétrons.

Convém, ainda, que a um circuito elétrico agreguemos um interruptor elétrico (que equivale à válvula de bloqueio, em hidráulica), a fim de poder comandar o circuito, ligando e desligando o caminho da passagem da corrente.

Imagem emprestada do site http://www.saladaeletrica.com.br/
Assim como em hidráulica, a Potência Hidráulica é igual a Pressão multiplicada pela Vazão, em elétrica, a Potência Elétrica é a Tensão multiplicada pela Corrente.

Já, quando a Potência (seja hidráulica ou elétrica) é multiplicada pelo Tempo, resulta em Energia (ou Trabalho), hidráulica ou elétrica, respectivamente.

Isso nos revela um fato importante para a aplicação dos Micro Hidrogeradores de Energia Elétrica Residenciais: a água que provém da rede de distribuição, ao chegar ao terminal que abastece um determinado reservatório residencial (a nossa caixa d'água, por exemplo), haja vista que ai existe presente ambas, tanto pressão quanto vazão, isso significa, evidentemente, que ela contém em si, potência hidráulica e, enquanto transcorre o tempo em que o abastecimento d'água esteja ocorrendo continuamente (com pressão e vazão, ambas presentes), isso significa que estamos recebendo, não somente o produto Água mas, também, o produto Energia Hidráulica, a qual podemos converter na equivalente energia elétrica:


A unidade de medida de energia watt-hora corresponde à energia transformada quando um dispositivo cuja potência seja de 1 Watt operando durante um intervalo de tempo de 1 hora.

Isto é fato e, assim estando cientes, podemos imaginar que, com emprego de conversores de energia adequados, quase todos eles produtos disponíveis comercialmente e, em portes bastante variados, atendendo a um enorme gama de aplicações, uma forma de energia pode ser, facilmente, convertida para outra forma de energia e, assim, a partir do fluxo de água que nos abastece, e que nós já estamos pagando, podemos, de fato, obter eletricidade

Podemos definir como uma das principais vantagens da ideia do emprego de Micro Hidro Geração, o fato de que ela pode ser feita mesmo a partir de uma pequena quantidade de fluxo (alguns alegam que tão pouco como dois litros e ½ por minuto), ou de uma queda de desnível altimétrico pequeno (alguns alegam que tão baixa quanto uns 80 cm) para gerar eletricidade com emprego de um micro hidrogerador, de modo custo-benefício compensatório. (Será mesmo?) 

Ainda há, atualmente, alegações de que a eletricidade produzida pode ser tanto consumida no local em que está sendo gerada, quanto transmitida a, digamos, 1 km quilômetro de distância do local. (Será, mesmo?). Lembre-se que um dos problemas mais importantes relacionado, por exemplo, com a energia eólica, é o da intermitência e a variabilidade do vento. Acaso, não é exatamente assim, também, que funciona o fluxo d'água que aflui para dentro de nossas caixas d'água?

Será que uma armazenagem intermediária da energia elétrica produzida pode ser realizada? No que os Veículos Elétricos (VEs), com suas enormes baterias embarcadas, podem contribuir com isso? Há necessidade de se implementar algum tipo de controle para esse processo de conversão de energia? Como isso pode ser feito? Já existe algo pronto neste sentido? É justamente sobre estes e outros detalhes que eu pretendo falar, e avaliar com o devido cuidado e atenção, na próxima postagem sobre este assunto.

Apenas para tomarmos fôlego, refletindo, antecipadamente, vale lembrar que, no vai e vem das visões e revisões de estudo da Física, o ser humano nunca conseguiu escapar da comparação (e equiparação) entre matéria (e sua massa) e energia e, um dos princípios mais antigos observados, foi expresso na Lei de Lavoisier, enunciada pela célebre frase: "Na Natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma".

Apesar deste enunciado ter sido elaborado no âmbito das reações químicas, como Lei de Conservação das Massas, evidentemente que ele serviu, também, de guia para que o homem prosseguisse em seu caminho para o estabelecimento Lei da conservação da energia, que há tempos anteriores já vinha sendo, também buscada (eu menciono apenas Lavoisier, todavia, como um tributo a dúzias de outros pesquisadores científicos que participaram, igualmente, dessa grande empreitada da humanidade, cuja lista e detalhes de trabalhos não caberia aqui).

Deve-se ter em mente que energia compreende várias visões com seus conceitos específicos, mas que se relacionam e interagem entre si, como energia potencial, cinética, térmica, etc. Em física, a Lei ou Princípio da Conservação de Energia estabelece que a quantidade total de energia em um sistema isolado permanece constante. Tal princípio está intimamente ligado com a própria definição da energia. Um modo informal de enunciar essa lei é dizer que energia não pode ser criada nem destruída, a energia pode apenas transformar-se (ser convertida de um tipo para outro).

Ao aplicarmos Micro Hidro Geração, em algum ponto a partir do fluxo de água que nos abastece, é exatamente com esses princípios que lidaremos, e por eles seremos limitados. Produzir e consumir (ou armazenar) eletricidade a partir de um fluxo (ou de uma queda) d'água (hidro geração), implica que estaremos diminuindo a energia daquele fluxo (ou queda), na mesma medida em que a convertemos para eletricidade útil, seja com consumo imediato  da corrente elétrica ou com ela alimentando uma dispositivo de pré-armazenagem (bateria).

Isso significa dizer que, ao introduzirmos o conversor (micro hidrogerador), a um circuito pré-existente, a energia do fluxo d'água não será mais a mesma de antes, pois, como ele atua como um elemento resistivo, há diminuição da pressão imediatamente após ele e, também diminuição quanto a vazão do circuito hidráulico, que será dempre menor do que antes de introduzir o micro hidrogerador.

Ao longo do tempo que estivermos efetivamente consumindo (ou armazenando) a eletricidade convertida, o produto pressão, vazão e tempo, que é a energia hidráulica do fluxo, se reduz, podendo ocorrer, inclusive, de extrairmos tanta energia do fluxo d'água (quanto maior a energia elétrica efetivamente produzida pelo micro hidrogerador, maior será o Torque de Frenagem desenvolvido sobre o seu eixo de seu rotor, que luta contra o fluxo d'água), que podemos acabar causando a sua obstrução demasiada do fluxo, comprometendo o abastecimento de água. Note que, mesmo que não estejamos consumindo energia alguma proveniente da eletricidade disponível na saída do micro hidrogerador, só dele estar presente no sistema, já temos alguma pequena perda de energia do fluxo.

Além do mais, todo processo de conversão de energia, na prática, é imperfeito, e isso incide em mais perdas inerentes ao processo de conversão. Isso significa dizer que nem toda a energia tomada do fluxo d'água conseguiremos transformar em energia elétrica, parte dela é perdida no processo eletromagnético interno à maquina elétrica do micro hidrogerador, que por mais eficiente que seja, não atinge um rendimento de 100% na conversão. Assim, vamos precisar fazer uma série avaliações bem apuradas sobre estas questões, para verificarmos a real viabilidade da implementação dessa ideia, quer gostemos dos resultados a que chegarmos, quer não.

Notas:


  1. A norma estabelece o limite de atendimento até o teto do segundo pavimento em sintonia com as normas de abastecimento de água predial, que indicam a necessidade de que as residências possuam reservas próprias, as caixas d'água, o que não é usual em outros países que trabalham com a rede sob mais altas pressões. Assim, as caixas d'água residenciais, de certa forma, fazem parte do sistema de regularização do abastecimento urbano. A existência de caixa d'água, entretanto, acarreta às empresas de saneamento uma quantidade esperada de perda de água em função da submedição dos hidrômetros. Isso porque, nesses casos, em alguns horários, a vazão que passa pelo medidor é menor que a mínima verificada pelo aparelho. Isto ocorre quando as torneiras de boia estão próximas ao fechamento. Há indicações de que esse valor perdido nunca é inferior a 10% do volume consumido pela unidade dotada de caixa com torneira de boia (cf. Heller, 2006: 803).

  1. As recomendações com relação à pressão máxima tomaram-se usuais a partir de normas relativamente recentes (a partir de 1994), ao mesmo tempo em que era desenvolvido nas empresas de saneamento e no setor maior ênfase na gestão do controle de perdas (em função da relação entre pressão e volume perdido em vazamentos). Na produção de redes de distribuição da Sabesp para a RMSP, por exemplo, até meados da década de 1990, o critério da pressão máxima não era respeitado, e foram implantados muitos reservatórios e torres elevadas que forneciam pressão acima da máxima.

sábado, 9 de agosto de 2014

A Nova Química da "Bateria Lagarto" do Nissan LEAF e a Nissan no Brasil


A Nova Química da Bateria Lagarto do Novo (e do Velho) Nissan LEAF:


Desde o último Salão do Automóvel de Tóquio, em Novembro/2013, o vice-presidente executivo da Nissan e chefe de marketing global, Andy Palmer, havia confirmado que uma "nova química" para a bateria de íons de lítio empregada no Nissan LEAF estava sendo preparada e que, provavelmente, ela seria implementada em breve.

Segundo fontes da empresa, o objetivo do desenvolvimento dessa nova química visava dotar a bateria do LEAF de um melhor desempenho de autonomia, quando o VE é operado em regiões de climas quente e úmido, e isso tem uma grande importância na medida em que este passaria a ser o provável destino de uma boa parte dos modelos LEAF a partir de 2014.

Serviço de "desassemblagem" do Pacote de Baterias na planta de Smyrna Tennessee EUA
Muito embora essa nova química não forneça, oficialmente, qualquer melhoria sobre a autonomia avaliada pela EPA (Agência de Proteção Ambiental dos EUA), que é de 84 mi (135 km), ou de 124 mi (200 km), conforme declarado pela NEDC (New European Driving Cycle), ela irá produzir uma melhoria na "autonomia de mundo real", com menor degradação da capacidade de armazenamento de carga, notadamente para o caso do uso do carro em locais climas mais quentes, como por exemplo, seria o caso do norte e nordeste brasileiro (se já houvessem VEs comerciais ali).

Finalmente, agora (desde Junho/2014), após três anos e meio do primeiro Nissan LEAF ter sido colocado à venda, a Nissan anunciou nos EUA, um custo de substituição que é um surpreendentemente baixo, dos módulos do pacote de bateria de íons de lítio antigo, por módulos novos para os carros que já foram vendidos antes: US $ 5.499, com um tempo de serviço de instalação estimado em cerca de 3 horas de trabalho.

Isso para o Nissan LEAF ano modelo 2013 pois, a montagem da substituição dos módulos nos pacotes para os modelos mais antigos do Nissan LEAF (2011 e 2012) requer, ainda, um kit extra especial de instalação ao custo (também extra) de US $ 225, para torna a eletromecânica do pacote antigo compatível com os módulos da bateria de química nova. 

A capacidade total, ou seja, a quantidade nominal de Energia do pacote da bateria, continua a ser a mesma, ou seja, os tradicionais 24 kW·h do LEAF, todavia, a substituição dos módulos antigos por novos com a nova química de bateria, propicia ao pacote uma maior tolerância ao calor, o que reduz a perda de capacidade de armazenagem, com o tempo de uso em temperaturas mais altas, e também menor degradação devido a ambientes com mais alta umidade relativa.

Nissan coloca preço em substituição da bateria LEAF
Muito embora, na época do mesmo Salão do Automóvel de Tóquio a Nissan tivesse se recusado a discutir potenciais oferta de substituição de módulos de bateria usados por novos de maior capacidade no futuro, no geral, o anúncio significou que o comprador de um usado Nissan LEAF agora sabe, ao certo, o quanto vai lhe custar para substituir a bateria, caso a capacidade de energia da sua cair abaixo de 70% do valor original, uma vez que esta substituição de módulos de baterias do LEAF foi prevista também para os casos de cobertura da garantia devido à perda de capacidade.

Isso, sem dúvida, trás maior segurança ao comprador e confiança aos potenciais compradores dos VEs, aos quais, agora, eles atribuem uma vida útil mais longa do que se pensava antes. Esta agressiva política de preços da Nissan derruba, também, o argumento de muitos céticos com relação aos VEs que propagam que "as novas baterias irão custar (o olho da cara) dezenas de milhares de dólares."

Enquanto Nissan pode estar perdendo dinheiro, inicialmente, com este preço US $ 5.499, uma vez que a substituição pela nova química não é uma providência contra um defeito de segurança, e nem uma campanha de re-chamada, como a substituição não traz vantagem para quem opera o LEAF em clima temperado e, uma vez que em time que está ganhando não se mexe, pode-se cotar com uma baixa demanda dos materiais e serviço.

A substituição dos Módulos do Pacote da Bateria do Nissan LEAF vai custar $ 5,500 ao condutores do VE 
Todavia, o cenário se torna bastante favorável a que o Nissan LEAF se torne, ainda mais, o queridinho dentre todos os VEs, com reflexos maiores principalmente no mercado dos EUA, com economias de escala na tomada de baterias, com as vendas do LEAF continuando a subir, mais forte do que os demais VEs.

Ainda antes do final deste mês, de Agosto de 2014, a Nissan deverá estar comemorando a marca atingida de 130.000 Nissan LEAFs vendidos globalmente, cerca de 58 mil deles nos EUA. Vale ressaltar que, a nova bateria química tolerante ao clima quente, também estão sendo instalados em todos os futuros VEs Nissan LEAF, começando com os de ano modelo 2015, que já estão sendo vendidos.

Enquanto uma para maior autonomia do LEAF não vem, com um efetivo aumento da capacidade da bateria para além daquilo que é a característica atual, de 24 kW·h nominal, os cliente da Nissan têm, agora, o prazer de dispor de uma "bateria lagarto", capaz de resistir a temperaturas mais altas, sem mudar o seu simples e barato sistema de refrigeração a ar, do tipo passivo, ou seja, que puxa para fora o ar aquecido no interior do pacote.

Uma Noção Técnica do Problema Que Está Sendo Corrigido:


Antes da nova química, isto vinha levando à restrições devido a perdas de capacidade em alguns LEAFs, operados em algumas cidades norte-americanas muito quentes, como Phoenix, no Arizona, por exemplo. Aquilo foi uma situação no mínimo muito desconfortável, pois, enquanto Nissan sustentava que aquelas perdas se deviam à alta quilometragem e que estava dentro dos parâmetros esperados, a pressão exercida por um pequeno número de proprietários locais, extremamente infelizes e levantando clamores, levantava , também, em consonância, preocupações sobre perdas de capacidade entre os proprietários do LEAF em geral.

O Painel de instrumentos do Nissan LEAF consiste em um conjunto de medidores e indicadores luminosos bastante completo, dividido em duas partes: mostrador superior e mostrador inferior.

É do lado direito do mostrador inferior que se encontram três desses medidores / indicadores, cuja interpretação dos valores nós motoristas costumamos tomar, racionalizando de maneira integrada.

Da esquerda para a direita temos:

  1. Autonomia de rodagem (valor numérico, que estima a quantidade de autonomia disponíveis em milhas ou em km): A autonomia é constantemente recalculada com base tanto na quantidade de carga disponível da bateria Li-ion, quanto na média real de consumo de energia;
  2. Indicador de Carga Disponível da Bateria de Li-ion (barra gráfica de 12 segmentos largos): Este também pode ser chamado de medidor de Estado de Carga. Entretanto, é importante saber que esta indicação é estimada em dependência da temperatura atual da bateria, de modo que, mesmo que a quantidade efetiva de carga permaneça invariável na bateria, a indicação pode variar um pouco, caso a temperatura da bateria, que é permanentemente monitorada, varie, de modo a indicar uma carga disponível menor, caso a temperatura da bateria se eleve, ou mostrar uma carga disponível maior, caso a temperatura diminua;
  3. Nível de Capacidade da Bateria Li-ion (também um barra gráfica de 12 segmentos, só que de calibre mais fino, ficando mais à direita da anterior): Este indicador revela a quantidade de carga que a bateria Li-ion presente é capaz de armazenar. Este é o indicador que todos gostariam (motoristas usuários e responsáveis pelo produto) que permanecesse, sempre, com todos os seus 12 segmentos acesos. Mas eles, de fato, irão se apagando. Enquanto a capacidade da bateria de Li-ion diminui com a idade e uso, o nível deste indicador também diminuirá.
A medida em que a bateria do LEAF perde capacidade, os traços a partir do indicador de calibre fino de 12 segmentos que indica o Nível de Capacidade da Bateria Li-ion (à direita imediata dos 12 segmentos largos do indicador de Estado de Carga ou Carga Disponível) começam a desaparecer, mesmo que se faça um recarga plena da bateria, eles não acendem mais (a menos, não enquanto não se tomar alguma providência quanto ao estado daquela bateria). Isto significa que a bateria presente já não é mais a mesma, pois ela sofreu uma perda irrecuperável de capacidade. Com isso, também os indicadores de Carga Disponível e Autonomia irão, ambos, se auto-recalibrando:

  1. Com a barra gráfica de Carga Disponível mostrando sempre todos os seus 12 segmentos, mesmo que já não se disponha mais de todos os 24 kW·h nominal original mas, agora menos, seja 22 kW·h ou mesmo apenas 20 kW·h, o indicador de Estado de Carga precisa indicar que ela está cheia (100%), ao final de uma operação de recarga completa;
  2. Com a Autonomia sendo recalculada, com base na quantidade de carga disponível da bateria Li-ion, não em seus valores absolutos, mas sim, em seus valores percentuais.
O primeiro Nissan LEAF conhecido por ter sua bateria substituída nos EUA, pelo motivo de perda efetiva Capacidade da Bateria Li-ion, foi relatado em novembro de 2011, quando um proprietário na área de Phoenix, no Arizona, registrou traços no medidor de capacidade a menos e, consequentemente, autonomia máxima reduzida.

Em abril de 2012 um outro motorista de LEAF, também da área Phoenix, relatou o mesmo problema. Todos os demais usuários de LEAF que relataram ter perda de capacidade da bateria eram operados em climas mais quentes (principalmente do Arizona, Texas e Califórnia). Note-se que, pelo Manual de Serviço do Nissan LEAF, a perda do primeiro traço do medidor de capacidade representa uma perda estimada de 15%, enquanto cada traço posterior representa perda de apenas 6,25% (todavia está informação não se confirma em nenhum dos manuais mais recentes, sendo, tal escala, simplesmente, omitida).

A Tecnologia da "Velha" Bateria do LEAF:


Até o lançamento da nova química, as célula de bateria da LEAF eram fabricadas pela NEC, sendo uma célula tipo prismática com elementos empilhados, um cátodo Espinela de Lítio Manganês (LMO) LiMn2O(ou LiMnO2) da Nippon Denko, um ânodo de grafite da Hitachi Chemicals, um separador a seco Celgard PP, e um eletrólito complexo orgânico do tipo LiPF6 (Hexafluorofosfato de Lítio), Tomiyama.

Como foi apresentado em uma postagem anterior titulada Baterias de Íons de Lítio – Tecnologias e Bases de Custos (Parte 1/3) , (de onde a figura a seguir foi importada) as baterias de tecnologia LMO têm, justamente na dimensão da sua vida útil, o seu ponto mais fraco. Todavia, por outro lado, esta mesma tecnologia favorece, comparativamente a outras tecnologias, as dimensões da segurança, da potência específica, da energia específica e do custo.


Também é notório o fato de que, baterias de íons de lítio, de qualquer tecnologia, se degradam ainda mais rapidamente, quando operadas em ambientes de temperaturas médias mais altas. Isso ocorre, tanto para quando elas estão a tracionar / frenar os VEs, quanto para, simplesmente, elas serem carregadas estacionadas. Mas, porque isso corre?

Na série de postagens anteriores, tituladas A Eletroquímica do Lítio e sua Aplicação em Baterias de VEs , (Parte 3/5) ; (Parte 4/5) ,  verificamos as considerações sobre as fontes de motivos para a perda de capacidade irreversível cumulativa das uma bateria de íons de lítio associada a sua química e a questão térmica:

O Estado de Carga (State-of-Charge - SoC)


O Estado de Carga (State-of-Charge - SoC) é uma estimativa sobre a quantidade de carga armazenada numa bateria, que é utilizada quando se discute o estado instantâneo de uma bateria em uso, ou seu estado atual quando ela se encontra guardada em armazenagem. A unidade de medida do Estado de Carga (SoC) são pontos percentuais (0% = vazio, 100% = completo), todavia, normalmente, SoC não pode ser medido diretamente mas, pode ser apenas, estimado a partir de outras variáveis ​​de medida direta. 

Quando se faz necessário retirar baterias com química baseada em Lítio de serviço, colocando-as para ser armazenadas, convém que elas sejam armazenadas a cerca de 40% de seu Estado de Carga (SoC), pois a experiência tem revelado que este nível minimiza a perda de capacidade relacionada com o envelhecimento da bateria de Li-íons, mantendo a bateria em condições de funcionamento e permitindo a auto-descarga por um bom período de tempo.

No entanto, ajustar-se a carga da bateria para o nível de SoC de 40% é algo difícil de ser realizado, porque a medida da Tensão de Circuito Aberto, entre os terminais da bateria, não se presta, muito bem, às estimativas de SoC, por causa da correlação não linear existente entre ela e o SoC. Na verdade, é uma meta declarada dos projetos de baterias que elas devam fornecer uma tensão o mais constante possível, não importando o SOC, o que torna este método de difícil aplicação.

Todavia, por falta de melhores métodos práticos, é mesmo a tensão em aberto entre os terminais da bateria (verdadeiramente "flutuante", sem carga presente) que termina por ser usada como um indicador para este fim. Assim, o SoC de uma célula Li-íon é de cerca de 50%, se a sua tensão em aberto está em 3.80V, mas ele cai para 40%, se a tensão da mesma célula varia, tão somente, para 3,75V. O método da tensão em aberto pode se tornar mais preciso, compensando a leitura da tensão com um termo de correção proporcional à corrente da bateria, e usando uma tabela de consulta de tensão de circuito aberto da bateria, que considere a temperatura.

Já, as curvas de tensão de descarga de Lítio-manganês e Lítio-fosfato são muito planas, com 80% da energia armazenada permanecendo neste perfil plano de tensão. Essa característica ajuda a aplicações que requerem uma tensão constante, mas apresenta um desafio em aferição do Estado de Carga (SoC). O método de tensão só indica carga completa e carga baixa e não pode estimar grande parte do meio-tempo, com precisão. 

Além do mais, devido a instabilidade térmica temporal da química da célula Li-íon, com a temperatura também desempenhando o um papel, deve-se permitir que as baterias de Li-íons descansem por um período de 90 minutos a 4 hs (dependendo do porte / quantidade de células / quantidade de módulos da bateria), após uma operação de carga (ou de descarga), antes de tomar a leitura da tensão para fim da estimativa de SoC, tempo necessário para permitir o equilíbrio eletrostático da química da célula.

O erro mais gritante de estimativa de SoC, baseado em tensão, ocorre, justamente, quando perturbamos a bateria com uma recente operação de carga ou de descarga, por que ao longo destas operações, ocorre da temperatura se elevar, e consequentemente aumenta a tensão de circuito aberto. Porém, quando a temperatura volta a baixar a tensão também é diminuída, e esse fenômeno se aplica a todos os produtos químicos em diferentes graus.

Ao se dispor baterias de Li-íons em armazenagem, elas estarão, de qualquer forma, por si só, se conduzindo ao envelhecimento. Entretanto, regular o SoC, e também a temperatura do ambiente de armazenamento, podem ajudar a minimizar tal envelhecimento.

A tabela a seguir apresenta o caso específico de bateria de Íons de Lítio de tecnologia Óxido de Lítio Cobalto (LCO), comumente usada em produtos de consumo, disponibilizada para armazenamento, comparando duas situações diferentes de SoC (40% e 100%), sob quatro diferentes condições de temperatura de ambiente de armazenagem. Os dados obtidos referem-se ao que chamamos de "capacidade de recuperação", que é definida como a capacidade efetivamente disponível da bateria, após um período de tempo sendo armazenada (no caso, 3 meses) de recuperar sua carga completa nominal:

Temperatura Ambiente

Óxido de Lítio Cobalto (LCO)
(Após de 3 meses guardadas)

40% de Carga
100% Carga
0°C
25°C
40°C
60°C
98%
96%
85%
75%

94%
80%
65%
60%
Fonte: http://batteryuniversity.com/

A tabela deixa evidente que a armazenagem dessa bateria sob condições que combine elevada carga presente na bateria, com elevada temperatura no ambiente, é algo extremamente prejudicial à bateria (após 3 meses sob esta condição, a bateria conseguirá recuperar apenas 60% de sua carga nominal ao final de uma recarga completa).

Este tipo de perda, além de irrecuperável, é cumulativo, de modo que, tanto elevadas temperaturas ambientais, quanto máxima carga, explicam o encurtamento da vida esperada para a bateria, e isso vale, não apenas para todas as baterias baseadas em lítio, como, de maneira geral, também para qualquer outra bateria (qualquer tipo de tecnologia de energia química).

A diminuição gradativa da condutividade do eletrolito LiPF6 e o aumento da resistência interna (Rint):


A resistência interna de uma bateria fornece informações úteis sobre o seu desempenho e a inevitável gradual elevação dela ao longo da vida da bateria aponta para problemas internos ocultos. Valores elevados de resistência são muitas vezes o ponto de disparo para que se deva substituir uma bateria por envelhecimento.

O eletrolito LiPF6 é o comumente empregado para baterias de íons de Lítio LiMn2O(ou LiMnO2 - lítio-manganês ou LMO). Os eletrólitos do tipo seco são constituídos por uma matriz polimérica, que pode ser, por exemplo, polióxido de etileno, misturado com um sal de lítio, o LiPF6. No entanto, essas membranas só apresentam condutividade iônica em temperaturas superiores a 70ºC, o que prejudica sua aplicação prática.

Para diminuir a temperatura de operação, são preparados eletrólitos de viscosidade mais elevada, o que, em contrapartida, tende a a reduzir a densidade energética da bateria. O LiPF6 , mesmo dissolvido em um solvente orgânico, formando um líquido iônico, tem uma condutividade relativamente baixa e, em função disso, a resistência interna (Rint) dessas baterias de Li-íon tende a ser, também, relativamente elevada. Isso, obviamente, leva a ainda maiores preocupações com perdas de energia, por aumentar a queda de tenção I.Rintao mesmo tempo em que a energia desperdiçada se transforma em indesejável calor nesta Rint da bateria.

Esta geração de calor interno maior é indicativo da maior resistência interna e das consequentes perdas de energia mais elevadas, que se traduz em densidade de energia eficaz reduzida em relação ao que teoricamente poderia ser disponível. Assim, a "densidade de energia teórica" encontra motivos para ser reduzida, associada a questão térmica.

Os estados de equações do potencial de trabalho efetivo de uma célula é reduzido por um fator derivado da extensão da reação ou em que medida ela se procedeu e a atividade dos reagentes. O fato é que quanto mais a reação se estende, mais ainda a tensão irá cair. Relacionado com isto está, ainda, a atividade dos reagentes. 

Na operação de uma bateria de íons de lítio previamente carregada, os átomos de Li no ânodo se dissociam em íons Li+ e elétrons. Os íons Li+ migram através do eletrolito, indo para o catodo onde vão se recombinar com os elétrons que, saindo do anodo, passavam através do circuito externo que alimenta a carga. Simplesmente porque os íons Li+ passaram do anodo para o eletrolito, isso não significa que todos eles vão se mover para o cátodo para se recombinar. Em uma solução concentrada, os íons tendem a interferir uns com os outros e reduzir a sua atividade global, assim, a reação é abrandada.

Isto é exacerbado pelo Número de Transporte baixo para os íons de Lítio, o que significa que eles tendem a se acumular, no eletrolito, um pouco mais perto do anodo causando um aumento da interferência uns sobre outros e do aumento da concentração de íons de carga oposta de PF6, contidos no eletrolito complexo orgânico de LiPF6. Isso ocorre pois íons Li+ não são as únicas espécies a migrar e a se difundir através da célula voltaica enquanto ela está a fornecer energia para a carga. O sal do eletrolito (LiPF6), que fornece a condutividade elétrica necessária entre o anodo e o catodo está presente na solução, como íons Li+ e PF6- .

Quando os cátions Li+ se movimentam na solução do eletrolito migrando do anodo para o catodo, também os ânions PF6- da solução buscarão migrar na direção oposta, em direção ao anodo. Por conseguinte, a corrente total dentro da bateria é carregada por ambos os íons, Li+ e PF6- , e não apenas Li+.

No entanto, apenas a parte da corrente que é transportada pelos cations Li+ efetua o trabalho útil, isto é, os elétrons associados a esses íons Li+ efetivamente sairão para o circuito externo. A proporção da corrente que é transportada por um íon em particular, chama-se o Número de Transporte para aquele íon.

O número de transporte para Li+ numa célula Li-íon típica usando um sal de eletrolito LiPF6 está entre 0,35 e 0,4. Isto significa que apenas 35 ou 40% da corrente total dentro da bateria é a partir dos íons de lítio e o restante, 60% é a partir do ânions PF6.

Em uma “Bateria Ideal”, o número do transporte do Li+ deveria ser, teoricamente, 1. Quando não é, isso significa que os íons Li+ irão se recolher perto do anodo e aumentar a concentração de íons Li+ no eletrolito no "compartimento do anodo", perto do anodo.

Em contrapartida, mais íons Li+ irão deixar o eletrolito, e o "compartimento catódico" e migrarão para o “compartimento anódico”, causando diminuição da quantidade daqueles que, efetivamente, irão entrar no catodo. Isto é como um paradoxo, que estabelece um gradiente de concentração adverso no eletrolito, com maior número Li+ perto do anodo do que perto do catodo causando polarização de concentração, da mesma maneira como uma célula de concentração que, em seguida, absorve parte da energia da bateria e reduz a sua capacidade. Em outras palavras, uma contra tensão é estabelecida, a qual se opõe a tensão direta da bateria.

Assim, um gradiente de concentração é estabelecido de íons de Lítio em excesso perto do ânodo e um número reduzido perto do cátodo. Isto define o que é conhecido como uma célula de concentração, mas caracterizado por uma f.e.m. de sentido oposto ao desejado da tensão da bateria.

Quanto menor o Número de Transporte considerado para o Li+, maior será o gradiente de concentração adverso que ocorre. A explicação para esta contribuição diferenciada ao transporte da corrente na solução, está relacionada à diferença de velocidade de deslocamento dos íons, sob a ação do campo elétrico, pois, nas mesmas condições, quanto menor o raio (ou volume) do íon, tanto menor a resistência de viscosidade oferecida pelo solvente e tanto maior a sua velocidade.

O número de transporte de um íon é proporcional a sua mobilidade iônica. Entretanto, o seu valor depende também da mobilidade do seu co-íon. Só quando número do transporte atinge o valor 1 é que um gradiente de concentração adverso é evitada, mas isto não pode ser conseguido na prática. De fato, prevê-se que o número de transporte do Li+ em baterias de íons de lítio metálico - polímero possa ser, geralmente, ainda menor do que 0,4, devido à fraca condutividade do polímero eletrolito.

Para uma dada mistura de líquido iônico empregado como eletrolito, quando a temperatura do ambiente de operação é variada, a viscosidade do eletrolito também é alterada, de modo que a viscosidade diminui com a elevação da temperatura. A diminuição da viscosidade acarreta a diminuição, também, da condutividade do eletrolito, com uma diminuição do Número de Transporte.

Todavia, baterias previstas para operar em temperaturas ambientes mais altas, poderão apresentar uma viscosidade de eletrolito excessivamente elevada, quando operadas em temperaturas ambientes baixas, fazendo diminuir a velocidade de deslocamento dos portadores iônicos e, consequentemente, reduzindo a densidade energética da bateria.

Enquanto todos as pessoas parecem estar mais preocupadas (e não sem razão) em discutir sobre o custo da reposição dos módulos a bateria para o Nissan LEAF, e elogiar que o custo de substituição da bateria é um bom augúrio para o mercado do LEAF usado, eu ainda não encontrei alguém que realmente esteja falando sobre o que muda, especificamente, na tecnologia desta "nova química". Então, continuar falando aqui, mais do que já foi dito, continuaria a ser mera especulação.

Todavia, uma coisa eu me arrisco a afirmar, com bastante certeza: esta não é, ainda, a prometida bateria NMC (LiNiMnCoO2) da AESC, esperada como uma segunda geração bateria usando um catodo de óxido de lítio níquel manganês cobalto, e que poderá oferecer cerca de 75% a mais capacidade efetiva de energia, prolongando, de modo mui desejável, a autonomia do Nissan LEAF sobre a química padrão (LiMnO2), para além de 250 km.


Política de agressividade comercial:


Ainda dentro da sua política de agressividade comercial, desde Junho/2014, a Nissan também disse estar finalizando detalhes de um plano de financiamento para a substituição da bateria, estimada em cerca de US $ 100 por mês ao longo de cinco anos. A empresa espera lançar mais detalhes sobre o programa de financiamento da nova bateria até o final do ano, o que traz um alento para potenciais compradores que não podem (ou não querem) adquirir um VE 0 km, pois acena com a possibilidade de se adquirir um usado de 5 anos, com uma bateria novinha em FOLHA (k kkk kk kkk kk ... num trocadilho com LEAF).

Depois de fazer os cinco anos de pagamentos, o comprador seria o dono definitivo de um novo pacote no âmbito desse programa. A cobertura de garantia "normal" para substituição da bateria do LEAF está previsto para o prazo de 8 anos / ou de 100.000 milhas, a partir da venda, contra defeitos de fabricação e por 5 anos / ou 60.000 mi, contra a perda de capacidade para aquém de 70% da quantidade nominal de energia armazenável original.

Segundo a Nissan, as baterias antigas retomadas durante o processo de substituição serão recicladas, ou, poderão ser eventualmente retidas para um uso secundário, como por exemplo, o emprego em sistema de armazenamento intermediário (armazenagem temporária) visando rede pública de abastecimento de veículo elétrico e / ou no suporte de sistema de energia solar, também uma unidade de negócio separada, por meio da empresa 4R Energy Corporation.

Agora, muito embora haja, verdadeiramente, um número considerável de já proprietários de Nissan LEAF dispostos a pagar ainda mais para ter uma nova maior autonomia (digamos, ao menos, uns 50% a mais) uma bateria nova para o Nissan LEAF, que efetivamente aumente a autonomia do LEAF (digamos, uma bateria com 50% a mais de capacidade do que a atual, ou seja, indo para uns 36kW·h , apesar de NUNCA DESCARTADA, parece algo que não virá, antes de 2016 ou 2017.

Conceito Extrem tem cor e design inovadores
Muito acertadamente, os executivos da indústria automobilística raramente discutem ofertas de powertrains futuros, a menos que a tecnologia que está sendo descrita já esteja, garantidamente, a caminho. Antes de bateria com maior capacidade, a Nissan parece que, agora, não apenas para o LEAF mas, para todas as suas linhas de carros, pretende revolucionar (ou aderir a uma revolução que se insurge), com respeito à pintura monocromática dos carros, quebrar marasmo de cores, a partir do conceito Extrem. Então, eu agora paro por aqui, para não entrar em especulações inúteis ou passar falar de uma arte que não é muito a minha praia.

Nissan no Brasil:


Ok, se vocês fazem questão, eu peço desculpas, mas a culpa não é minha mas, é dos princípios deste blog. Tudo bem, a festa foi muito bonita e o parque industrial de Resende - RJ está ficando lindo mas, cadê? Qual VE? Nada ... Brasil, nada ainda! E, no que concerne a ações de formação de opinião e de divulgação tecnológica, este blog é apoiador do desenvolvimento de mercado de Veículos Elétricos (VEs), em detrimento do atualmente existente mercado de Veículos com Motor a Combustão.

Foi bem por isso que, diferente de outros blogs, não demos aqui a mínima divulgação, em meados de Abril último, da inauguração da segunda fábrica da montadora no Brasil, em Resende (pelo menos não demos desculpa de cancelamos da nossa participação por conta das chuvas no estado). Mas, também, nem fomos mesmo convidados para a festa: com um investimento de R$ 2,6 bilhões, a unidade produzirá 200 mil carros por ano e vai gerar 2 mil empregos diretos e indiretos. Parabéns a Nissan no Brasil.

Os dois modelos a serem fabricados em Resende são o hatch compacto March, que teve o visual remodelado e passa a ser chamado de New March, e o sedã Versa, que chegou ao Brasil no fim de 2011. Eles dividem a mesma plataforma. Até então ambos eram trazidos do México, país com o qual o Brasil mantém acordo comercial que os isenta do imposto de importação de 35%. (mas tudo isso já tínhamos dito em postagem do ano de 2013)

A Nissan revelou o New March em Abril em Resende
O que há, mesmo, de importante (e isso é o que poderá nos guindar para o VEs na Nissan Brasil, no mesmo parque de Rezende, o mais breve futuramente possível), é que, com a inauguração da nova fábrica, a Nissan quer atingir  a meta de alcançar 5% do mercado brasileiro, ou seja, a Nissan espera aumentar sua participação no mercado brasileiro de automóveis para mais de 5% até 2016.

Em 2013, a fatia da Nissan foi de 2,2%. Para efeito de comparação, as três marcas com maiores fatias no no mercado brasileiro automotivos, ano passado (2013) foram a Fiat (21,96%), a Chevrolet (19,62%) e Volkswagen (19,57%), de modo que a participação da Nissan ainda é pequena e pode avançar muito.

"Juntas, Renault e Nissan já alcançaram 10% do mercado brasileiro, a nossa próxima meta é de 15%”, disse Carlos Ghosn em Janeiro, quando fez a primeira visita à nova fábrica de Resende, na época ainda em fase final de construção. “Com a Renault na ponta e a Nissan sendo a líder entre as japonesas”, completou. Confesso que eu mesmo me surpreendi com a revelação de Ghosn, pois eu não imaginava que a Nissan já houvesse ultrapassado outras feras nipônicas como Toyota e Honda, no Brasil.

Nova Fábrica da Nissan em Resende (RJ)
Na verdade, a marca francesa fechou 2013 com 6,2% de participação. Considerando apenas montadoras japonesas, a Honda liderou o mercado de automóveis em 2013, com 4,75%, seguida pela Toyota (4,24%). “Antes, nossa ofensiva era trazer carros do México, mas era transitório, não seria possível continuar assim para crescer”, afirmou o presidente mundial da Renault/Nissan. Os investimentos no Brasil são parte da estratégia de crescimento mundial da montadora que tem fábricas na Índia, na Rússia e na China.

Mas o VE Nissan LEAF, que é bom, produzido em Resende, ainda nada, né Sr. Carlos Ghosn? (tanto é verdade, que a referência para o produto no Brasil, ainda é a página norte-americana: http://www.nissanusa.com/about/green-program.html ).

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Este trabalho de André Luis Lenz, foi licenciado com uma Licença Creative Commons - Atribuição - NãoComercial - CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada.