O Nissan LEAF tem uma autonomia de mais de 160 km (100
milhas) com uma carga completa de bateria (EUA modo LA4). Extensa pesquisa do
consumidor demonstra que este intervalo satisfaz as exigências de
condução diária de mais de 80% dos consumidores do mundo que
dirigem carros. A figura ao lado mostra um intervalo de condução
médio por dia em cada país.
Estudos
mostram, ainda, que a maioria das jornadas de condução de veículos
é curta e local - a duração média de viagem por veículo é de
9,5 milhas (15,3 km), incluindo viagens curtas e longas e viagens nos
dias úteis e fins de semana. A figura a seguir mostra a distribuição
de viagens e milhas por categoria distância da viagem, dos veículos
nos EUA. A primeira distribuição é um resumo direto de todas as
viagens relatadas pela distância da viagem. A maioria das viagens
são muito curtos (61% de todas as viagens em um dia médio
são de menos de cinco quilômetros de distância).
A segunda
distribuição utiliza o total de milhas de viagens de passageiros em
um dia normal (2,3 trilhões de quilômetros de transporte de
passageiros) e a distribuição dessas milhas de distância da
viagem. Esta é uma distribuição mais uniforme, por exemplo, 13,5
por cento de todos milhas diárias são em viagens de cinco milhas ou
menos, e 15,3 por cento de todos milhas diárias são em viagens de
100 milhas ou mais.
Como a
maioria dos motoristas não costumam viajar para muito longe em uma base
diária, uma carga noturna de um Electric Vehicle (EV), Veículo Elétrico (VE), em Português, pode acomodar a necessidade de condução
da maioria das pessoas, tipicamente semelhante à maneira como, a
cada noite, as pessoas costumam carregar os seus telefones celulares, para
iniciar o próximo dia com uma a bateria plenamente carregada, elas
também irão conectar seus carros elétricos, em casa, a cada noite, em
carregadores residenciais "lentos".
Quando falamos "lentos", podemos estar falando, sim, em intervalos de tempo para carga completa que podem chegar a 6 hs, 8 hs, ou mesmo a problemáticas 14 hs, com emprego dos equipamentos mais simples, os quais costumam acompanhar na hora da compra do carro, como parte do conjunto de acessório triviais dos VEs mas, porém, não necessariamente tão lentos, pois, podemos chegar com bastante facilidade e baixo custo de investimento extra, a prover a carga completa da bateria de um VE, em um intervalo de tempo total de, digamos, 3 a 5 hs. Isso, sem estressar nem a própria bateria, e nem a instalação elétrica das residencias médias.
Quando um
motorista de VE precisar viajar uma distância média e, como resultado disso, ele desenvolve
"ansiedade de alcance" (ou ansiedade de autonomia), destinos com acesso a carregadores
podem ser usados para aliviar essa preocupação sobre como poder
recarregar. No entanto, quando um motorista de carro elétrico
precisa viajar longas distâncias, especialmente as distâncias
próximas ou superior a faixa de autonomia do carro, a existência necessária dos postos de
carregamento rápido tornam-se essenciais (caso contrário, ele irá
prever enfrentar transtornos, e acabará usando um carro secundário
de motor as combustão ao invés do VE).
Todavia,
o usuário deverá sempre buscar preferir o método de carregamento
lento, que é aquele que garantirá uma maior vida útil do conjunto
de baterias, de modo que tais carregamentos, feitos em período
noturno, ou de descanso do veículo, tendem a ser feitos, de maneira
geral, nas próprias garagens das residências dos usuários ou
proprietários de VEs.
As normas
regulamentárias elétricas dos Estados Unidos estabeleceram requerer
uma estação de carregamento conectada a um ramal de 240V,
permanentemente disponível, salvo se estiverem disponíveis
mecanismos adequados de comutação com intertravamento para
assegurar que a corrente de carregamento possa ser seguramente ligada
e desligada. A Nissan selecionou a empresa AeroVironment para
fornecer suas estações de abastecimento de carga e serviços de
instalação na América do Norte.
Usando
carregador rápido de CC, a bateria pode ser carregada a 80% da
capacidade em cerca de apenas 30 minutos. A Nissan desenvolveu o seu próprio
carregador rápido 500 VCC que começou a ser vendido no
Japão por ¥ 1.470.000 (cerca de 16,800 dólares EUA) em maio de
2010 e planeja instalar 200 nas concessionárias no Japão. Mas isso é muito caro e nem mesmo convém aos interesses dos eventuais proprietários de VEs, podendo servir mais para atender a politicas públicas em infraestrutura.
A Nissan
adverte, ainda, que se o carregamento rápido for usado como a principal
maneira de recarregar, então a perda de capacidade normal e gradual
da bateria, durante um período de 8 a 10 anos, que é o período de
duração estimado da vida útil da bateria, será cerca de 10% maior (ou até mais), do que quando se emprega a maneira regular de carga, ou seja, uma carga mais lenta.
Nos EUA,
extra oficialmente, outras empresas também compatibilizam estações
de carregamento, e as empresas e governos locais têm várias
iniciativas para criar redes de estações de carregamento públicas.
Uma rede
de abastecimento de veículos elétricos é um sistema de
infraestrutura proposto para o acesso público às estações de
carregamento para recarregar, para possíveis substituições de
bateria dos veículos elétricos e normalmente envolvem fornecedores
de infraestrutura do governo, fabricantes de automóveis e
concessionárias de fornecimento elétrica, firmaram vários acordos
para a criação de tais redes.
 |
Em outubro de 2017, para o ano modelo 2018, a Nissan lançou a nova geração
Leaf no Japão, e as entregas na América do Norte e Europa começaram em
fevereiro de 2018. Em 2018, as vendas globais atingiram um nível recorde de
87.149 unidades, terceiro atrás do Tesla Model 3 e BAIC EC-Series. |
A Nissan
planeja dobrar a potência do carregador embarcado no LEAF de 3,3 kW
para 6,6 kW, projeto a ser levado a cabo durante o ano de 2012,
visando o ano de modelo de 2013. Eles também estão estudando a
possibilidade de oferecer algumas atualizações para o modelo do ano
2011. Para o ano modelo 2014, a Nissan planeja, ainda, introduzir um
carregador indutivo para recarga sem fios, algo baseado no princípio
transformador. O sistema deverá apresentar um rendimento algo entre
80% e 90% de eficiência, mas os veículos já existentes não serão
capazes, com facilidade, de serem equipados com esse novo sistema.
Um carro
elétrico é bem adequado para o perfil da maioria das pessoas típica
média de condução. Claro que isso não significa necessariamente
que um VE funciona para todos os fins de condução. No entanto,
quando considerando os padrões típicos de condução, a limitação
de alcance do EV não devia ser uma questão empecilha, todavia, o
paradigma de disponibilidade, construído pelo carro de motor a
combustão, ainda está longe de ser totalmente vencido.
O
principal paradigma a ser quebrado será sempre o de comparação dos
tempos de carregamento do conjunto de baterias com o tempo de
enchimento do tanque em um posto de gasolina. Isso faz com que
fabricantes como a Nissan andem continuamente atrás do aprimoramento
da tecnologia da bateria e da operação de carregamento, todavia
isso sempre terá limites e, neste sentido, não existe milagres.
A
característica de um acumulador de energia de qualquer tipo
concebido, é que ele sempre será constituído de matéria e,
consequentemente, será caracterizado por uma energia
específica ou densidade de energia (quantidade de energia armazenada
por unidade de massa).
No
caso das células das bateria de Lítio-íon é de do LEAF o valor
declarado para a densidade de energia é 140 W·h / kg
e o da capacidade energética total de 24 kW·h
Se esses dados são honestos (e assim parecem pois, a maioria das
baterias Li-ion conhecidas atualmente, operam em cerca de 100 -150 Wh
/ kg), e considerando que a densidade de energias é definida para
apenas a massa das células da bateria em si, é possível, então,
se calcular a massa total dos elementos acumuladores (células) da
bateria do LEAF:
Como o pacote todo é avaliado em 300 kg, resta uma diferença de
128,6 kg que supõe-se que deva estar relacionado aos elementos de
interligação elétrica existente entre as 4 células de cada módulo
vezes os 48 módulos (que é o arranjo associativo do pacote da
bateria do LEAF), além de outras peças, metálicas ou plásticas, e
também da eletrônica de controle e monitoramento integrada, que
compõem o pacote todo.
Densidade de energia é um desses conceitos muito importantes, mas
que a maioria da pessoas comum não tem facilidade em concebem.
Densidade de energia é a relação entre a quantidade de energia
contida em um dado sistema ou região do espaço e o seu volume ou a
massa, dependendo de qual é mais útil no contexto deste
sistema/região.
Não seria exagero dizer que o futuro de todo desenvolvimento voltado
a energia renovável viável depende de aumentar a densidade
energética das baterias, mas é difícil avaliar as reais chances de
se atingir isso.
Digo isso, pois, mesmo que o desenvolvimento das tecnologias permita
produzir baterias com densidade de energia, algo em torno dos
anunciados 400 W·h / kg, a gasolina comum (sem mistura de álcool),
por exemplo, oferece algo em torno de 13.000 / kg, ou seja, 30x mais
densidade de energia. Veja na tabela abaixo, a comparação entre
alguns exemplos de tecnologias:
Tecnologias de
Armazenamento
|
Densidade de
Energia por Massa (MJ/kg)
|
Densidade de
Energia por Massa (W·h/kg)
|
Hidrogênio
comprimido a 700 bar
|
143
|
39722
|
Gás
natural comprimido a 200 bar
|
53,6
|
14889
|
LPG
propano
|
49,6
|
13778
|
LPG
butano
|
49,1
|
13639
|
Gasolina
|
46,9
|
13028
|
Óleo
Diesel / residencial óleo de calefação
|
45,8
|
12722
|
Gasohol
(10% etanol 90% gasolina)
|
43,54
|
12094
|
Jet
A (combustível de aviação) / querosene
|
42,8
|
11889
|
Óleo
biodiesel (óleo vegetal)
|
42,2
|
11722
|
Etanol
|
30
|
8333
|
Metanol
|
19,7
|
5472
|
A eficiência de um carro movido à gasolina é surpreendentemente
baixa. Todo calor expelido como gases da exaustão ou que vai para o
radiador é energia desperdiçada. O motor também usa bastante
energia para acionar bombas, ventiladores e geradores em
funcionamento. De tal forma que a eficiência global de um motor
acionado por gasolina automotiva é de 20%. Isto é, cerca de 20% do
conteúdo da energia térmica da gasolina é convertida em trabalho
mecânico.
Um carro acionado por energia elétrica tem uma eficiência bem
razoável. A bateria é cerca de 90% eficiente (a maioria das
baterias gera algum calor, ou exige aquecimento) e conjunto
motor/inversor elétrico tem eficiência de cerca de 80%. Isto
fornece uma eficiência global de cerca de 72%.
A história, porém, tem outros ângulos. A eletricidade usada para
energizar o carro foi gerada em outro local. Se sua origem tiver sido
em uma usina que utilizou a combustão (sem apelar para o processo
nuclear, hidroelétrico, solar ou eólico), somente cerca de 40% do
combustível foi convertido em eletricidade. Carregar o automóvel
exige a conversão da corrente alternada (CA) em corrente contínua
(CC). A eficiência deste processo é de 90%, aproximadamente.
Portanto, se olharmos para o ciclo completo, a eficiência de um
carro elétrico distribui-se em 72% para o carro, 40% para a usina geradora de
energia e 90% para carregar o carro. Corresponde, portanto, a uma
eficiência global de 26%.
Esse exercício aponta para a importância de se considerar o sistema inteiro, não apenas o automóvel. Poderíamos dar mais um passo ainda indagando qual a eficiência do processo de produção da gasolina, do metanol ou do carvão. Não obstante, é bastante claro que os VEs irão se firmar no cenário mundial de veículos automotores, e também no Brasileiro.
Para entender por que está afirmação se justifica, repare que esta eficiência varia consideravelmente,
dependendo do tipo de usina geradora de energia que tiver sido empregado. Algo próximo de 40% de rendimento para usinas geradora de energia é aquela que ocorre até mesmo na média mundial, a qual, infelizmente, ainda é fortemente dependente de combustíveis e, sem alternativas praticáveis para muitos países.
Se
a eletricidade tiver vindo de uma hidroelétrica por exemplo, em
termos energéticos ela praticamente foi gratuita e, ainda, ambientalmente, uma fonte renovável. Não tivemos de
queimar combustível para gerá-la e, assim, a eficiência do carro
elétrico, considerando o processo de conversão de energia, passaria a corresponder a algo em torno 65% (talvez até algo um pouco mais).
Isso porque a combustão é inexoravelmente ineficiente em si, por ser é uma reação exotérmica, ou seja, é uma reação química cuja energia é transferida de um meio interior para o meio exterior, assim aquecendo o ambiente.
Toda reação exotérmica será sempre uma reação química que libera calor, sendo, portanto, a energia final dos produtos bastante menor que a energia inicial dos reagentes e um exemplo disso é a reação de queima de produtos inflamáveis, como álcool ou a gasolina, que produzem muita energia, mas que não pode ser contida, isolada em seu meio.
Se você quiser conhecer alguns detalhes extra interessantes sobre a termodinâmica e processos de conversão de energia por combustão, veja isso no tópico
Aquecedores de Água a Gás Natural Devem Colaborar com o Carregamento Doméstico de Veículos Elétricos, que se encontra postado neste mesmo Blog.
Evoluções no Carregamento de Veículos Elétricos:
Recentemente
a Nissan anunciou que eles estão desenvolvendo tecnologias que
permitam realizar a operação de carregamento das baterias a 80%, em
um tempo igual ou menor do que 15 minutos (talvez 10 minutos). Tudo
bem, isso é muito louvável, mas é preciso que se mantenha em
mente, e sobre isso a própria Nissan, tem sido sempre clara em
alertar, de que o carregamento rápido não deve ser mantido como
padrão de carregamento, devendo dar-se a preferência ao carregamento
lento, que convém ser feito em um período de repouso do veículo.
Já se
vai 1 ano e ½ desde que o Nissan LEAF foi introduzido
comercialmente, e está cada vez mais evidente que ele está se
tornando o primeiro VE de produção em massa, pouco a pouco, cada
vez mais acessível e confiável. O fato da Nissan desenvolver as sua
própria bateria, podendo, assim, buscar adequá-la às
características originais do carro, continuamente aumentando a
eficiência energética do VE, colabora com o sucesso disso. Da mesma
forma, esta lógica também se aplica ao Motor e ao Inversor,
desenvolvidos de modo a prover uma arquitetura de VE de conceito
simples e preciso.
Numa
arquitetura simples e eficaz, todas as questões nevrálgicas se
voltam mesmo para a bateria, que determina a autonomia do carro mas,
principalmente, sua durabilidade e seu custo. Assim como a concepção
do lendário Fusca da Volkswagen foi revolucionária o bastante para
provocar sua massificação no mercado brasileiro nos anos 60 e 70, o
Nissan LEAF, tendo sido concebido como um veículo de produção para
o consumidor em geral, e a Nissan mantendo, convenientemente, uma
política de tratá-lo como mais do que simplesmente mais um carro,
essa mesma oportunidade se redesenha agora, na era dos EVs: só
precisa vir a ser vendido a um preço realmente acessível para a
maioria dos motoristas brasileiros e, para isso, aumentar a densidade
de energia da bateria, ao mesmo tempo em que se reduz o custo de
produção da mesma é a chave para aumentar o sucesso comercial
desse carro.
Quando o
LEAF foi lançado, possivelmente um dos aspectos da sua tecnologia
que mais surpreendeu os engenheiros de outras montadoras, e deu
margem para se estabelecer uma formação de opinião de certo
ceticismo, foi quanto ao fato da bateria do Nissan LEAF não ter
nenhum sistema de arrefecimento, propriamente dito.
Fazendo
assim, a Nissan apostou na sua capacidade de obter uma bateria e um
desenho de montagem do pacote de características especiais, não
apenas olhando para a densidade de energia e para o custo, mas também
para um o possível ajustamento da resistência interna da bateria
para baixo, que é o que pode fazer a temperatura da bateria ser
mantida, naturalmente, mais baixa.
Quando
uma bateria tem um sistema de arrefecimento, recorre em mais custo e
mais espaço necessário para instalar o sistema. De fato, andando
em outra direção, alguns fabricantes estão desenvolvendo novas
baterias dotadas sistemas de arrefecimento líquido bastante
sofisticados. Não obstante, todo sucesso comercial de um produto
reside sempre na simplicidade e na eficiência, foi desta maneira que
o fusquinha, também sem sistema de arrefecimento líquido,
conquistou o Brasil.
A Nissan
alega que uma bateria que pode manter baixa a sua temperatura de
aquecimento, sem um mecanismo de arrefecimento é também mais
duradoura pois, tal bateria simplesmente funciona evitando o
sobreaquecimento comece, todavia, como sempre, será a real
satisfação do cliente, ao longo dos próximos oito anos (quando os
primeiros LEAFs terão suas baterias originais completando os dez
anos de vida útil prometida) que determinarão o sucesso dessa
tecnologia.
A
estrutura dos módulos de bateria é estrategicamente fina, mas com
uma larga superfície de contato, o que, de fato, torna as qualidades
de transferência calor melhoradas. Mas fazer com que esse designe
laminado fino trabalhasse como parte integrante da realidade do
automóvel foi um dos grandes desafio que exigiu um desenho cuidadoso
do veículo, que tornasse possível proporcionar um maior espaço
para uma montagem em disposição mais horizontal possível dos
módulos de bateria, que é também uma das razões pela qual o
sistema de bateria do LEAF não precise de um mecanismo de
refrigeração especial e, ainda assim, manter um desempenho de
segurança.
Em uma
“suposta torção” naquilo que concerne ao carregamento
convencional de VEs, a Nissan desenvolveu recentemente um sistema que
permite que um EV forneça a eletricidade contida em sua enorme
bateria, a fim de alimentar uma residência ou um estabelecimento, em
uma situação emergencial e de contingência em que há uma queda ou
falta de energia, como por exemplo, as primeiras 48 horas após um
tsunami.
Um
protótipo desse sistema de carregamento instalado em um carro
elétrico Nissan LEAF foi apresentado no Japão no final de
Julho/2011. O sistema pode ser usado para fornecer eletricidade por
meio de um dispositivo de carregamento bidirecional, que normalmente
converte a energia elétrica residencial para uma tensão apropriada
para carregar a bateria do carro, a qual poderá agora ser
reconvertida para alimentar energia de volta ao circuito doméstico.
Obviamente
que, para o aproveitamento dessa energia, o circuito da rede local da
casa deve ser isolado da rede de distribuição pública, com o
desligamento da chave principal, no painel de entrada de energia,
para que a energia não fuja para fora. Um outro caso é que a rede
elétrica inteligente (Smart Grid), pode, também, “negociar”
com um EV, fazendo com que ele só esteja autorizado a se carregar a
partir dela, por exemplo, no horário compreendido entre 00:00 hs as
até as 07:00 hs, mesmo podendo o veículo ainda, estar previamente
conectado a estação, poderá “revender” a sua energia
armazenada, no horário de pico de consumo, por exemplo, entre 18:00
hs e 22:00 hs.
Como a
bateria de íon de Lítio do LEAF pode acumular até 24kW
·h
(quilowatts
·hora) de
eletricidade, que a Nissan estima ser suficiente para abastecer uma
casa média japonesa para cerca de dois dias, isso significa que se o
sistema for utilizado racionalmente, por apenas algumas horas durante
o dia, o carro seria ainda retêm energia suficiente para fazer
viagens.
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