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ELETRIFICAÇÃO DO TRATOR E SEUS BENEFÍCIOS

Eletrificação do trator e seus benefícios

Bosch Engineering | BEG/SLA | 26.09.2018 © Robert Bosch Ltda 2018. Todos os direitos reservados, incluindo–se qualquer traspasse, exploração, reprodução, edição, distribuição, assim como no caso de pedidos de direitos de propriedade industrial.

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Apresentação

Thiago Mendes Pereira Engenharia Eletrônica – UTFPR 2010 Pós-graduação em Engenharia Automotiva – UTFPR 2012 Mestrando em Controle e Automação – UTFPR 2018 Professor na pós-graduação de veículos elétricos e híbridos - SENAI

Engenheiro de desenvolvimento de sistemas – Bosch

‒ Powertrain elétrico ‒ Sistemas de injeção diesel ‒ Automação de sistemas agrícolas



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Motivação

Incertezas quanto ao futuro do petróleo e volatilidade dos preços influenciadas pela geopolítica Normas de emissões de poluentes para veículos automotores Investimentos da indústria no desenvolvimento de veículos híbridos e elétricos

Source: Business insider Source: John Deere



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Vantagens

Resposta em torque Eficiência energética Menor nível de emissões Menor custo operacional Menor nível de ruído

Source: Bosch



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Torque do powertrain elétrico

Motor elétrico e a combustão com torque similares. Maior torque em baixas rotações Maior faixa de uso -> simplificação da transmissão

050

100150200250300350400450

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Torqu

e [Nm

]

Rotação [rpm]

Torque combustão x elétrico

Elétrico (Nm)

Combustão (Nm)

0

50

100

150

200

250

300

350

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Potên

cia [c

v]

Rotação [rpm]

Potência combustão x elétrico

Elétrico (cv)

Combustão (cv)



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Eficiência energética do powertrain elétrico

Processo de geração de energia elétrica a partir de petróleo é menos eficiente que o refino

No entanto, a eficiência do powertrain (TtW) é muito maior, resultando em uma melhor eficiência geral (WtW)



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Eficiência energética do powertrain elétrico

Uso de fontes renováveis de geração de energia torna a eficiência WtW ainda maior Fonte limpa de energia, diminuindo os efeitos de emissões de gases poluentes Matriz energética brasileira é rica em fontes renováveis



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Custo operacional do powertrain elétrico

Custo operacional da energia elétrica é menor do que o combustível No mercado agrícola, a energia elétrica pode ser gerada na fazenda a partir da biomassa

Source: Galileu



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Opções para a eletromobilidade agrícola

ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN

HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN

CÉLULA DE COMBUSTÍVEL

ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS

RECUPERAÇÃO DE ENERGIA



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Tipos de veículos elétricos

Source: Karsten Kieckhäfer, Strategic planning towards electric mobility in the automotive industry



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Topologia básica powertrain elétrico

Onboard charger

Low voltage battery

Accessories

Low voltage

DC/DC

Source: Bosch



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Tratores elétricos

Fendt e100 Vario Powertrain de 50 kW Autonomia de 5 horas de operação Bateria de lítio-íon 650V, 100 kWh Carga normal na rede 400V, 22kW Carga rápida – 80% em 40 minutos. Recuperação da energia cinética Interface padrão de PTO e hidráulica para implementos Conectividade via smartphone Bateria pode armazenar excesso de energia produzida na fazenda e alimentar a rede Baixo custo operacional e de manutenção

https://www.youtube.com/watch?v=v50WJ-sCLrs

Source: Fendt






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Tratores elétricos

John Deere SESAM Sustainable Energy Supply for Agricultural Machinery Potência 174 hp (contínuo), 400 hp (pico) 2 motores elétricos – flexíveis entre locomoção x auxiliares Baixo nível de ruído Autonomia de 4 horas de operação ou 54 km de transporte Carga da bateria em 3 horas (vida útil de 3100 ciclos).

https://www.youtube.com/watch?v=kxLm2XnQixk

Source: Agriland

https://www.youtube.com/watch?v=kxLm2XnQixk



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Armazenamento de energia

Source - Giuseppe Graber, Electric Mobility: Smart Transportation in Smart Cities



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Energia específica das baterias

Bateria Akasol AKM53POC 270 kW, 35,3 kWh, 666V, 333kg

Energia equivalente a 2,5 litros de diesel

Maior peso em tratores elétricos -> compactação

Source: Akasol

Source: Wikipedia



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Trator híbrido-série

Belarus 3023 híbrido Motor diesel 220 kW Gerador 172 kW PTO elétrica (progressive start) 15% de redução de combustível em cultivo 30% de redução de combustível em transporte Livre de manutenção até 30.000 horas Saída AC auxiliar de 230V trifásico 270kW Performance do powertrain híbrido equivale a um diesel de 313 kW

Source: Farm Weekly



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Trator híbrido-série

Rigitrac EWD120 Trator diesel-elétrico 4 motores independentes de 33 kW cada Motor diesel 91 kW Gerador de 85 kW Controle de tração ativo individual Proteção do solo Aumento na tração

Source: Technische Universität Dresden



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Carregador híbrido-paralelo

https://www.youtube.com/watch?v=PfypNJzHFwM

Merlo 42.7 híbrido Opera em modo diesel, elétrico ou híbrido plug-in Downsizing motor diesel – 56kW (normal = 100 kW) 4 horas de operação em modo Eco 2 horas de operação em modo Full electric 30% de redução de consumo Carga via rede ou painéis solares Payback de 2 anos

Source: Merlo

https://www.youtube.com/watch?v=PfypNJzHFwM



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Células a hidrogênio

Geração de energia elétrica a partir do hidrogênio. Eficiência TtW de até 50%, emissão de vapor de água. Produção de hidrogênio Eletrólise de água com energia elétrica fotovoltaica Reformação a vapor do metano produzido nos biodigestores Fermentação escura anaeróbica de biomassa

Desafios: segurança, infra-estrutura e custo

Source: Wikipedia

Source: Stanford



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Trator a célula de hidrogênio

New Holland NH2 Células de combustível de 100kW 3 pilhas, com um total de 384 unidades 1 motor para tração e 1 motor para PTO e auxiliares Cada motor com 100 kW Torque de 950 Nm (contínuo), 1200 Nm (máximo) 96% de eficiência nos motores Tanque de 8,2 kg de hidrogênio a 350 bar Autonomia de 3 horas Bateria de 12 kWh, 300V, 50 kW

https://www.youtube.com/watch?v=cZS0r5n4sdI

Source: New Holland

https://www.youtube.com/watch?v=cZS0r5n4sdI



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Células a etanol

Extração do hidrogênio a partir de etanol (biocombustível) Geração de energia elétrica pelo hidrogênio Reação produz CO2

Sistema neutro em emissão de carbono (compensado pelo crescimento da cana de açúcar)

Combustível líquido: segurança Infraestrutura de abastecimento Gerar energia a partir do etanol em uma célula de etanol é mais eficiente do que a

que um motor a combustão.

Source: Nissan



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Eletrificação de auxiliares

John Deere 7530 E-Premium Gerador trifásico 480V-20kW acoplado ao motor diesel Alimenta o ar condicionado, o ventilador e bomba do radiador Desacoplamento da velocidade do motor à combustão com o auxiliar Acionamento inteligente Redução de 4% no consumo em gradeamento Redução de 16% em transporte

Sources: LPF-TAGRALIA, Technical University of Madrid, Madrid, Spain

Farners Weekly



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Implementos elétricos

Amazone UX eSprayer Motor elétrico fornece a energia para o sistema Tomada de energia 400V trifásico (17kW) do trator Controle da bomba sob demanda aumenta a eficiência do sistema Desacoplamento mecânico/hidráulico entre trator e implemento.

Source: Amazone



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Implementos elétricos

Bosch Seeder Controle elétrico da rotação dos dosadores de semente Variação da população Compensação em curvas Corte de linhas em sobreposição



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Recuperação de energia

Boost Recuperation System Sistema recarrega uma bateria de 48V a partir da energia de frenagem/rolagem Energia armazenada pode ser utilizada para diversas funções Start-stop Demandas adicionais de torque Recarregar sistema de baixa tensão (alternador) Eletrificação de acessórios/PTO

Source: Bosch



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Recuperação de energia

Waste Heat Recovery Reaproveitamento da energia térmica O calor do escapamento é usado para girar uma máquina a vapor A máquina é ligada a um gerador, que fornece energia elétrica Energia pode ser utilizada para acionar acessórios do trator Tecnologia permite uma redução de até 5% de consumo de diesel

Source: Bosch


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Muito obrigado

Thiago Mendes Pereira [email protected] +55 (41) 99897-5445 https://www.linkedin.com/in/thiago-mendes-pereira/

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