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Sistemas de Propulsão Automóvel
Motor Eléctrico e Sistemas Alternativos de Propulsão Automóvel
Projecto FEUP
Coordenador: Prof. Abel Santos
Monitor: Miguel Bessa
Outubro de 2009
Grupo MMM 502:
Diogo Oliveira
João Felgueiras
João Nogueira
João Oliveira
Luís Marques
Nuno Cardoso
FEUP Projecto FEUP
ii
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Projecto Feup
Coordenador: Prof. Abel Santos
Monitor Miguel Bessa
SS II SS TT EE MM AA SS DD EE PP RROO PP UU LL SS ÃÃ OO AAUU TTOO MM ÓÓ VV EE LL
MM OO TT OO RR EE LL ÉÉ CC TT RR II CC OO EE SS II SS TT EE MM AA SS AA LL TT EE RR NN AA TT II VV OO SS DD EE
PP RR OO PP UU LL SS ÃÃ OO AA UU TT OO MM ÓÓ VV EE LL
Pelo grupo MMM 502
Diogo Oliveira
João Felgueiras
João Nogueira
João Oliveira
Luís Marques
Nuno Cardoso
Porto, 14 de Outubro de 2009
FEUP Projecto FEUP
iii
Sumário
No âmbito da cadeira de “Projecto FEUP”, foi proposto ao grupo MMM 502,
constituído por cinco alunos inscritos no primeiro ano do curso “Mestrado
Integrado em Engenharia Mecânica” nomeadamente, João Felgueiras, João
Nogueira, João Oliveira, Luís Marques, Nuno Cardoso, e um aluno inscrito no
primeiro ano do curso “Licenciatura em Ciências de Engenharia - Engenharia de
Minas e Geo-Ambiente” nomeadamente, Diogo Oliveira, da Faculdade de
Engenharia da Universidade do Porto, fazer um trabalho de pesquisa com o tema
“Sistemas de Propulsão Automóvel” e com o seguinte problema, “Motor Eléctrico
e Sistemas Alternativos de Propulsão Automóvel”, com o apoio do coordenador,
Professor Abel Santos, e do monitor, Miguel Bessa.
Durante a realização do trabalho foram recolhidos dados sobre o tema, e em
grupo fez-se um estudo da matéria. Pudemos concluir que existem várias
alternativas a serem estudadas e desenvolvidas para substituir os combustíveis
fósseis como os motores a hidrogénio ou os motores eléctricos, mas todos eles
requerem energia ou combustíveis que ainda não são de origem 100% livre de
emissões e as infraestruturas teriam de ser muito desenvolvidas e alteradas para
o propósito. Mas está visto que cada vez mais fabricantes de automóveis estão
dispostos a melhorar o meio ambiente em que se integram.
FEUP Projecto FEUP
iv
Abstract
Under the subject "Project FEUP”, was proposed to the MMM 502 group,
consisting of five students enrolled in first year of the course" Master in Mechanical
Engineering " in particular, João Felgueiras, João Nogueira, João Oliveira, Luís
Marques, Nuno Cardoso, and a student recorded in the first year of "Degree in
Science Engineering - Mining and Geo-Environment” in particular, Diogo Oliveira,
of the Faculty of Engineering, University of Porto, do a search on the theme
"Automotive Propulsion Systems” with the following problem, "Electric Motor and
Alternative Car Propulsion Systems", with the support of the coordinator, Professor
Abel Santos, and the monitor, Miguel Bessa.
During the study were collected topics about the subject, and the group did a study
of the matter. We can conclude that there are several alternatives to be studied
and developed to replace fossil fuels such as hydrogen engines or electric motors,
but they all require energy or fuels that are still not 100% free source of emissions
and the infrastructure would have to be highly developed and changed for the
purpose. But it is seen that more and more automakers are willing to improve the
environment in which they live.
FEUP Projecto FEUP
v
Índice
Sumário .................................................................................................................. iii
Abstract .................................................................................................................. iv
Índice ....................................................................................................................... v
1 Introdução ....................................................................................................... 1
2 Alternativas ao Motor de Combustão Interna Convencional ........................... 2
2.1 Motor Eléctrico .......................................................................................... 2
2.2 Motor de Ar Comprimido ........................................................................... 9
2.3 Turbina a Gás ......................................................................................... 13
2.4 Motor de Combustão Interna a Hidrogénio ............................................. 15
2.5 Células de Combustível .......................................................................... 17
3 Tendências Futuras ...................................................................................... 19
3.1 Desenvolvimento sustentado (energia e materiais)................................. 19
4 Conclusão ......................................................................................................... 19
5 Referências ....................................................................................................... 24
6 Anexos .............................................................................................................. 27
FEUP Projecto FEUP
1
1 Introdução
Actualmente um dos aspectos que está na agenda dos construtores e
cientistas à volta do ramo automóvel, é a utilização de fontes alternativas de
energia para assim permitir o desenvolvimento sustentável da tecnologia.
Assim, neste relatório propomos e exploramos algumas das muitas hipóteses
que estão disponíveis de forma a sustentar esse desenvolvimento. Estudamo-
las de forma a mostrar o seu papel na passado, na actualidade e quais as
tendências futuras, expondo assim quais as vantagens e desvantagens dessas
alternativas ao mais usado e super explorado petróleo e outras formas de
combustão interna. Entre os motores eléctricos, motores de ar comprimido,
motores de combustão de hidrogénio, o leque de alternativas ao convencional
motor de combustão interna a derivados de petróleo a escolha é vasta e cada
vez se aposta mais neste tipo de tecnologias.
FEUP Projecto FEUP
2
2 Alternativas ao Motor de Combustão Interna
Convencional
2.1 Motor Eléctrico
Entre 1832 e 1839 (o ano exacto é incerto), Robert Anderson da Escócia
inventou a primeira carruagem eléctrica primitiva.
França e Grã-Bretanha eram as primeiras nações a terem o desenvolvimento
difundido dos veículos eléctricos nos na primeira parte do século XIX.
Os anos 1899 e 1900 foram o ponto culminante de carros eléctricos na
América, porque superaram a venda de todos os outros tipos de carros.
O declínio do veículo eléctrico foi causado por diversos avanços da tecnologia:
-Nos anos 20, América tinha um sistema melhor de estradas que conectavam
agora as cidades, trazendo com ela a necessidade de veículos com maior
capacidade de cobrir grandes distâncias.
-A descoberta do petróleo de Texas reduziu o preço da gasolina de modo a que
fosse disponível a um consumidor normal.
-A invenção da ignição eléctrica por Charles Kettering em 1912 eliminou a
necessidade do uso da manivela.
-O inicio da produção em massa de veículos com motor a combustão interna
por Henry Ford fez estes veículos facilmente disponíveis na gama de preços
$500 a $1.000.
-Pelo outro lado a ineficiência da produção dos carros eléctricos fez com que
os preços dos mesmos continuasse a aumentar. Em 1912, um carro eléctrico
de estrada custava $1.750 enquanto um carro da gasolina custava $650.
FEUP Projecto FEUP
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Em 1935 todos os carros eléctricos tinham desaparecido.
Nos seguintes anos até os anos 60 foram anos mortos para o desenvolvimento
do veículo eléctrico e para o seu uso como o transporte pessoal.
Nos anos 60 e 70 viu-se uma oportunidade para os veículos alternativos de
forma a reduzir os problemas de emissões de exaustão motor a combustão
interna e a dependência de petróleo importado. Muitas tentativas de produzir
veículos eléctricos práticos ocorreram durante os anos de 1960 até ao
presente.
Existem vários tipos de motores eléctricos que foram sendo desenvolvidos nas
últimas décadas. Pode-se ver um esquema de todos os tipos de motores
eléctricos no anexo 1, no fim deste documento.
Embora exista uma variedade enorme de motores eléctricos, as suas
diferenças, no último nível do gráfico, não são muito significativas para a
compreensão dos motores eléctricos e da sua importância crescente numa
sociedade determinada e mudar o seu estilo de vida para um mais ecologico.
Entre os motores eléctricos, destanca-se dois tipos de motores – motores de
corrente alternada e motores de corrente contínua.
2.1.1.1 Motor de Corrente Alternada
A energia eléctrica que é conduzida ao motor está sob a forma de uma corrente
alternada, criando assim o efeito oposto da inducção electromagnética, criando
o movimento do rotor sem necessidade de conversão periódica do sentido da
corrente que por sua vez converte a polaridade magnética do estator, para que
o motor esteja sempre a repelir o rotor e manter o movimento circular do rotor.
Este motor pode ser alimentado por corrente alternada ou por ímanes
permanentes. Tendo em conta que o campo magnético do rotor é
independente do campo da parte estática do motor, a velocidade será
constante e sincronizada com o estator.
Dentro deste modo de motores temos dois motores:
FEUP Projecto FEUP
4
Motor síncrono – Trabalha a uma velocidade fixa pois a velocidade de
rotação do rotor é a mesma da frequência da corrente alternada. Como o ritmo
é o mesmo, não há “deslizamento” (diferença entre a velocidade do campo
magnético do estator e do rotor) entre os electroímanes do estator e do rotor
fazendo com que não haja torque. O estator e o rotor são alimentados de forma
independente sendo que o estator é alimentado por corrente alternada e o rotor
tanto pode ser alimentado por ímanes permanentes ou por corrente contínua.
Devido ao seu alto custo de fabricação, só é utilizado em grandes potências ou
quando se necessita de uma velocidade invariável. Estes motores não
conseguem gerar potência suficiente para arrancar o motor até à velocidade de
sincronismo por isso são acompanhados de motores eléctricos assíncronos
suplementares (motores do tipo gaiola-de-esquilo) que geram a potência
necessária para o motor síncrono chegar à velocidade de quase-sincronismo.
Assim, a velocidade é constante até que a massa rebocada seja superior ao
permitido, fazendo com que o motor apenas pare de trabalhar.
Este tipo de motores só tem sentido em veículos para deslocar cargas
independentemente do peso das mesmas pois a velocidade não depende do
peso rebocado até um certo ponto (se for ultrapassado o peso máximo
rebocável, o veículo para de se movimentar).
Motor assíncrono - Este motor é composto também por uma parte
estática (Estator) e uma parte que transfere o movimento (Rotor). O espaço
entre o estator e o rotor é oco e tem o nome de entreferro.
O estator e o rotor são compostos por finas chapas de aço magnético com um
tratamente térmico espicifico para reduzir as perdas por correntes parasitas.
Ao contrário dos motores síncronos, o estator e o rotor são solidários na sua
construção e apenas o estator é alimentado pela corrente alternada.
O formato mais comum de motores assíncronos é trifásico. Assim existem duas
saliências em pontos opostos (distanciados a 180º um do outro) ligados a cada
fase para criar dois pólos (positivo e negativo). Assim a configuração normal
será 6 saliências distânciados a 60º umas da outras e com cada saliência de
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cada fase afastada 180º uma da outra. Esta configuração trifásica permite que,
quando uma fase repele o rotor, as outras duas fases atraem o rotor em
posições seguintes na rotação.
Estas saliências são constituídas por bobinas que criam campos magnéticos
variantes no tempo (visto que utiliza corrente alternada). Assim, em termos
espaciais, o campo magnético acaba por ser circular e rotativo no tempo.
É no rotor que se centra as diferenças dentro deste género de motor.
No exemplo dos motores assíncronos gaiola-de-esquilo, o rotor é composto por
barras de um material condutor que se encontram à volta do conjunto de
chapas do rotor. Estas barras são curto-circuitadas por anéis metálicos nas
extremidades do rotor.
Como o campo magnético é variante no tempo, vai induzir nestas barras curto-
circuitadas uma voltagem alternada, o que vai criar uma corrente na “gaiola” do
rotor. Estas duas correntes vão criar dois campos magnéticos que se vão
repelir e atrair alternadamente, criando o movimento do rotor.
A velocidade do rotor tem de ser inferior à velocidade de rotação do campo
magnético do estator – só assim existe deslizamento entre os dois campos
magnéticos que criam o movimento do rotor. Se, por algum acaso, a velocidade
do rotor superar a frequencia da corrente que passa no estator, o rotor abranda
até haver novamente o deslizamento entre os dois campos magnéticos. É
graças a este deslizamento que o motor eléctrico produz torque. A velocidade
do motor pode ser controlada se se controlar a frequência da corrente
alternada, podendo assim também controlar o torque necessário para deslocar
um veículo ou o rotor de um motor síncrono, por exemplo.
Neste tipo de motores, a gaiola costuma ser fabricada em cobre, liga de cobre
ou em alumínio, enquanto que o núcleo do rotor é fabricado a partir de lâminas
de aço de silício.
Entre a escolha do tipo de materiais a utilizar na gaiola, algumas fontes [x]
referem como principais vantagens do alumínio o menor peso e
consequentemente menor inércia, a ausência de movimento da gaiola, e o
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facto de o preço deste tipo de gaiolas ser menor do que o preço das gaiolas de
cobre.
No entanto, as gaiolas de cobre também têm as suas vantagens: redução de
perdas no rotor na ordem do 20%, menor temperatura de trabalho, logo menor
ventilação o que prevoca um tempo de vida mais longo.
No caso de um motor assíncrono com o rotor bobinado, o princípio de
funcionamento é o mesmo do motor assíncrono mas, em vez de ser a armação
da gaiola a ser curto-circuitada, produzindo o mesmo tipo de efeito do motor
assíncrono gaiola-de-esquilo. No entanto, este tipo de motores é usado em
potências acima dos 500 Hp. Os anéis constituintes da bobina permitem
controlar a velocidade do motor através de um reóstato externo.
2.1.1.2 Motor de corrente contínua
Os motores de corrente contínua utilizam o mesmo fenómeno de indução
electromagnética no seu funcionamento, no entanto, não utilizam corrente
alternada mas corrente contínua. O principal problema do uso de corrente
contínua é o facto de não haver variação temporal do campo magnético gerado
no estator do motor. Assim, estes motores requerem a utilização de
ferramentas específicas para variar temporalmento o campo magnético à
velocidade de rotação do rotor, para que os campos magnéticos do estator e
do rotor estejam sempre a repelir-se e a forçar o movimento circular do rotor.
Assim, utilizam-se comutadores para inverter o sentido da corrente sempre que
polos opostos se aproximam do ângulo 0º entre eles, para que o campo
magnético do rotor se inverta e assim manter as forças de repulsão e o
movimento circular do rotor.
Dentro deste tipo de motores destacam-se 2 tipos:
Motor com escova - Este motor é composto também também por um
rotor e um estator. As escovas são filamentos de carvão que conduzem a
energia eléctrica ao rotor. Neste caso, o campo magnético gerado pela corrente
contínua no estator é contínuo. Já o campo magnético do rotor varia com o
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tempo graças a um comutador existente no rotor que varia, consoante o ciclo
de rotação, o sentido da corrente eléctrica no rotor, criando campos magnéticos
constantemente contrários ao campo magnético do estator, forçando o
movimento circular do rotor. O comutador também pode ser controlado através
das escovas, que ao passaram em determinados pontos, activam o comutador
para alterar o sentido da corrente.
Este tipo de motores são baratos mas requerem muita manutenção
,principalmente a nível das escovas, e tem um tempo de vida bastante curto
para utilizações industriais.
Motor sem escova – Este tipo de motores não requer a utilização de
escovas para fazer a mudança de sentido de corrente pois contém um
comutador electrónico, conectado a alguns sensores de posição e de
magnetismo para controlar a variação do sentido da corrente, permitindo
controlar o ritmo de variação dos campos magnéticos e assim controlar
eficazmente a velocidade de rotação do motor. Este motor é mais caro do que
o motor com escovas mas quase não necessita de manutenção e tem um
tempo de vida útil muito elevado.
Este é o tipo de motor que se utiliza nos automóveis por necessitar de pouca
manutenção, terem melhor rendimento que o motor com escova (menos perdas
por atritos) e estar preparado para corrente contínua.
Ambos os motores podem ter vários pares de pólos magnéticos, criando uma
variação de campos magnéticos superior por cada ciclo de rotação do rotor.
As baterias que armazenam a energia eléctrica que será consumida pelos
motores eléctricos são baterias de iões de lítio, mais leves e mais duradouras
que outras baterias.
No que diz respeito aos motores eléctricos em geral, o seu desenvolvimento
em massa obrigaria a toda uma reestruturação dos sistemas de abastecimento,
no sentido de possibilitar a recarga rápida de energia eléctrica. Actualmente, só
é possível aos proprietários, fazê-lo em casa e para que possa ser viável, é
necessário que o acesso seja tão fácil como hoje acedemos ao gasóleo e à
gasolina.
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Com esta solução, continuariamos a ter de utilizar os combustíveis fósseis para
a produção de energia, podendo claro, recorrer também às fontes de energia
renovável.
Fig. 1 - Esquema de um motor de corrente directa sem escovas [1]
Fig. 2 - Esquema de um motor de corrente directa sem escovas [2]
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Fig. 3 - Esquema de um motor assíncrono gaiola-de-esquilo [3]
2.2 Motor de Ar Comprimido
O primeiro veículo de ar comprimido de que há registo foi construído pelo
francês Andraud e Tessia de Motay em 1838.
Fizeram um teste ao veículo numa pista em Chaillot um 9 de Julho de 1840 e o
carro não teve problemas, mas a ideia não foi continuada.
O verdadeiro pai do conceito de ar comprimido aplicado a carros será sempre
Charles B.Hodges. Que foi a primeira pessoa, não só a inventar um carro com
um motor alimentado a ar comprimido, mas que também teve sucesso
comercial com a invenção.
Após muitos anos a trabalhar num sistema para alimentar um carro com ar
comprimido, Louis C. Kiser, um homem de 77 anos de Decatur nos EUA, foi
finalmente bem sucedido ao converter um motor a gasolina num veículo
alimentado a ar comprimido.
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O primeiro motor híbrido de diesel e ar comprimido apareceu nos anos 30 na
Alemanha. No entanto às pressões das companhias petrolíferas no sector dos
transportes públicos eram tantas que conseguiram que conseguiram parar as
investigações neste campo de energias alternativas.
Em 1926 Lee Barton Williams de Pittsburg nos EUA, apresentou a sua
invenção ao mundo: um automóvel que ele dizia alimentar-se de ar.
O motor de arranque era a gasolina, mas após atingir cerca de 16 quilómetros
por hora o fornecimento de gasolina era cortado e ficava a mover-se a ar.
No primeiro teste o carro atingiu a velocidade de 100 quilómetros por hora.
Os carros movidos apenas a ar comprimido são, numa perspectiva, carros
„amigos do ambiente‟, visto que não libertam qualquer substância poluente para
a atmosfera. Se pensarmos, por outro lado, que estes carros necessitam de
energia eléctrica para que o ar seja comprimido e que para a obtermos,
recorremos na mesma aos combustíveis fósseis, na verdade, não podemos
considerá-lo livre de poluição.
O automóvel é impulsionado por um motor de dois cilindros de ar comprimido.
No entanto, o conceito básico da projecção da maior parte tipo de motores é
único: o carro pode mover-se tanto a ar comprimido como através de um motor
de combustão interna. O ar comprimido é armazenado em depósitos de fibra
de carbono ou de vidro a uma pressão de 1.900 kg por polegada quadrada
(psi). O ar é alimentado através de um injector até ao motor, passando por
dentro de uma pequena câmara, que faz com que o ar se expanda através de
altas temperaturas. O ar empurra os pistões, dando força ao carro para se
mover.
Depósitos de ar fixados na parte inferior do carro podem abastece-lo durante
centenas de km, a uma velocidade máxima rondar 95 km/h, variando de carro
para carro. Quando o depósito estiver quase vazio, poderá ser reabastecido
numa bomba de ar: usando-se uma fonte eléctrica doméstica, o depósito de ar
comprimido levará cerca de quatro horas a ser reabastecido. Contudo, com
uma bomba de alta pressão é possível fazer uma recarga rápida em cerca de
três minutos.
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Observando esta solução numa perspectiva de vantagens e desvantagens,
temos a seu favor:
O carro não liberta poluentes para a atmosfera (no mínimo reduz as emissões
em relação ao motor de combustão interna).
A bateria usada é barata e não precisa de manutenção, para além de não
conter ácidos, ser reciclável e de longa duração.
Não são necessários combustíveis fósseis como fonte de energia. A sua
autonomia de várias centenas de km excede a de quase qualquer carro
existente hoje em dia. Numa estação de serviço, estes automóveis poderão ser
reabastecidos em cerca de três minutos e por um preço muito reduzido.
Em comparação com o híbrido já produzido em massa "Prius", considerado o
automóvel com as emissões de CO2 mais baixas no mercado, os automóveis a
ar comprimido serão capazes de reduzir essas mesmas emissões em cerca de
50%.
Por outro lado, os maiores obstáculos e entraves desta solução são:
O custo real do automóvel é indeterminado e ainda não foi testado no âmbito
da segurança por autoridades ou organizações credíveis.
A sua implantação obrigaria a uma reestruturação dos postos de
abastecimento uma vez que para além do combustível, também teríamos que
ter acesso ao ar comprimido para encher os depósitos de ar.
Quanto à energia utilizada, é mais eficiente armazenar a energia eléctrica,
usada para comprimir o ar em baterias e instalá-las nos automóveis como fonte
de energia, já que desta forma as perdas existentes na conversão de energia
serão reduzidas.
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Fig. 4 - Abastecimento dos depósitos de ar de um carro movido a ar comprimido [4]
Fig. 5 - Esquema do funcionamento de um motor movido apenas a ar. Neste caso não temos a opção da combustão interna [5]
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2.3 Turbina a Gás
As turbinas a gás são turbinas extremamente simples, apenas constituídas por
três partes (fig. 6): um compressor que comprime o ar de admissão por alta
pressão; uma câmara de combustão que queima o combustível e produz gás a
alta pressão e a alta velocidade; e uma turbina que extrai a mesma energia do
gás a alta pressão e a alta velocidade vindo da câmara de combustão.
Em todas as turbinas a gás modernas, o motor produz o seu próprio gás
pressurizado, através da combustão de substâncias como o gás propano, gás
natural, gás liquefeito de petróleo (GLP), querosene, óleo diesel ou até óleos
mais pesados. O calor gerado pela explosão do combustível expande o ar e o
deslocamento deste, a alta velocidade, faz mover a turbina.
Este motor pode ser uma alternativa aos motores de pistão, dado que
apresenta vantagens como: uma óptima relação peso/potência, se comparadas
a motor de combustão interna tradicional. Consequentemente, as turbinas a
gás são de tamanho bastante mais reduzido. No entanto, apresenta bastantes
desvantagens: quando comparado com motores de pistão do mesmo tamanho,
as turbinas são muito dispendiosas; atinge rotações e temperaturas de
operação muito elevadas; o projecto e a construção são bastante complexos; e
tendem a ter consumos de combustível muito altos quando se encontram em
marcha lenta.
Conclui-se então que produzir automóveis, movidos por meio de turbinas a gás,
não seria de todo uma boa opção: em primeiro lugar continuaríamos a ter um
motor de combustão interna, o que não é muito favorável para uma alternativa
ao motor convencional. Em segundo, para se fabricar turbinas a gás do mesmo
tamanho de um motor convencional seria necessário investir mais dinheiro pois
o projecto e a sua construção são muito mais complexos, e como as turbinas
atingem elevadas rotações e temperaturas teriam de ser feitas revisões ao
motor com mais frequência. Em terceiro lugar, há que pensar na questão dos
consumos de combustível, a maior parte dos condutores a nível mundial
conduz menos de 80Km por dia e grande parte deles passa por
engarrafamentos e filas de trânsito, e como se viu anteriormente as turbinas a
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gás quando se encontram em marcha lenta atingem consumos muito altos. As
turbinas a gás são, por isso, muito mais rentáveis e excelentes para veículos
como, aviões, navios, helicópteros, locomotivas ou tanques de guerra:
volumosas e pesadas máquinas que necessitam de uma grande quantidade de
energia para se moverem.
Fig. 6 – Esquema de um turbina a gás [6]
Fig. 7 - Turbina a gás GE série H, para geração eléctrica, de potência de 480 MW em ciclo combinado [7]
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2.4 Motor de Combustão Interna a Hidrogénio
Os motores de combustão interna a hidrogénio são iguais aos motores de
combustão interna a gasolina ou diesel com a diferença de que utiliza o
hidrogénio líquido como combustível. Este motor tem de sofrer certas
adaptações para conseguir um baixo ritmo de manutenção. Vários
componentes como vedante, tubos e mesmo os pistões do motor têm de sofrer
alterações na forma e nos materiais utilizados para suportar as baixas
temperaturas do hidrogénio líquido e para suportar o baixo poder lubrificante do
hidrogénio líquido quando comparado com a gasolina e o diesel.
A BMW foi a única marca que se empenhou no desenvolvimento de um motor
movido a hidrogénio, não com a configuração de células de hidrogénio (como
marcas concorrentes) mas utilizando um formato de motor já conhecido – o
motor de combustão interna.
Temos como exemplo prático o Hydrogen 7, o automóvel da BMW baseado no
seu modelo 7, com um motor bi-fuel, ou seja, suporta tanto a combustão de
hidrogénio como a combustão de gasolina. O facto de este motor ter a
capacidade de trabalhar a ambos os combustíveis oferece uma oportunidade
de utilização deste automóvel mesmo em locais onde não hajam postos de
abastecimento preparados para hidrogénio tornando o carro bastante versátil.
A transição entre os dois tipos de combustíveis pode ser feita através de um
botão apenas sem que o automóvel necessite de estar parado.
Mas, o que realmente é de notar neste automóvel é a construção do depósito
que têm de suportar temperaturas na ordem dos 250ºC negativos em ordem a
manter o hidrogénio na sua forma líquida, visto que é a forma mais segura de
armazenar e de manter o rendimento máximo do hidrogénio. No entanto, este
depósito só alberga 8 kg de hidrogénio líquido e este motor consome cerca de
4 kg de hidrogénio por cada 100 km. Assim, a autonomia do automóvel a
hidrogénio é ainda reduzida.
Embora o rendimento do hidrogénio líquido seja 3 vezes superior ao
rendimento da gasolina, o facto de não se poder armazenar grandes
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quantidades de hidrogénio líquido e o facto de a combustão do mesmo ser 10
vezes mais rápida que a combustão da gasolina faz com que ainda seja cedo
para se pensar neste tipo de motores como uma alternativa imediata aos
motores de combustão interna tradicionais embora existam versões
concepcionais de alguns veículos a hidrogénio a ultrapassaram os 300 km/h.
A segurança é um ponto fulcral a ter em conta no desenvolvimento de um carro
a hidrogénio e o facto de, embora o depósito seja extremamente bom no
isolamento térmico, as variações ínfimas de temperatura ou de pressão podem
pôr em risco o automóvel e aumentar a probabilidade de explosão. Assim, foi
incorporado no depósito válvulas especiais para deixarem sair hidrogénio
sempre que a pressão aumente dentro do depósito, evitando explosões ou
intoxicações.
Em termos de emissões, este tipo de motores são óptimos pois os únicos
gases emitidos são vapores de água (também emitem CO2 mas em
quantidades ínfimas).
Quanto às alterações de infra-estruturas, teriam de ser enormes pois os postos
de abastecimento actuais não suportam as dificeis condições necessárias para
o abastecimento de hidrogénio (temperaturas baixas e pressões muito altas).
Teriam de ser revistas os protocolos de segurança tendo em conta que o
hidrogénio é dificil de armazenar em segurança. Esta é uma das desvantagens
dos automóveis movidos a hidrogénio.
Fig. 8 - Motor V12 A hidrogénio e gasolina da BMW [8]
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2.5 Células de Combustível
Uma célula de combustível é uma célula electroquímica que produz energia
através de uma reacção química entre, neste caso, o hidrogénio e o oxigénio.
Como em qualquer bateria, têm de haver dois reagentes fornecidos do lado do
ânodo e do lado do cátodo da bateria, neste caso, o hidrogénio é fornecido do
lado do ânodo enquanto que o oxigénio é fornecido do lado do cátodo. Visto
que esta bateria têm fornecimento constante, não precisa de ser recarregada.
Este tipo de célula é composto por um ânodo e um cátodo separados por um
electrólito. O electrólito é coberto por uma fina película de platina que serve de
catalisador à reacção da separação dos protões do hidrogénio e dos electrões..
O hidrogénio entra do lado do ânodo e é separado em protões e electrões. Os
electrões são obrigados a passar por um circuito que faz trabalhar o motor
eléctrico do automóvel e as restantes componentes eléctricas do automóvel até
regressar ao cátodo onde se liga aos portões que passam na membrana
electrolítica polimérica (electrólito) e ao oxigénio formando água. O gás que
provêm desta reacção electroquíca é o vapor de água, o que torna esta
tecnologia uma tecnologia ambientalmente correcta.
O que distingue as várias células de combustível é o material que compõe o
electrólito no centro da célula, havendo variações no tipo de material mas não
na sua função.
Estas baterias de células são ainda bastante caras para um carro
economicamente viável, pois o uso da platina como catalisador e o uso de
electrólitos permeáveis a protões e impermeáveis a electrões fazem os preços
destas células disparar.
O que torna esta tecnologia verdadeiramente promissora é o facto de estas
células produzirem tanta energia como um motor de combustão interna
tradicional comparativamente ao tamanho de cada célula. No entanto, para
movimentar um carro, é preciso uma bateria com dezenas de células em série
para fornecer energia eléctrica que depois será conduzida para um motor
eléctrico mas, mesmo estas baterias, acabam por ser mais pequenas que um
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motor normal e de terem zero emissões poluentes. A energia proveniente desta
bateria, à semelhança das baterias normais, é energia eléctrica sob a forma de
uma corrente contínua. Por isso, normalmente utilizam-se motores de corrente
contínua sem escovas por necessitarem de muito pouca manutenção e
estarem preparados para este tipo de corrente eléctrica.
Estas baterias têm um rendimento aproximado de 50%. A restante energia é
convertida em calor. No entanto, estas baterias não costumam ultrapassar os
80ºC, portanto, os restantes materiais e componentes do carro não teriam de
suportar grandes temperaturas.
Em termos de infraestruturas, este tipo de veículos sofre dos mesmos
problemas dos veículos de combustão do hidrogénio. O verdadeiro problema
ambiental não se centra nas células movidas a hidrogénio mas sim no
processo de fabricação do hidrogénio.
Actualmente, grande parte do hidrogénio que se produz provem do metano que
é extraído nos poços de petróleo e, mesmo assim, requer bastante energia a
decompor o metano em moléculas de hidrogénio.
Existe também a possibilidade de retirar hidrogénio através da hidrólise da
água mas esse é um processo que requer grandes quantidades de energia,
baixando o rendimento energético final do hidrogénio para o nível do pior motor
de combustão interna a gasolina actual.
Fig. 9 - Esquema de um carro com um sistema de baterias a hidrogénio [9]
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3 Tendências Futuras
3.1 Desenvolvimento sustentado (energia e materiais)
A mecânica automóvel é muito antiga se considerarmos o primeiro motor de
combustão interna lançado em 1885 na Alemanha, contudo devido às
necessidades, ao avanço tecnológico e ambição do Homem, os motores e as
formas de energia foram evoluindo de uma forma não sustentável, contribuindo
para gastar quase na totalidade a fonte de energia mais evoluída e rentável até
ao dia, o petróleo.
Este por sua vez evolui de tal maneira que se tornou um recurso, sem o qual a
vida moderna, tal como a conhecemos, não seria possível, é uma das maiores
fontes de energia mundial, e é utilizado quer como combustível quer para gerar
electricidade.
Até esta altura as preocupações com o ambiente eram inexistentes o que levou
a uma grande poluição do solo, do ar e da agua (derrames, emissões de CO2)
o que por sua vez fez com que o Homem sentisse a necessidade de se
preocupar com o ambiente, reinventando numa perspectiva interactiva
sustentada a nível económico, ambiental e social, novas formas de energia,
que não poluem e são acessíveis.
Estas inovações aplicadas aos motores automóveis foram acompanhadas por
uma evolução dos materiais usados nestes, no seu interior e na carroçaria.
Fig. 10 - Esquema representativo das várias componentes do desenvolvimento sustentável [10]
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Energia
A necessidade de levar uma vida mais independente do petróleo, aliado ao
factor do seu esgotamento e à poluição, que permitisse ao Homem
movimentar-se rapidamente e de forma económica fez com que se utilizassem
novas fontes de energia renováveis, cuja mais valia reside no facto de estas
(energia eólica, solar, geotérmica, hidrogénio, biomassa, nuclear, entre
outras…) se regenerarem à escala da vida humana, pela imensa quantidade de
energia que contêm, e porque são capazes de se regenerar por meios naturais.
Como grande parte do petróleo era utilizado nos transportes a evolução da
indústria automóvel tem vindo a desenvolver automóveis que utilizem energia
mais limpa.
-Actualmente põe-se a possibilidade de o hidrogénio ser a energia do futuro, de
libertar o mundo da dependência do petróleo, embora ainda não seja uma
alternativa credível ao petróleo os grandes construtores automóveis mundiais
estão a investir em força no desenvolvimento de motores híbridos que
funcionam com combustíveis fosseis (gasolina, gasóleo ou gás natural) e
hidrogénio.
Ao nível da produção, o hidrogénio pode ser obtido através do petróleo (uma
solução que não evitaria a dependência do "ouro negro") ou da água,
separando os elementos que a compõem (hidrogénio e oxigénio) através de
uma corrente eléctrica (electrólise). Na armazenagem, para que o hidrogénio
mantenha o poder energético, é necessário conservá-lo a uma temperatura
negativa (- 253º).
Do ponto de vista energético, a pilha de combustível é mais eficiente do que os
derivados do petróleo. É um método mais limpo porque só emite vapor de água
e, sendo uma tecnologia electroquímica, não emite ruído.
Já do ponto de vista da capacidade energética, o hidrogénio ainda não está ao
nível do petróleo. Todos os dias desenvolvem-se pilhas mais pequenas e mais
densas, mas ainda não se podem comparar porque o motor de combustão
interna atingiu os seus limites e a pilha de combustível ainda está no seu início.
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-Os carros solares também podem vir a ser uma alternativa aos modelos
motorizados actuais pelo facto de estes converterem os raios solares em
energia eléctrica utilizável. Contudo a utilização da energia solar em serviços
de transporte ainda está longe de se tornar uma realidade devido às
dificuldades práticas que envolvem todo o processo, tanto que, a maioria
destes carros construídos ate hoje foram para corridas.
A produção do carro solar baseia-se no sistema eléctrico do veículo. O sistema
controla os fluxos de electricidade a partir de células foto voltaicas para as
baterias, para as rodas, e para os controlos. O motor eléctrico que move o
veículo é alimentado exclusivamente pela electricidade produzida pelas células
solares. As células solares, dependendo do número instalado no veículo,
podem produzir mais ou menos 1000 watts de potência a partir dos raios
solares. Para se ter uma ideia, 1000 watts é apenas electricidade suficiente
para alimentar um ferro eléctrico, ou mesmo uma torradeira.
Por esta razão conseguimos ver o porque de os carros solares ainda não
estarem em produção comercial. Actualmente, as células solares apenas
conseguem aproveitar 21% da energia solar que atinge a superfície, talvez
quando existirem painéis fotovoltaicos mais eficientes se possam vir a
comercializar estes automóveis.
-Também já existe um motor que é movido por uma tecnologia que utiliza única
e exclusivamente a energia magnética através de rotores e ímanes activados
pela proximidade e que geram tanta força quanto um motor de combustão e
mais força do que um motor eléctrico. Este motor não gera nenhum tipo de
poluente, visto que ele não utiliza uso de óleos, nem baterias para gerar
movimento. Trata-se de tecnologia de ponta, que está em fase de testes no
Japão.
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Materiais
A necessidade de tornar os carros mais eficientes, mais baratos e resistentes
passou também por avanço a nível dos materiais e nas suas aplicações.
Temos aí a nanotecnologia que exige processos e operações a nível molecular,
aumentando a capacidade de manipulação dos materiais, pelo que já hoje
todas as grandes montadoras desenvolvem pesquisas na área, com aplicações
que vão desde novos materiais – com estudos voltados para a melhoria dos
componentes e que abrangem materiais como metais, tintas, plásticos e vidros
– a sistemas de energia, inteligentes e nanoeletrônica. Um exemplo
interessante são os nanocompostos, que permitem a criação de películas
protetoras autoregenerativas nos automóveis, à prova de riscos na pintura e
poeira. Estas películas, além de serem mais finas, permitem maior duração da
pintura nas superfícies do carro, reduz os reparos por riscos e são mais leves
que as convencionais. As pesquisas com nanotecnologia também estão a ser
aplicadas para controlar as propriedades ópticas dos vidros e superfícies
transparentes, permitindo “sintonizar” as frequências da luz que se queira
permitir passar, tambem possuem uma fina camada de óxido de titânio impede
o acúmulo de água, poeira, bactérias e fungos, dispensando o uso do limpador.
Além da nanotecnologia, os materiais considerados tradicionais também
evoluem na aplicação. As preocupações com meio ambiente, sustentabilidade
e custos de desenvolvimento, bem como segurança e redução de peso, que
afetam o uso desses materiais como o aço, alumínio e os polímeros.
Então, diante de todos estes desenvolvimentos em materiais, podemos
vislumbrar um futuro com veículos mais leves, robustos, rápidos, seguros e
inteligentes, e ao mesmo tempo virtualmente não-poluidores.
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4 Conclusão
Terminado o relatório, podemos daqui concluir que, existem imensas
possibilades de escolha no que diz respeito a utilizar sistemas de propulsão
alternativos na propulsão automóvel. Num mundo em que cada vez precisamos
de pensar no ambiente, que se vai degradando, muito por culpa da poluição
provocada pelos veículos que conduzimos, pensar nestas alternativas é
imperativo. Apresentamos aqui cinco possíveis soluções, umas mais
exequíveis do que outras. No entanto, a grande conclusão que devemos tirar é
que cada uma delas se adequa melhor a diferentes situações. Por exemplo,
enquanto que a turbina a gás é uma péssima opção para os automóveis,
adaptando-se melhor a maquinas grandes e pesadas que precisem de uma
grande energia para se moverem, o motor eléctrico seria uma boa opção para
os carros se movimentarem dentro das cidades.
E surge a questão. De que forma se deve apostar nestas alternativas? Será
que devemos escolher uma e apostar nessa? Ou será mais sensato apostar
menos em cada uma mas em todas?
A nosso ver, a melhor opção seria apostar nestas soluções todas, uma vez que
todas elas têm os seus benefícios, e tentar conciliar o uso destas com o do
motor de combustão interna. É impossível apostar numa solução apenas e
tentar descartar o motor de combustão interna, dado que todas as condições
que existem actualmente foram projectadas para este tipo de motor, o que
significa que implicaria prejuízos enormes alterar as infraestruturas de
abastecimento completamente.
Assim a aposta nestas alternativas deve ser feita de um modo progressivo e
sustentado, para que seja possível ir reduzindo a dependência dos
combustíveis e de um único tipo de sistema de propulsão.
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5 Referências
Livros:
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6 Anexos
1. Esquema dos vários tipos de Motores Eléctricos
Anexo 1
SS II SS TT EE MM AA SS DD EE PP RR OO PP UU LL SS ÃÃ OO AA UU TT OO MM ÓÓ VV EE LL
MM OO TT OO RR EE LL EE CC TT RR II CC OO EE SS II SS TT EE MM AA SS
AA LLTT EE RR NN AATT II VV OO SS DD EE PP RR OO PP UU LL SS ÃÃ OO AA UU TT OO MM OO VV EE LL
Grupo MMM 502
FEUP
Outubro de 2009
