Alternativas imediatas e futuras para a tração no transporte

Revista dos Transportes Públicos - ANTP - Ano 24 - 2002 - 1º trimestre
TECNOLOGIA DE TRAÇÃO
Admite-se como extremamente proveitosa esta nova tendência no
uso da energia em transportes urbanos, o que torna bastante oportuna a discussão dos conceitos que lhe dão sustentação, as vantagens
e limitações que caracterizam a sua utilização pioneira no limiar do
novo milênio.
Alternativas imediatas e
futuras para a tração no
transporte público urbano
AN P
Cesar Cavalcanti de Oliveira
AS DIFICULDADES ENFRENTADAS
Associação Nacional de Transportes Públicos - ANTP
Programa de Pós-Graduação em Desenvolvimento
Urbano - MDU/DAU/UFPE
As conseqüências ambientais dos transportes públicos que utilizam
combustíveis fósseis de maneira convencional não podem mais ser
ignoradas, haja vista sua intensidade e abrangência no ambiente
urbano. O desperdício de energia, as implicações negativas sobre a
saúde pública e a paulatina deterioração do patrimônio construído e
natural das cidades contemporâneas refletem as grandes seqüelas
produzidas pela operação daqueles sistemas e sugerem a urgente
necessidade de se adotarem novas tecnologias de tração que as eliminem ou, pelo menos, as amenizem.
Neste contexto se insere a proposta de discutir e avaliar tecnologias
alternativas de tração que viabilizem a implementação de ações de
redução dos impactos ambientais da circulação urbana, conforme
prevê o terceiro tema da área de desenvolvimento urbano e social do
13º Congresso Brasileiro de Transporte e Trânsito. Essas tecnologias
compreendem basicamente a utilização da tração híbrida (seja no
estilo paralelo ou série, em especial este último), cuja disponibilidade
é imediata e, no médio prazo, a utilização da tecnologia de célula de
combustível, cujos aprimoramentos tecnológicos já estão desenhados, faltando tão-somente o equacionamento das questões econômicas e políticas que envolvem o uso de energia e da indústria automobilística do mundo desenvolvido.
É de se notar que no caso da tração híbrida, o Brasil já dispõe de
modelos em plena disponibilidade comercial, o primeiro deles operacional desde 1998, enquanto que no caso da célula de combustível
prevê-se a implementação, através da EMTU/SP, ainda no corrente
ano, de um programa piloto de aplicação da referida tecnologia, com
a participação e o apoio de entidades internacionais preocupadas com
o tratamento da questão ambiental do transporte sobre pneus.
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Os sistemas de transporte urbano de uma parcela significativa de
médias e grandes cidades do mundo em desenvolvimento deverão
iniciar o novo milênio enfrentando um elenco considerável de desafios
econômicos, políticos, ambientais e tecnológicos. Enquanto se elevam os custos dos serviços de transporte público (por razões de
segurança, proteção ambiental, conforto de usuários e tripulantes e
melhoria das condições de trabalho dos operadores), cresce o fascínio da classe média pela utilização do automóvel privado (traduzindose em pressão política em favor de ampliações da rede viária e outros
privilégios no uso desta infra-estrutura). Com isso, exacerbam-se as
conseqüências ambientais de um sistema de transporte centrado no
uso do carro individual (a Cetesb/SP calcula em 2 milhões de toneladas anuais, o montante de poluentes atmosféricos produzidos pelo
sistema de transportes da cidade de São Paulo). Isso leva à inevitável
conclusão de que a reversão de tal quadro exigirá um amplo leque de
medidas dirigidas especificamente a cada um dos fatores anteriormente apresentados.
No que se refere à poluição ambiental, mesmo considerando a diminuta participação do transporte público sobre pneus na degradação
da atmosfera urbana, urge a adoção de tecnologias de tração que não
apenas minimizem o seu efeito poluente, mas também se insiram
naquela categoria de poluição zero, tão necessária quanto oportuna
nas cidades deste final do século XX. Além disso, não se deve menosprezar a legítima preocupação com a preservação dos recursos energéticos naturais não renováveis, cujas aplicações alternativas apresentam resultados líquidos bem mais favoráveis para a sociedade do
que sua queima pura e simples como combustível de motores de
combustão interna (cabe lembrar que a eficiência dessas máquinas
térmicas situa-se abaixo do nível de 50% de aproveitamento energético, significando que mais da metade do valor energético do seu conteúdo é desperdiçado).
Nesse sentido, cabe conjeturar sobre a evolução das tecnologias de
tração para transporte público no próximo milênio, apontando suas
principais tendências tecnológicas, os principais efeitos de sua adoção sobre o aspecto da poluição ambiental e as dificuldades e/ou
desafios esperados ao longo desse processo.
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Alternativas imediatas e futuras para a tração no transporte público urbano
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Este artigo aborda o estágio atual em que se encontram as tecnologias de tração menos poluentes e conservadoras de recursos naturais, passando por uma perspectiva de curto prazo (onde alternativas
de veículos de tração híbrida são consideradas), até chegar ao médio
prazo, quando se vislumbra a implementação da célula de combustível cujo único resíduo para utilização é ... o vapor d’água!
o trolebus sem rede aérea, agora designado eletrobus; e a tecnologia
da célula de combustível ou pilha de combustível, desenvolvida no
programa espacial americano dos anos 60, a partir do princípio científico descoberto por sir William Grove em 1839.
A APLICAÇÃO DA ELETRICIDADE NO TRANSPORTE URBANO
Esta denominação se aplica geralmente aos veículos que utilizam
um pequeno motor diesel convencional, acoplado a um gerador de
eletricidade, que aciona um ou vários motores elétricos embarcados, ademais de alimentar uma ou mais baterias de atendimento às
sobrecargas na demanda de energia. A grande vantagem deste
esquema é que ele torna possível o aproveitamento de grande parte
das vantagens já indicadas na utilização da eletricidade, sem os
inconvenientes de custo, manutenção, intrusão visual e inflexibilidade de sua alimentação através de rede aérea, com o emprego de
uma pequena unidade diesel (ou mesmo de outras alternativas de
prime mover do tipo turbina a gás), que funciona em condições otimizadas de operação. Esta conjugação tecnológica permite que o
motor diesel opere em rotação constante, no seu regime mais eficiente, resultando dessa forma na maximização de sua durabilidade
e na redução dos índices de consumo, emissão de poluentes, de
ruído, de vibrações e de calor, em termos comparativos com as unidades convencionais.
O emprego da eletricidade como fonte de energia primária para a
tração de veículos de transporte apresenta vantagens significativas
sobre a alternativa de utilização do motor de combustão interna MCI: eficiência energética superior, torque elevado de rápido alcance, suave progressividade nos ciclos de aceleração, reaproveitamento de parte da energia de frenagem, funcionamento silencioso,
menor número de peças móveis com a conseqüente ampliação de
sua durabilidade e redução das necessidades de manutenção, inexigência de embreagem e caixa de marcha e inexistência de poluentes atmosféricos.
Entretanto, as condições de produção e/ou armazenamento de energia elétrica em veículos de transporte dificultava a generalização do
seu emprego. A saída mais viável para este impasse resultou, no final
do século passado, na criação, pelos alemães, do trolebus, caracterizado até hoje pela sua vinculação através de coletores de corrente
elétrica a uma rede aérea de manutenção delicada e custosa. As tentativas de utilização de baterias embarcadas apresentavam o inconveniente da baixa densidade de energia das mesmas, exigindo um
grande número de unidades cujo peso atingia níveis expressivos ou
implicava no encurtamento da autonomia do veículo empregado, em
função da necessidade de recarregamento das referidas baterias,
com o agravante de que tal operação exigia um longo período de
tempo para sua finalização.
Desenvolvimentos tecnológicos paralelos criaram a possibilidade da
obtenção de energia elétrica embarcada na quantidade e qualidade
exigidas pelos veículos de transporte rodoviário de passageiros. Estes
desenvolvimentos, surgidos em épocas distintas dos séculos XIX e XX
e aprimorados sob diferentes circunstâncias e motivações, resultaram
na consolidação de duas novas alternativas de motorização elétrica,
cuja aplicabilidade deverá ocorrer seqüencialmente, em função não
apenas do estágio tecnológico em que se encontram, como também
do contexto comercial e político no qual se inserem. As tecnologias
aqui referidas são: a do ônibus híbrido, que constitui uma espécie de
transição entre os veículos de MCI e aqueles que utilizam prime
movers de alimentação elétrica, ou seja, entre o diesel convencional e
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O ÔNIBUS HÍBRIDO
Cabe frisar que o combustível a ser utilizado pelo motor diesel pode
ter a mais variada procedência, desde as alternativas oriundas da biomassa, tais como o etanol e o óleo de dendê, dentre outras, até os
derivados mais nobres dos combustíveis fosseis dentre os quais se
incluem o gás metano, o gás natural comprimido e o gás liquefeito de
petróleo, contribuindo dessa forma para reduzir ainda mais os efeitos
poluentes de sua operação. Ademais, não se deve descartar a possibilidade do emprego de outras alternativas de prime mover como
anteriormente citado, dentre as quais pode-se incluir a própria célula
de combustível a ser em seguida apresentada.
Funcionamento do híbrido
O sistema de propulsão híbrida tem cinco grandes componentes, a
saber, um motor, um gerador de eletricidade, um banco de baterias,
um motor elétrico de corrente alternada e um sistema de controle. O
motor aciona o gerador de eletricidade, produzindo energia que é retificada pelo sistema de controle e dirigida para o banco de baterias e
para o motor elétrico. O acoplamento mecânico entre o motor e o gerador é feito de forma direta e através de uma rotação estável, sem a
necessidade de conexões ou embreagem.
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Alternativas imediatas e futuras para a tração no transporte público urbano
Dessa forma, o motor é dimensionado para trabalhar em regime otimizado, produzindo apenas a energia média requerida pelo ciclo operacional do ônibus urbano, com os picos de demanda sendo assistidos
pela energia armazenada nas baterias. Estas acumulam também a
energia produzida durante a frenagem regenerativa.
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Em outro parâmetro, como, por exemplo, o de poluentes por energia
dispendida, as vantagens são ainda mais significativas, como se pode
observar na tabela seguinte:
Emissões em gramas/kw.h
Norma européia
NOx
CO
HC
Partic.
Euro II
7,00
4,00
1,10
0,15
Euro III
5,00
2,00
0,70
0,10
Euro IV
3,50
1,50
0,45
0,05
Euro V
2,00
1,50
0,45
0,05
Eletra
Articulado
Inferior a
Euro III
Inferior a
Euro V
Inferior a
Euro V
Inferior a
Euro V
Ônibus diesel
convencional
Atende
somente
a Euro II
Atende
somente
a Euro II
Atende
somente
a Euro II
Atende
somente
a Euro II
Fonte: Eletra - Tecnologia de tração elétrica
Principais vantagens da propulsão híbrida
A: Sistema de controle
D: Banco de baterias
B: Motor
C: Gerador de eletricidade
E: Motor de corrente alternada
Fonte: Folheto da Lockheed Martin HybriDrive Propulsion System.
Desempenho observado
O superior desempenho que caracteriza o funcionamento dos veículos híbridos, pode ser constatado através de uma comparação do
nível de suas emissões atmosféricas e índice de consumo, com as de
seu equivalente diesel, como nos mostra a tabela abaixo:
As principais vantagens decorrentes do emprego da propulsão híbrida em veículos de transporte coletivo urbano são:
- redução significativa na emissão de poluentes atmosféricos (60%
abaixo da Euro II);
- potência reduzida do motor de acionamento do gerador, que é
dimensionado pela média;
- redução significativa do nível de ruído, equivalente ao de um trolebus;
- consumo de combustível inferior em 30% a 40% ao consumo do
diesel convencional;
- transmissão automática inerente ao sistema de tração elétrico, eliminando o câmbio;
- maior durabilidade do motor de acionamento do gerador;
- possibilidade de utilização de combustíveis alternativos (álcool,
CNG, diesel, etc.);
- possibilidade do emprego de diferentes tipos de motores (MCI, turbina, etc.);
- maiores taxas de aceleração e frenagem;
- maior durabilidade das lonas de freio, graças à frenagem elétrica;
- independência de fontes externas de energia e da rede aérea.
Diesel
CNG
Híbrido
NOx (gramas/milha)
31,5
20,8
10,6
Matéria particulada (gramas/milha)
0,66
0,03
0,03
Hidrocarbonetos totais (gramas/milha)
0,12
15,8
0,13
Monóxido de carbono (gramas/milha)
5,2
9,0
0,13
Fonte: Eletra - Tecnologia de tração elétrica
Consumo (milhas/galão)
3,4
2,8
5,8
Estágio atual de utilização
Fonte: Orion Bus Industries Fact Sheet, Canadá, 2000.
A perspectiva de entrada no mercado brasileiro e mundial desse tipo
de veículo já é uma realidade, a julgar pelo cronograma europeu de
exigência de veículos urbanos em obediência às normas Euro e a
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existência, no Brasil, de municípios que estão comprometidos com a
implantação das normas do Conama, derivadas das Euro, as quais
encorajam desenvolvimentos importantes, tais como:
- a existência de veículos híbridos sendo fabricados para operação
comercial, no Brasil, com tecnologia nacional, inclusive em demonstração em Santiago do Chile;
- os protótipos ferroviários e rodoviários do consórcio europeu ULEV
(Ultra Low Emission Vehicle) - TAP;
- os veículos norte-americanos operando com tecnologia LockheedMartin/BAE Systems, na cidade de Nova York;
- as inúmeras aplicações (ainda que em caráter demonstrativo) de
veículos híbridos nas mais variadas cidades do mundo, a exemplo
de Estocolmo, Gênova, Luxemburgo, Nuremberg, Stuttgart, Aalborg
e Orange Co. nos EUA.
Todos são indicações da iminência da franca entrada desta tecnologia no mercado.
A CÉLULA DO COMBUSTÍVEL
Esta tecnologia se baseia num processo eletroquímico, através do
qual a eletricidade é obtida pela reação química, em ambiente apropriado, do combustível hidrogênio com o oxigênio, resultando na
produção de uma corrente elétrica, e dos resíduos de calor e vapor
d’água. Trata-se, em outras palavras, de uma reação química inversa à da eletrólise da água. Dessa forma, a célula de combustível
poderá utilizar uma gama variada de combustíveis ricos em hidrogênio, uma vez que o armazenamento e manuseio deste último em
estado puro ainda apresenta dificuldades que contraindicam seu
emprego generalizado.
Funcionamento da célula
A célula de combustível pode ser imaginada como uma pilha convencional cujas fontes de combustível e comburente se situam
externas a ela. Trata-se, portanto, de um mecanismo eletroquímico,
sem partes móveis, em que um combustível e um oxidante reagem
diretamente entre si, produzindo eletricidade e produzindo, como
resíduo, vapor d´água.
Ao contrário do motor de combustão interna, cuja energia térmica precisa ser transformada em energia cinética, a célula de combustível permite a utilização direta da energia elétrica no motor de acionamento do veículo, obtendo, dessa forma, elevados ganhos de eficiência. As figuras a
seguir explicam o funcionamento da célula de combustível e o processo
pelo qual sua energia é dirigida ao motor de acionamento veicular.
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Fonte: http://www.amerlis.pt/fuel_cell/fuelcell.htm
Desempenho observado
Em termos de eficiência energética, a célula de combustível promete ser
pelo menos três vezes mais eficiente que a alternativa do MCI, uma vez
que ela prescinde da intermediação da energia mecânica na produção de
eletricidade a partir de uma fonte térmica, contando ainda com a vantagem da produção de uma eletricidade de excelente qualidade. Observese ainda que, por não apresentar partes móveis, a CF não produz ruídos
nem vibrações, o que resulta na redução de despesas de manutenção,
nos períodos de down time e na ampliação de sua durabilidade em termos comparativos com as alternativas de combustão interna.
Principais vantagens da célula de combustível
As maiores vantagens da célula de combustível são indicadas na relação a seguir:
- ausência de peças móveis que se traduz em elevada durabilidade;
- possibilidade de utilização de combustíveis alternativos (gás natural,
biogás, etc.);
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Alternativas imediatas e futuras para a tração no transporte público urbano
- temperatura de operação relativamente baixa, evitando a produção
de NOx;
- maior eficiência energética;
- ausência de câmbio e embreagem, característicos dos veículos
convencionais;
- elevada densidade de potência, da ordem de 1kw/kg;
- ausência de poluição atmosférica e de ruído, quando for viabilizada
a utilização do hidrogênio comprimido ou liquefeito. No caso da utilização de hidrocarbonetos, o sistema utiliza um reformador que fornece o hidrogênio para a célula, ainda assim com índices muito
reduzidos de emissão de poluentes.
Estágio atual de utilização
Os combustíveis a serem utilizados pelas células de combustível
serão selecionados de acordo com sua disponibilidade local e o
conteúdo/facilidade de obtenção do hidrogênio nele contido, bem
como pela existência de uma infra-estrutura de distribuição que
seja adequada às necessidades energéticas do transporte na
região servida.
Atualmente, as grandes dificuldades para a disseminação das células
de combustível residem nos campos tecnológico e econômico. A tecnologia ainda luta para encontrar uma forma adequada de armazenar
e manusear o hidrogênio nas condições de temperatura e pressão exigidas pela célula. No campo econômico, coloca-se a dificuldade inerente a toda inovação tecnológica que corresponde aos elevados custos associados ao desenvolvimento das mesmas. Além disso, será
necessário um longo período de maturação dos enormes investimentos realizados pelas indústrias automotiva e petrolífera nas tecnologias convencionais associadas aos motores de combustão interna.
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Nos países latino-americanos, como é sabido, o equilíbrio de tarifas,
subsídios e condição socioeconômica dos usuários têm posto em
cheque a função social do transporte e acirrado discussões sobre a
qualidade do mesmo. Tal realidade não autoriza prospecções de evolução sem considerar o ambiente ou o mercado envolvido. No entanto, devemos ter em conta que a busca de eficiência operacional
pelos operadores é compulsória e sempre buscada como condição
de sobrevivência ou de competitividade (supondo a existência de
competição). O que se observa com clareza cada vez maior é a tendência mundial na direção de criar condições para um melhor
ambiente urbano onde se insere o sistema de transporte público de
passageiros por ônibus, definindo inapelavelmente os contornos de
sua evolução, principalmente nas cidades mais comprometidas e
degradadas.
No caso brasileiro, caberia a questão: a cargo de quem estaria o
desenvolvimento tecnológico do sistema de transporte público de
passageiros por ônibus? A resposta mais honesta que se poderia dar
seria: a quem mais tiver interesse ou perceber a necessidade real
deste desenvolvimento, do qual dependem a pujança econômica e a
qualidade de vida das cidades contemporâneas. E com esta afirmação, não se excluem os centros de tecnologia das universidades, nem
os critérios para concessão de recursos para o fomento da pesquisa
tecnológica ou científica, mas constata-se que, além destes, deve-se
considerar a importância de outros atores, a saber: os fabricantes de
motores e sistemas de propulsão, chassis, carrocerias e componentes, os operadores e os órgãos de gestão, dentre outros.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BLOMEN, L. J. M. J & MUGERWA, M. N. (1993) Fuel cell systems. Plenum Press, New
York.
GARCIA, J. F.; F. T. LOPEZ; J. C. A. ZABALA e M. S. Iriart (1997) El vehículo eléctrico tecnologia, desarrollo y perspectivas de futuro. McGraw-Hill, Aravaca (España).
CONCLUSÕES
As evoluções citadas e as perspectivas vislumbradas deixam a clara
visão de uma tendência que abrange diversos segmentos do sistema de transporte público de passageiros por ônibus que não estão
acontecendo por acaso, mas seguem na direção de atender exigências de um virtual “mercado”. Este pode ser entendido como um
impulsor de vários componentes que vão além do mercado de usuários e, na prática, incluem, ainda, imposições de órgãos gestores em
suas concessões ou permissões, exigências ambientais adotadas
pela sociedade, busca de eficiência pelos operadores, fabricantes
de veículos e componentes, ou mesmo pela conjugação de dois ou
mais dos fatores citados.
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HART, D.e A. BAUEN (1998) Fuel cells - clean power, clean transport, clean future.
Financial Times Energy, London.
JEFFERSON, C. (1998) Hybrid transport technology. Newsletter of the ULEV-TAP potential and-users associations. University of the West of England, Bristol.
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