Iniciando as comemorações dos 30 anos da Sobratema, nesta edição a Revista M&T traz um resumo das principais características que alçaram a tecnologia de equipamentos híbridos ao topo das pesquisas (e investimentos) nos últimos anos. Publicado no periódico Advances in Mechanical Engineering (AIME), o artigo “Uma visão abrangente do maquinário híbrido de construção” – que embasa este material – revisa o estado da arte em pás carregadeiras de rodas e escavadeiras híbridas, com foco em configurações de trem de força, dispositivos de armazenamento e estratégias de gerenciamento de energia.

Assinado pelo pesquisador chinês Jixin Wang e sua equipe da Jilin University, o trabalho demonstra como as máquinas híbridas de construção (HCM, de Hybrid Construction Machinery, do original em inglês) podem reduzir continuamente o custo de propriedade e o consumo de combustível, graças aos avanços da tecnologia e ao suporte de governos e fabricantes à pesquisa.

Mais que isso, com o crescente foco em economia de energia e redução de emissões, as recentes aplicações de tecnologias híbridas também afetam o desenvolvimento da própria indústria de equipamentos para construção. “As HCMs têm potencial para ampliar o mercado de máquinas para construção no futuro”, asseguram os autores.

De fato, como destaca o estudo, a tecnologia híbrida desponta como o futuro mais promissor para as máquinas de construção. No entanto, muitos obstáculos ainda têm de ser superados. Diferentemente das máquinas tradicionais, é preciso dispor de um dispositivo adicional de armazenamento de energia e, além disso, realizar uma adaptação profunda da configuração original do trem de força, o que aumenta consideravelmente seu custo inicial de aquisição.

E este é um fator-chave para a aceitação pública e o reconhecimento destas tecnologias. O preço de uma escavadeira híbrida, por exemplo, é aproximadamente 20% a 50% maior que o de uma máquina de linha padrão, o que faz com que seja mais difícil de ser aceita. Por outro lado, embora a tecnologia híbrida – particularmente os dispositivos de armazenamento de energia – ainda esteja em seus estágios iniciais, a redução dos custos e a adaptação às novas tecnologias são sinais promissores. “Estima-se que o custo das baterias de íons de lítio tenha caído aproximadamente 14% ao ano entre 2007 e 2014, de US$ 1.000 por kWh para aproximadamente US$ 410 por kWh”, exemplifica Wang.

PROPOSTAS

No campo teórico, as tecnologias elétricas e híbridas são duas maneiras eficazes de conservação de energia e redução de emissões, obtendo visibilidade na indústria automotiva. No entanto, devido ao seu peso elevado, baixa velocidade e modo operacional, a tecnologia elétrica ainda não pode ser aplicada diretamente ao maquinário de construção. “As soluções elétricas provavelmente serão um dos próximos estágios de desenvolvimento das máquinas híbridas”, afirmam os pesquisadores. “No entanto, até chegar a isso, um amplo esforço de pesquisas ainda precisa ser conduzido.”

Enquanto isso não acontece, a tecnologia híbrida é a que vem chamando mais a atenção de fabricantes, governos e pesquisadores, na missão inadiável de reduzir as altas taxas de consumo de combustível e reduzir os impactos ambientais. E com as máquinas híbridas atraindo mais atenção, muitas propostas têm sido apresentadas por pesquisadores nos últimos quinze anos. Particularmente, pás carregadeiras de rodas e escavadeiras híbridas, duas das máquinas mais importantes do setor, têm feito um significativo progresso nesse campo.

CARREGADEIRAS

Sabe-se que as frequentes partidas e paradas das carregadeiras e o peso elevado dessas máquinas geram quantias significativas de energia na frenagem, que geralmente são perdidas. Assim, para usar efetivamente essa energia e manter o motor em sua condição operacional mais eficiente, muitos fabricantes e pesquisadores têm estudado versões híbridas dessas famílias.

A Hitachi, por exemplo, lançou a primeira carregadeira híbrida do mundo em 2003, enquanto a Komatsu desenvolveu a primeira escavadeira comercial cinco anos depois. Em 2010, um estudo (Lin et al.) analisou as diferenças entre automóveis híbridos e máquinas pesadas híbridas, definindo as aplicações de propulsores híbridos e sistemas de regeneração de energia. Desde então, os desafios que os pesquisadores e fabricantes enfrentam na área têm sido discutidos intensamente.

Como explicam os especialistas, em pás carregadeiras existem três tipos de design híbrido de trem de força: em série, em paralelo e em série/paralelo. O primeiro tem sido aplicado principalmente em equipamentos de grande porte, enquanto as configurações em paralelo e em série/paralelo ainda continuam no estágio de pesquisas.

No trem de força híbrido em série, o motor aciona um gerador elétrico, que por sua vez aciona o motor elétrico. Desacoplado mecanicamente das rodas, o motor pode operar em sua condição mais eficiente de velocidade e torque. A desvantagem é que a potência muda duas vezes de natureza, do mecânico para o elétrico (em geradores elétricos) e novamente do elétrico para o mecânico (no motor elétrico). Além disso, o gerador e o motor elétrico precisam atender a uma demanda máxima de potência.

A configuração híbrida em paralelo, por sua vez, utiliza duas fontes de potência para acionar diretamente o equipamento. Em muitos casos, o motor pode entregar torque diretamente para as rodas, sem conversão de energia. A desvantagem é que o motor não pode ser mantido sempre em uma condição de máxima eficiência, pois permanece acoplado mecanicamente às rodas, o que reduz a possibilidade de economia de combustível. Atualmente, os dois tipos mais estudados de pás híbridas em paralelo incluem a pá carregadeira de rodas híbrido-elétrica (HEWL), que utiliza supercapacitores para armazenagem, e a versão hidráulico-híbrida, que utiliza um acumulador para esse fim.

Já no tipo em série/paralelo, a máquina é acionada em paralelo, com o mecanismo hidráulico acionado em série. A vantagem é que o sistema hidráulico pode trabalhar de forma independente do motor, fazendo com que a rotação ociosa do motor possa ser anulada. A potência requerida pelo dispositivo pode ser fornecida de forma flexível utilizando-se uma bomba, que é acionada pelo motor hidráulico. Até o momento, essa configuração tem sido apontada como a melhor solução, considerando aspectos como economia e viabilidade. No entanto, ainda continua em estágio de pesquisa, sendo que a LiuGong já apresentou uma patente específica.

"Em uma série de artigos e reportagens que se inicia nesta edição, a Revista M&T repassa os principais avanços tecnológicos obtidos nas últimas três décadas no setor de máquinas e equipamentos para construção e mineração. Integrando as comemorações de 30 anos da Sobratema, a série se estenderá até setembro, quando se celebra oficialmente a fundação da principal entidade do setor no país."

ESCAVADEIRAS

Na outra frente, a escavadeira é um tipo de equipamento de peso elevado e consumo mais alto de energia. Todavia, as estatísticas mostram que, geralmente, um índice de 65% a 70% do trabalho de movimentação de terra é executado por essas máquinas, cujo desempenho continua a crescer. Tipicamente, uma escavadeira híbrida pode reciclar dois tipos de energia: energia cinética de frenagem de giro e energia potencial gravitacional da lança e braço.

Também para estas máquinas utilizam-se configurações em série, paralelo e série/paralelo. Na escavadeira híbrida em série, o motor aciona o gerador que, por sua vez, aciona diversos motores elétricos independentes (quatro, no caso da Kobelco, que em 2007 desenvolveu um protótipo híbrido de 6 t nesta configuração). Estes, por sua vez, acionam bombas hidráulicas e o motor hidráulico do giro. “Não obstante, a mudança radical de configuração – comparada à convencional – e o custo adicional de componentes elétricos resultam na inviabilidade de comercialização imediata desta máquina”, descreve a pesquisa.

O motor de uma escavadeira híbrida em paralelo faz com que a bomba hidráulica e o gerador atuem em paralelo. Nesse arranjo, a bomba aciona o circuito hidráulico do implemento, que é similar ao das escavadeiras convencionais, ao passo que o gerador aciona o motor elétrico de giro. Seu custo adicional de produção é o mais baixo dos três tipos de configurações, mas o consumo de combustível é mais alto e o tempo de retorno sobre o investimento, maior. Tanto a New Holland quanto a Hitachi já utilizam configurações similares a esta, com a diferença de que a escavadeira híbrida da fabricante japonesa pode reciclar tanto a energia cinética de frenagem do giro como a energia potencial gravitacional da lança.

Por fim, na configuração de trem de força em série/paralelo de uma escavadeira híbrida, o motor aciona diretamente o gerador, as bombas hidráulicas são acionadas em série pelo gerador e o motor do giro é acionado em paralelo por gerador, bateria ou supercapacitor.  “Embora o consumo de combustível deste design seja maior do que dos de configuração em série e os custos de produção sejam maiores se comparados com a configuração em paralelo, ele oferece um tempo de retorno mais curto”, destaca o estudo, uma dos mais completos já realizados sobre o tema.

Isso faz com que a escavadeira híbrida com trem de força em série/paralelo seja identificada como a melhor solução entre as configurações existentes, considerando economia e confiabilidade. Fabricantes como Komatsu, Kobelco e Doosan adotam configurações deste tipo, mas outros fabricantes também vêm se empenhando no seu desenvolvimento. “A Hyundai e a Universidade de Hanyang (Coreia do Sul) recentemente publicaram um artigo sobre a viabilidade de um mecanismo de distribuição de potência de uma escavadeira híbrida tipo plug-in”, escrevem os autores. “No entanto, tais aplicações ainda são difíceis de serem postas em prática, principalmente devido às limitações no uso de baterias.”

ENTREVISTA

Confira abaixo entrevista com o gerente geral de vendas e marketing da Komatsu, Luciano Rocha, sobre a evolução das tecnologias híbridas em âmbito global.

Qual é a inserção da tecnologia híbrida na indústria atualmente? Ela emplacou?

A tecnologia híbrida é uma realidade não só no portfólio de produtos da Komatsu do Brasil, bem como na indústria automotiva em geral. Mas a Komatsu, na vanguarda do desenvolvimento desta tecnologia a nível global, foi a primeira fabricante a viabilizar comercialmente a incorporação desta tecnologia em equipamentos de construção.

Qual é a aceitação no Brasil?

As máquinas foram muito bem-aceitas no Brasil, onde a Komatsu, por meio de sua rede de distribuição, já vendeu 48 escavadeiras hidráulicas com tecnologia híbrida, principalmente nas regiões Sul e Sudeste do país. A tecnologia demonstrou muitas vantagens, tanto em aumento de produtividade como em consumo de combustível. Estas máquinas continuam operando em ótimas condições, sendo monitoradas periodicamente pelo sistema de telemetria da Komatsu, o Komtrax.

Qual foi o primeiro equipamento híbrido a chegar ao país?

Em março de 2011, a companhia iniciou a montagem em Suzano (SP) da primeira escavadeira hidráulica híbrida do Brasil, a HB205-1. Entre 2011 e 2014, foram comercializadas 48 unidades no país.

Em que estágio essa tecnologia está em termos globais?

Hoje, a Komatsu possui dois modelos de escavadeiras hidráulicas disponíveis em seu portfólio global, de 21 e 35 toneladas. Em todo o mundo, já foram comercializadas mais de 2.000 destas escavadeiras híbridas. Além disso, há anos a eletromobilidade está presente em caminhões fora de estrada de alta tonelagem da marca.

Essa tecnologia ainda pode dominar o setor?

A Komatsu entende que a tecnologia híbrida é uma das tendências no desenvolvimento de produtos para os setores de construção e mineração, na busca por maior eficiência e menores níveis de emissões, mas não é a única. Hoje, já estamos fabricando e comercializando máquinas inteligentes com tecnologia autônoma e de interconectividade, além de usarmos tecnologias já disponíveis para melhorar a eficiência da gestão de obras e canteiros dos nossos clientes com o apoio de drones, por exemplo.

ARMAZENAMENTO

Isso traz outro ponto ao debate. Para promover um desenvolvimento mais rápido das HCMs, o uso de dispositivos para armazenamento de energia precisa evoluir. Isso porque a eficiência na utilização de energia em máquinas de construção é relativamente baixa, sobretudo pela perda de energia (potencial ou cinética) durante a operação. Contudo, a eficiência do sistema pode ser melhorada com a implementação de dispositivos de regeneração que recuperem a energia liberada.

Atualmente, os dispositivos mais utilizados para esse fim incluem baterias, supercapacitores, acumuladores hidráulicos e volantes (Flywheel Energy Storage System – FESS, em inglês). As baterias vêm se tornando a solução mais amplamente estudada em veículos elétricos híbridos (HEVs), com aplicações divididas em três tipos: íons de lítio (Ion-Li), níquel-hidreto metálico (Ni-MH) e chumbo-ácido (Lead-Acid).

Recentemente, as baterias de íons de lítio passaram a ser vistas como as tecnologias do tipo com as maiores possibilidades de aplicação, devido à sua maior capacidade de armazenamento, amplitude de temperatura operacional, maior disponilidade de material, baixo impacto ambiental, segurança e potencial de redução de custos. Embora tenham a maior densidade, normalmente levam um longo tempo para recuperar a energia, devido à dependência de reações químicas para armazená-la.

Já os supercapacitores têm sido vistos como os dispositivos mais apropriados para armazenamento de energia em trens de força híbridos, sendo projetados para preencher a lacuna entre as baterias e os capacitores. Este dispositivo pode ser classificado como um capacitor de camada dupla ou pseudocapacitor, de acordo com os diferentes modos de carregamento.

Sua maior vantagem é a carga/descarga mais rápida, que permite armazenar com rapidez a energia potencial ou regenerativa de frenagem e assegurar maior aceleração. Ao mesmo tempo, tem alta densidade de potência e fornece pulsos de mais de 1.000 W/kg, com uma vida útil que pode alcançar mais de 500 mil ciclos. “A desvantagem é a baixa densidade de energia, na faixa de 2 Wh/kg, o que limita o armazenamento”, pontua a pesquisa. “Desse modo, os atuais supercapacitores ainda têm dificuldades em suprir a densidade de energia necessária às HCMs.”

Outras duas opções têm sido pesquisadas. Essencialmente, o acumulador hidráulico exerce uma das seguintes funções nos circuitos hidráulicos: reduzir as flutuações de pressão criadas pelas variações no fluxo ou armazenar energia para melhorar a eficiência do sistema ou permitir transições de alta potência. No entanto, sua função primária se dá como dispositivo de apoio de potência para a HCM.

A estrutura converte a energia recuperável para a forma hidráulica, armazenando-a em um acumulador e liberando-a por meio da utilização de componentes secundários ou cilindros auxiliares. Comparado aos sistemas híbridos elétricos compostos por baterias ou supercapacitores, um acumulador hidráulico tem a vantagem de obter maior densidade de potência, sendo ideal para ciclos frequentes de partida-parada.

Outro ponto é que os sistemas de trem de força híbrido-hidráulicos obtêm melhores resultados que o motor elétrico a baixas velocidades, uma condição importante para as HCMs, além permitir maior eficiência de ciclo para dispositivos de armazenamento de energia e menores perdas mecânicas, devido à menor relação de transmissão na caixa de engrenagem.

No entanto, a aplicação de sistemas de trem de força híbrido-hidráulicos em HCMs continua encontrando diversas dificuldades, como o impacto de uma densidade limitada de energia, que cria um desafio de engenharia no sentido de conciliar a capacidade de armazenamento com o volume e o peso.

Há ainda o sistema de armazenamento de energia usando volantes, que apresentou considerável evolução nos anos recentes devido ao desenvolvimento de novas topologias de circuitos e materiais como fibra de carbono, por exemplo. Com isso, este sistema tornou-se um dos mais comuns para aplicação em veículos híbridos, mas para HCMs seu uso ainda permanece na fase de patente.

Sua estrutura é complexa, incluindo motor/gerador, sistema de mancais, câmara de vácuo, volante, eletrônica de potência e outros itens auxiliares. Quando em carregamento, o motor elétrico aciona o volante para armazenar uma grande quantidade de energia cinética (energia mecânica), enquanto que, na descarga, aciona o gerador, convertendo energia cinética em elétrica. A energia perdida na conversão é recuperada com o uso do FESS.

Dentre as vantagens, incluem-se a alta densidade de energia e potência, baixa manutenção, alta tolerância à temperatura, leveza e baixo custo de produção, além de um número de ciclos independente da temperatura e profundidade de descarga. “Este sistema tem um ciclo de vida muito mais longo”, enfatiza Wang, contrastando desvantagens como o tempo limitado de armazenamento e perdas consideráveis por autodescarga. “À luz dessas características, contudo, potencialmente o FESS é um dispositivo de armazenamento que também pode ser utilizado por HCMs”, conclui o estudo.

TENDÊNCIAS

Por enquanto, o uso de um só dispositivo torna difícil o atendimento a todos os requisitos necessários, a não ser que estes passem por uma incrível revolução. Assim, sistemas mistos ou soluções integradas (um conjunto de baterias, dois ou mais conjuntos em série/paralelo, uma combinação de baterias e supercapacitores ou mesmo conjuntos acumulador bateria ou acumulador-volante) podem vir a permitir a cada dispositivo mostrar suas vantagens e compensar as deficiências dos demais, o que faz do desenvolvimento desses sistemas uma das principais tendências para o futuro no setor. Como baterias e supercapacitores têm suas limitações, não tendo condições de serem usados isoladamente, será preciso continuar a usar um motor de combustão interna como fonte principal de energia.

Além disso, é possível que a pá carregadeira com motores nas rodas seja o próximo passo do desenvolvimento desse produto. A vantagem das rodas com motor elétrico individual é que não só armazenam energia como ainda controlam a força de acionamento de cada eixo em máquinas com tração nas quatro rodas, de modo a otimizar o desempenho operacional.

Tais máquinas ainda estão na fase de protótipos. Embora quase todas possam recuperar a energia de frenagem, são poucas as que conseguem armazenar a energia produzida pelo implemento hidráulico. A tendência, portanto, é o uso das três configurações nas pás carregadeiras (usando-se em série para máquinas maiores) e de uso de configuração em série/paralelo nas escavadeiras, todas com sistemas integrados de armazenagem de energia. O tempo dirá.