Notoriamente, as tecnologias elétricas e híbridas são eficazes para conservação de energia e redução de emissões. Devido à intensidade das cargas, baixa velocidade e operação intermitente, torna-se difícil aplicar a tecnologia elétrica pura. E, embora as máquinas híbridas de construção (HCM) sejam a tendência mais promissora, ainda existem muitos obstáculos que precisam ser contornados para sua disseminação.

Os conjuntos híbridos de trem de força para carregadeiras e escavadeiras tiveram progressos significativos desde o lançamento da primeira pá carregadeira, pela Hitachi em 2003, e da primeira escavadeira, pela Komatsu em 2008.

Comparadas com as máquinas tradicionais, as HCMs necessitam de dispositivos de armazenagem de energia e precisam alterar as configurações de seu trem de força, elevando seu custo inicial. Atualmente, o preço de uma escavadeira híbrida é de 20% a 50% mais alto que uma máquina convencional.

Conjuntos híbridos de trem de força tiveram progressos significativos nas últimas décadas.Fonte: A comprehensive overview of hybrid construction machinery, 2016

ARMAZENAGEM

No que tange à armazenagem de energia, as baterias são o dispositivo mais estudado. Basicamente, três tipos têm atraído as pesquisas: íons de lítio, hidretos metálicos e chumbo ácido.

Até o momento, a tecnologia das baterias de íons de lítio é considerada a de maior potencial para aplicações em veículos. Em máquinas, contudo, o alto tempo de recarga faz com que a eficiência em aplicações rápidas, como a descida da lança (de 2 a 3 seg), seja baixa. Também pesam contra a vida útil curta e o custo mais alto em relação a outros dispositivos, embora venha caindo (14% ao ano entre 2007 e 2014).

Por sua vez, os supercapacitores foram considerados um elemento adequado de armazenagem em aplicações ligadas ao trem de força, buscando preencher o espaço entre as baterias e os capacitores em termos de velocidade de carga. Possuem as vantagens de carga e descarga rápida, o que permite armazenar energia em situações como a frenagem. Além disso, têm a vantagem de alta vida útil, contrabalanceada pela baixa capacidade de armazenagem, o que dificulta sua utilização em HCMs.

Os acumuladores hidráulicos possuem duas funções básicas nos circuitos hidráulicos: reduzir as flutuações de pressão causadas por variações de fluxo e armazenar energia para aumentar a eficiência do sistema ou incrementar transições de potência. Conceitualmente, são dispositivos assistidos nos quais a energia é convertida para hidráulica, armazenada em um acumulador e devolvida ao sistema através de componentes secundários ou cilindros auxiliares.

Em relação aos sistemas híbridos com bateria ou supercapacitor, os acumuladores hidráulicos apresentam as vantagens de melhor desempenho em casos de partida e parada frequente e eficiência superior à dos motores elétricos em baixa rotação, mas também trazem desvantagens como, por exemplo, alta relação entre peso/volume e capacidade de armazenagem e necessidade de componentes adicionais, como bombas ou motores hidráulicos para liberar a energia armazenada.

Sistemas híbridos utilizam diferentes dispositivos de armazenagem de energia, incuindo bateria, supercapacitor e acumuladores hidráulicos

Além disso, os volantes vêm se tornando uma solução comum para armazenagem de energia, mas necessitam de um motor ou gerador que os acione para girar e armazenar energia cinética. Na descarga, o volante faz o gerador girar, convertendo essa energia cinética em elétrica.

O funcionamento independe da temperatura e da intensidade da descarga, requer pouca manutenção e é mais barato que os demais, além de causar menos danos ao ambiente. Nesse caso, apresenta a desvantagem da baixa duração da armazenagem da carga.

CARREGADEIRAS

A operação de pás carregadeiras é caracterizada por uma série de alterações periódicas, com frequentes partidas e paradas, o que gera uma quantidade significativa de energia de frenagem, que normalmente é descartada pelo sistema de freio na forma de calor.

Para utilizar essa energia na operação, diferentes fabricantes estudaram soluções com máquinas híbridas, chegando a três conceitos de projetos de trem de força: em série, em paralelo e em série/paralelo. O Quadro abaixoindica os principais fabricantes que adotaram cada solução, com os respectivos dispositivos de armazenagem e economia de energia obtida.

No sistema em série, o motor aciona o gerador elétrico que, por sua vez, aciona os motores elétricos das rodas. Essa solução vem sendo utilizada principalmente em carregadeiras híbridas de grande porte.

Os sistemas em paralelo, por sua vez, possuem fontes separadas de acionamento. Na maioria das configurações, o motor pode fornecer torque diretamente para as rodas, o que limita a economia de combustível. Pode-se ainda utilizar um supercapacitor ou um acumulador para armazenagem de energia.

O sistema série/paralelo tem o conjunto de transmissão acionado em paralelo e o sistema hidráulico acionado em série. A vantagem disso é que o sistema hidráulico funciona independentemente do motor. Essa configuração, contudo, ainda está em fase de pesquisa e desenvolvimento.
Em geral, os sistemas em série apresentam facilidade de operação, baixo custo adicional e alta eficiência. Contudo, são considerados pouco confiáveis. Já os modelos em paralelo têm alta eficiência e confiabilidade, mas são mais limitados em termos de aproveitamento. Os sistemas em série/paralelo são complexos, mas altamente eficientes.

Com efeito, os estudos referentes ao trem de força das pás carregadeiras elétricas para soluções do tipo em série/paralelo e configurações híbridas desse conjunto ainda não são aprofundados. Além disso, é provável que a solução com motores elétricos nas rodas seja o próximo passo do desenvolvimento das carregadeiras.

Diagrama ilustra os conceitos de trem de força híbrido para carregadeiras: em série, em paralelo e em série/paralelo

ESCAVADEIRAS

Como se sabe, as escavadeiras têm um consumo muito mais alto de energia do que as carregadeiras. Por essa razão, os estudos destinados a promover a eficiência energética e a reduzir as emissões têm grande importância nesse segmento.

Uma escavadeira híbrida típica é capaz de reciclar dois tipos de energia: a energia cinética do giro e a energia potencial gravitacional da lança. Como as carregadeiras, as configurações podem ser em série, em paralelo e em série/paralelo. No Quadro abaixo estão listados os principais fabricantes, com as soluções adotadas por cada um.

No caso da configuração em série, o motor a explosão aciona um gerador, que alimenta diversas bombas hidráulicas e o motor do giro. Todavia, as mudanças da configuração inicial e o decorrente aumento dos custos inviabilizaram a comercialização massiva dessa solução.

Note-se que o aumento dos custos de produção da configuração em paralelo é o mais baixo dos três, mas o consumo de combustível é o mais alto e o retorno do investimento é demorado. Nesse caso, o motor aciona em paralelo o gerador e as bombas hidráulicas. O gerador alimenta o giro e as bombas movimentam os diversos componentes hidráulicos.

Na configuração em série/paralelo, o motor aciona diretamente o gerador. Nesse caso, as bombas hidráulicas são montadas em série com o gerador, enquanto o motor elétrico do giro é acionado por uma bateria ou supercapacitor em paralelo. Embora seja uma solução mais cara, o retorno do investimento é o mais curto e, por essa razão, é considerada a tecnologia mais viável.

Em escavadeiras, a tendência é de predomínio do conceito em série/paralelo, com sistemas integrados para armazenagem de energia

LIMITAÇÕES

Como conclusão, a experiência demonstra que a introdução de sistemas híbridos eleva o preço inicial das máquinas. Em escavadeiras, essa elevação na tabela gira entre 20% e 50%, o que torna difícil uma aceitação mais ampla pelo público, para quem os bens de capital representam investimento antes de tudo.

Todavia, essas máquinas ainda estão na fase de protótipos. Embora quase todas possam recuperar a energia de frenagem, já se sabe que são poucas as que conseguem produzir energia pelo implemento hidráulico. Como baterias e supercapacitores têm suas limitações, também será preciso continuar a utilizar um motor de combustão interna como fonte principal de energia em todas as máquinas, ao menos por um tempo.

O uso de dois ou mais dispositivos (um conjunto de baterias ou dois ou mais conjuntos em série ou paralelo, uma combinação de baterias e supercapacitores ou mesmo conjuntos acumulador-bateria ou acumulador-volante) pode compensar as deficiências de cada sistema.

A tendência, portanto, é de uso das três configurações em pás carregadeiras, em série para máquinas maiores e em série/paralelo em escavadeiras, todas com sistemas integrados de armazenagem de energia. O tempo dirá.