Novos Materiais para a Redução de Peso dos Veículos

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1 Novos Materiais para a Redução de Peso dos Veículos Seminário Internacional Frotas & Fretes Verdes Rio de Janeiro 12 de Dezembro de 2012 Marcelo C.Carboni CBMM Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração

2 CBMM Visão Geral Companhia privada, localizada em Araxá (MG), Integrada desde a mina até o produto final; 40 anos de investimentos em tecnologia e aplicação do Nb. Líderes em: Reserva mineral; Capacidade de Produção; Vendas; Araxá

3 Sustentabilidade Recursos Minerais 200 anos de reservas comprovadas (ritmo de produção atual)..

4 Programa de Tecnologia da CBMM CBMM : não é somente um fornecedor de matéria prima mas também da tecnologia do uso do Nb; 2% das vendas anuais investidas em P&D; Para ajudar seus clientes a implantar e desenvolver a tecnologia do Nb a CBMM pode atuar como parceira em: Projetos de coperação ; Assistência Técnica;

5 Valor que o Nb agrega: Aços de Alta Resistência Maior resistência: uso de design de liga adequado para cada aplicação; Solução de sucesso: adição de Nb como micro ligante; Nb: grande influência no refino de grão; Refino de grão: única maneira de aumentar resistência mecânica, alongamento e tenacidade de um aço; Outros mecanismos (carbono, sç sólida, por precipitação e aumento de encruamento): efeito deletério na formabilidade, tenacidade e soldabilidade.

6 O objetivo deste trabalho é apresentar a visão da CBMM do efeito potencial da implantação de tecnologias de redução de peso em veículos comerciais, por meio da utilização de materiais de alta resistência, na redução das emissões de CO 2.

7 Redução de emissão de CO 2 (t) Redução das emissões de CO 2 em função de redução de peso de veículos pesados a combustível fóssil Ciclo de Vida do Veículo 70,00 60,00 CO2 gerado durante a vida do veículo ( km**) CO2 gerado na produção do aço 55,52 63,43 50,00 40,00 Total 47,74 41,79 30,00 32,05 28,06 20,00 10,00 0,00 15,62 13,67 7,91 1,95 4,00 5,95 0% 5% 10% 15% 20% Redução do peso do aço do veículo (%) Considerado: Peso total: kg (cavalo: 5000 kg, carreta 6500 kg) Emissão CO 2 por litro de diesel: 2,65 kg CO 2 /l diesel * Redução de consumo diesel: 1,38 l/100km para 1000kg redução ** Redução emissão CO 2 : 16g CO 2 /km para 1000kg redução fonte: * Enviromental Leader: ** SSAB

8 Total de redução da emissão de CO 2 para 20% de redução de peso do aço do veículo considerando a produção mundial prevista de veículos pesados fósseis para 2020 ( unidades*): t de CO 2 Para uma vida de km. (SSAB) *estimado CSM

9 Redução de emissão de CO 2 (t) Redução das emissões de CO 2 em função de redução de peso de veículos médios a combustível fóssil Ciclo de Vida do Veículo 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 CO2 gerado durante a vida do veículo ( km*) CO2 gerado na produção do aço Total 12,06 16,08 13,87 10,00 8,00 8,04 10,40 6,00 4,02 6,93 4,00 2,00 0,00 3,47 2,21 1,11 1,66 0,55 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% Redução do peso do aço do veículo (%) Considerado: Peso total: 4000 kg Peso de aço: 2600kg Redução emissão CO 2 : 16g CO 2 /km para 300kg redução * * inferido, considerando-se a mesma redução que para uma caminhão com cerca de 8% de redução do peso total.

10 Total de redução da emissão de CO 2 para 20% de redução de peso do aço do veículo considerando a produção mundial prevista de veículos pesados fósseis para 2020 ( unidades*): t de CO 2 Para uma vida de km. (inferido) *estimado CSM

11 Quanto a redução de 20% do peso do aço contido em veículos equivale em geração de energia elétrica? 20% de redução no peso do aço de um veículo combustível fóssil Economia de combustível para 100 km: 0,78 l para veículos a gasolina 3,21 l para veículos a diesel Na vida do veículo: l de gasolina para veículo leve l de diesel para veículo médio l de diesel para veículo pesado Coque = 41% Óleo = 6% Gás = 21% Nuclear = 14% Hidro = 15% Renováveis = 3% Equivale à GWh de energia elétrica para toda a produção de veículos em 2020 Equivale a 6% da geração mundial de eletricidade em Equivale a 2,7 X a geração de energia elétrica no Brasil em 2007

12 Fatores a Serem Considerados na Seleção de Materiais Propriedades dos materiais em relação a sua massa específica. Redução das emissões no ciclo de vida do bem de consumo. Impacto na vida útil do bem de consumo. Emissões de CO 2 nas etapas de produção e reciclagem dos materiais e dos bens de consumo. Custo dos materiais.

13 Propriedades dos Materiais

14 Propriedades dos Materiais O potencial de redução de peso com a utilização de diferentes materiais é uma pratica utilizada em estudos de Engenharia Simultânea e Co-Design, envolvendo as metodologias de Rigidez ao Dobramento (Bending Stiffness) ou de Resistência ao Dobramento em 3 pontos (3 Points Bending Strength). Em relação aos aços convencionais uma carroceria com a utilização de Alumínio permite uma redução de massa de até 40%, entretanto, com um aumento de volume ocupado de 40%. Já para com a utilização intensiva de aços AHSS ocorre uma redução de até 25%, com uma redução do espaço requerido de 60%. Fonte: PROJETO FSV (FUTURE STEEL VELHICLE): UTILIZAÇÃO DE AÇOS AHSS (ADVANCED HIGH STREGTH STEEL) NA CONSTRUÇÃO AUTOMOTIVA DO FUTURO E SUA APLICAÇÃO EM VEÍCULOS COMERCIAIS LEVES E PESADOS Colloquium SAE 2012

15 Life Cycle Assessment - Definição Modelo de Análise Utilizado a ser Considerado para Seleção de Materiais:

16 Life Cycle Assessment - Metodologia Distribuição típica das emissões de CO2 de um veículo leve a combustível fóssil (fonte: LCA) Distribuição típica das emissões de CO2 de um veículo leve híbrido (fonte: LCA)

17 kg CO 2 eq Life Cycle Assessment - Resultados Resultados de relatório emitido pela World Auto Steel em 02/08/10, com modelo atualizado: Simulação realizada com veículo leve (1260kg), comparando os veículos: Baseline: veículo de referência (apenas com aço comum) Contender 1: veículo com 9% de redução de peso pela utilização de aços de alta resistência Contender 2: veículo com redução de 15% no peso pela utilização de alumínio. Contribution Analysis: GHG Emissions Material Recycling Material Production Use Phase Baseline Contender 1 Contender 2

18 Impacto do Custo Alternativas avaliadas para o subsistema Pilar B atingiram reduções de massa de 28,9 a 41,6% com redução de custos de até 49,7% e de emissões até 274 kg de CO 2 eq.. Outro exemplo de fator custo: design desenvolvido pela Voskswagem, o EU SLC (Super Light Car) - Multi Materials. Neste design a utilização de Alumínio (53%), Aço (36%), Magnésio (7%) e Plásticos (4%) permitiu uma redução de massa na carroceria de 37%, entretanto com um aumento de custo de 112%. Fonte: PROJETO FSV (FUTURE STEEL VELHICLE): UTILIZAÇÃO DE AÇOS AHSS (ADVANCED HIGH STREGTH STEEL) NA CONSTRUÇÃO AUTOMOTIVA DO FUTURO E SUA APLICAÇÃO EM VEÍCULOS COMERCIAIS LEVES E PESADOS Colloquium SAE 2012

19 Impacto do Custo 38% Até 5% de aumento de custo 30% 6 a 10% de aumento de custo 11% 11 a 15% de aumento de custo 4% 16 a 20% de aumento de custo 1% 1% 21 a 25% de aumento de custo Maior que 25% 15% Outros Qual o aumento de custo sua empresa está disposta a aceitar para produzir veículos com materiais leves? Pesquisa realizada com técnicos e engenheiros de diversas empresas nos Estados Unidos, em relação a produção de veículos leves. Fonte: Pesquisa publicada na revista Automotive Engineering International em Out/12

20 Exemplos de Redução de Peso pela Aplicação de Novos Materiais

21 Cabine Análise de estrutura

22 Carreta em aço de alta resistência

23 Análise deste caso Redução de 38% no peso da carreta, com economia de 2070 l de diesel por ano.

24 Basculante em aço de alta resistência

25 Análise deste caso Redução de 50% na estrutura basculante, com economia de 2400 l de diesel por ano. CBMM está renovando sua frota de operação na mina de Araxá aplicando este conceito.

26 Ônibus em alumínio

27 Ônibus em alumínio

28 Considerações Finais Os fatores mais relevantes para a seleção de novos materiais são propriedades, custo e emissões de CO 2 em todas as etapas de produção e utilização. A utilização de aços de alta resistência é uma solução consagrada e já comprovada técnica e comercialmente. Pode ser implementada imediatamente. É amplamente difundida em veículos de passeio. A utilização de alumínio surge com grande potencial, mas é preciso avaliar cuidadosamente a variação de volume das partes, emissões em todo o ciclo de vida e comprovação de sua durabilidade.

29 Considerações Finais Materiais compósitos (como fibra de carbono) e poliméricos para fins estruturais tem potencial para futuro, mas ainda apresentam custos pouco competitivos. A abordagem de redução de peso por meio de aplicação de materiais mais leves / mais resistentes é um conceito que pode ser adotado para qualquer tipo de motor e/ou combustível diretamente, sem necessidade de desenvolvimentos específicos. Esta abordagem pode também ser aplicado a outros modais logístico, como vagões ferroviários, por exemplo. Hoje está em desenvolvimento a utilização de aços de alta resistência para a fabricação de eixos tubulares para vagões para transporte de minério de ferro, em substituição aos eixos maciços de aço comum. A redução foi de 6 a 8% no peso total do vagão.

30 Obrigado! Marcelo C. Carboni