ELETRIFICAÇÃO DO TRATOR E SEUS BENEFÍCIOS

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1 ELETRIFICAÇÃO DO TRATOR E SEUS BENEFÍCIOS

2 Apresentação Thiago Mendes Pereira Engenharia Eletrônica UTFPR 2010 Pós-graduação em Engenharia Automotiva UTFPR 2012 Mestrando em Controle e Automação UTFPR 2018 Professor na pós-graduação de veículos elétricos e híbridos - SENAI Engenheiro de desenvolvimento de sistemas Bosch Powertrain elétrico Sistemas de injeção diesel Automação de sistemas agrícolas 2

3 Motivação Incertezas quanto ao futuro do petróleo e volatilidade dos preços influenciadas pela geopolítica Normas de emissões de poluentes para veículos automotores Investimentos da indústria no desenvolvimento de veículos híbridos e elétricos 3 Source: Business insider Source: John Deere

4 Vantagens Resposta em torque Eficiência energética Menor nível de emissões Menor custo operacional Menor nível de ruído 4 Source: Bosch

5 Torque [Nm] Potência [cv] Eletrificação do trator e seus benefícios Torque do powertrain elétrico Motor elétrico e a combustão com torque similares. Maior torque em baixas rotações Maior faixa de uso -> simplificação da transmissão Torque combustão x elétrico Potência combustão x elétrico Elétrico (Nm) Combustão (Nm) Elétrico (cv) Combustão (cv) Rotação [rpm] Rotação [rpm] 5

6 Eficiência energética do powertrain elétrico Processo de geração de energia elétrica a partir de petróleo é menos eficiente que o refino No entanto, a eficiência do powertrain (TtW) é muito maior, resultando em uma melhor eficiência geral (WtW) 6

7 Eficiência energética do powertrain elétrico Uso de fontes renováveis de geração de energia torna a eficiência WtW ainda maior Fonte limpa de energia, diminuindo os efeitos de emissões de gases poluentes Matriz energética brasileira é rica em fontes renováveis 7

8 Custo operacional do powertrain elétrico Custo operacional da energia elétrica é menor do que o combustível No mercado agrícola, a energia elétrica pode ser gerada na fazenda a partir da biomassa 8 Source: Galileu

9 Opções para a eletromobilidade agrícola ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN CÉLULA DE COMBUSTÍVEL ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS RECUPERAÇÃO DE ENERGIA 9

10 Tipos de veículos elétricos 10 Source: Karsten Kieckhäfer, Strategic planning towards electric mobility in the automotive industry

11 Opções para a eletromobilidade agrícola ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN CÉLULA DE COMBUSTÍVEL ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS RECUPERAÇÃO DE ENERGIA 11

12 Tipos de veículos elétricos 12 Source: Karsten Kieckhäfer, Strategic planning towards electric mobility in the automotive industry

13 Topologia básica powertrain elétrico Low voltage Onboard charger DC/DC Accessories Low voltage battery 13 Source: Bosch

14 Tratores elétricos Fendt e100 Vario Powertrain de 50 kw Autonomia de 5 horas de operação Bateria de lítio-íon 650V, 100 kwh Carga normal na rede 400V, 22kW Carga rápida 80% em 40 minutos. Recuperação da energia cinética Interface padrão de PTO e hidráulica para implementos Conectividade via smartphone Bateria pode armazenar excesso de energia produzida na fazenda e alimentar a rede Baixo custo operacional e de manutenção 14 Source: Fendt

15 Tratores elétricos John Deere SESAM Sustainable Energy Supply for Agricultural Machinery Potência 174 hp (contínuo), 400 hp (pico) 2 motores elétricos flexíveis entre locomoção x auxiliares Baixo nível de ruído Autonomia de 4 horas de operação ou 54 km de transporte Carga da bateria em 3 horas (vida útil de 3100 ciclos) Source: Agriland

16 Armazenamento de energia Source - Giuseppe Graber, Electric Mobility: Smart Transportation in Smart Cities 16

17 Energia específica das baterias Bateria Akasol AKM53POC 270 kw, 35,3 kwh, 666V, 333kg Energia equivalente a 2,5 litros de diesel Source: Akasol Maior peso em tratores elétricos -> compactação Source: Wikipedia 17

18 Opções para a eletromobilidade agrícola ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN CÉLULA DE COMBUSTÍVEL ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS RECUPERAÇÃO DE ENERGIA 18

19 Tipos de veículos elétricos 19 Source: Karsten Kieckhäfer, Strategic planning towards electric mobility in the automotive industry

20 Trator híbrido-série Belarus 3023 híbrido Motor diesel 220 kw Gerador 172 kw PTO elétrica (progressive start) 15% de redução de combustível em cultivo 30% de redução de combustível em transporte Livre de manutenção até horas Saída AC auxiliar de 230V trifásico 270kW Performance do powertrain híbrido equivale a um diesel de 313 kw 20 Source: Farm Weekly

21 Trator híbrido-série Rigitrac EWD120 Trator diesel-elétrico 4 motores independentes de 33 kw cada Motor diesel 91 kw Gerador de 85 kw Controle de tração ativo individual Proteção do solo Aumento na tração Source: Technische Universität Dresden 21

22 Tipos de veículos elétricos 22 Source: Karsten Kieckhäfer, Strategic planning towards electric mobility in the automotive industry

23 Carregador híbrido-paralelo Merlo 42.7 híbrido Opera em modo diesel, elétrico ou híbrido plug-in Downsizing motor diesel 56kW (normal = 100 kw) 4 horas de operação em modo Eco 2 horas de operação em modo Full electric 30% de redução de consumo Carga via rede ou painéis solares Payback de 2 anos 23 Source: Merlo

24 Opções para a eletromobilidade agrícola ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN CÉLULA DE COMBUSTÍVEL ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS RECUPERAÇÃO DE ENERGIA 24

25 Tipos de veículos elétricos 25 Source: Karsten Kieckhäfer, Strategic planning towards electric mobility in the automotive industry

26 Células a hidrogênio Geração de energia elétrica a partir do hidrogênio. Eficiência TtW de até 50%, emissão de vapor de água. Produção de hidrogênio Eletrólise de água com energia elétrica fotovoltaica Reformação a vapor do metano produzido nos biodigestores Fermentação escura anaeróbica de biomassa Desafios: segurança, infra-estrutura e custo Source: Stanford 26 Source: Wikipedia

27 Trator a célula de hidrogênio New Holland NH2 Células de combustível de 100kW 3 pilhas, com um total de 384 unidades 1 motor para tração e 1 motor para PTO e auxiliares Cada motor com 100 kw Torque de 950 Nm (contínuo), 1200 Nm (máximo) 96% de eficiência nos motores Tanque de 8,2 kg de hidrogênio a 350 bar Autonomia de 3 horas Bateria de 12 kwh, 300V, 50 kw 27 Source: New Holland

28 Células a etanol Extração do hidrogênio a partir de etanol (biocombustível) Geração de energia elétrica pelo hidrogênio Reação produz CO 2 Sistema neutro em emissão de carbono (compensado pelo crescimento da cana de açúcar) Combustível líquido: segurança Infraestrutura de abastecimento Gerar energia a partir do etanol em uma célula de etanol é mais eficiente do que a que um motor a combustão. 28 Source: Nissan

29 Opções para a eletromobilidade agrícola ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN CÉLULA DE COMBUSTÍVEL ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS RECUPERAÇÃO DE ENERGIA 29

30 Eletrificação de auxiliares John Deere 7530 E-Premium Gerador trifásico 480V-20kW acoplado ao motor diesel Alimenta o ar condicionado, o ventilador e bomba do radiador Desacoplamento da velocidade do motor à combustão com o auxiliar Acionamento inteligente Redução de 4% no consumo em gradeamento Redução de 16% em transporte 30 Sources: LPF-TAGRALIA, Technical University of Madrid, Madrid, Spain Farners Weekly

31 Implementos elétricos Amazone UX esprayer Motor elétrico fornece a energia para o sistema Tomada de energia 400V trifásico (17kW) do trator Controle da bomba sob demanda aumenta a eficiência do sistema Desacoplamento mecânico/hidráulico entre trator e implemento. 31 Source: Amazone

32 Implementos elétricos Bosch Seeder Controle elétrico da rotação dos dosadores de semente Variação da população Compensação em curvas Corte de linhas em sobreposição 32

33 Opções para a eletromobilidade agrícola ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN CÉLULA DE COMBUSTÍVEL ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS RECUPERAÇÃO DE ENERGIA 33

34 Recuperação de energia Boost Recuperation System Sistema recarrega uma bateria de 48V a partir da energia de frenagem/rolagem Energia armazenada pode ser utilizada para diversas funções Start-stop Demandas adicionais de torque Recarregar sistema de baixa tensão (alternador) Eletrificação de acessórios/pto Source: Bosch 34

35 Recuperação de energia Waste Heat Recovery Reaproveitamento da energia térmica O calor do escapamento é usado para girar uma máquina a vapor A máquina é ligada a um gerador, que fornece energia elétrica Energia pode ser utilizada para acionar acessórios do trator Tecnologia permite uma redução de até 5% de consumo de diesel 35 Source: Bosch

36 Muito obrigado Thiago Mendes Pereira +55 (41)