Universidade Federal do Rio de Janeiro

Transcrição

1 Universidade Federal do Rio de Janeiro Penetração de Veículos Elétricos e Híbridos Plug-in no Sistema Energético Brasileiro Roberto Schaeffer e Bruno Borba Soares Oficina de Trabalho sobre Veículos Elétricos BNDES 11/05/2010 Programa de Planejamento Energético COPPE / UFRJ Maio / 2010

2 Setor de Transportes - Mundo Consumo de Energia por Fonte Outras* 1% Carvão 3% Combustíveis renováveis 0% Gás natural 2% Carvão 0% Outras* 1% Combustíveis renováveis 1% Gás natural 3% Derivados de Petróleo 94% Derivados de Petróleo 95% MtEp MtEp * Inclui solar, eletricidade, etc. Fonte: IEA,

3 Setor de Transportes - Brasil Consumo de Energia por Combustível ,5 6,5 34,2 17,8 12,3 6,6 5,8 22,6 28,0 3,8 17,6 4,5 23,3 % 3,8 2,3 1,4 1, ,3 51,0 50,8 49, Anos Óleo Diesel Óleo Combustível Gasolina A Querosene Álcool Etílico Outras Fonte: MME, 2009 Mundialmente cerca de 95% do consumo energético do setor de transporte se dá na forma de derivados de petróleo (IEA, 2009), enquanto que no Brasil está participação gira em torno de 82% (MME, 2009), dada a importância dos biocombustíveis no cenário nacional. 3

4 Setor Transportes Projeções Opções Energéticas para o Setor Non-Renewable Energy Renewable Energy Petroleum Natural Gas Coal Nuclear Solar Wind Hydro Electric Bio Mass Electricity Hydrogen Gasoline Diesel Natural Gas Methanol (BEV, PHEV) Electricity (PHFCEV, FCEV ) Biomass Fuel Fonte: EPRI,

5 Definições Novas Tecnologias Veículos Híbridos Possuem mais de um motor de propulsão. Combinam motores de combustão interna e elétrico Veículos Híbridos Plug-In Semelhante ao híbrido normal. Todavia, a bateria utilizada pode ser carregada diretamente a partir da rede elétrica Veículos Elétricos Única fonte de energia é o armazenamento eletroquímico de energia elétrica proveniente da rede Veículos a Pilha Combustível Produzem eletricidade a bordo eletroquimicamente a partir de um combustível 5

6 Aspectos Fundamentais Baterias Principais tecnologias de baterias recarregáveis: Chumbo-ácidas (Pb) Níquel cádmio (Ni-Cd) Hidreto metálico de níquel (Ni-Mh) Íon de lítio (Li-ion) Pb Ni - Cd Ni - Mh Li - Ion Custo Baixo Médio Alto Muito Alto Energia Específica (Wh/kg) Tensão por célula (V) 2,00 1,25 1,25 3,60 Corrente de Carga Baixo Muito Baixo Moderado Alto Número de Ciclos (carga/descarga) Autodescarga por Mês (% do total) Baixo (5%) Alto Moderado (20%) Alto (30%) Baixo (10%) Tempo Mínimo para Carga (h) ,

7 Emissões Associadas Emissões ao longo da cadeia Para os veículos puramente elétricos, as emissões de GEE estão associadas apenas ao processo de geração de energia elétrica (desconsiderando-se as emissões associadas à fabricação do produto, etc) O fator médio de emissão do grid brasileiro (margem operativa) (MCT, 2010): 2008: Oscilou entre 0,33 e 0,62 tco 2 /MWh 2009: Oscilou entre 0,16 e 0,41 tco 2 /MWh Desempenho médio típico de um veículo elétrico leve: 6 km/kwh Faixa de emissões prováveis de VE no Brasil: entre 25 e 100 gco 2 /km (contra uma emissão típica de veículo leve a gasolina (25% de etanol) na faixa de gco 2 /km apenas uso final) 7

8 Emissões Associadas Emissões ao longo da cadeia Fonte: EPRI,

9 Aspectos Fundamentais Gerenciamento de Energia dos PHEVs Os modos de gerenciamento de energia mais relevantes são: Modo Carga Sustentável (Charge-Sustaining mode CS) SOC dentro de uma faixa estreita de funcionamento Modo Carga Deplecionada (Charge-Depleting mode CD) SOC é controlado para diminuir durante operação do veículo Modo Veículo Elétrico Conversão de combustível pelo motor é proibida Modo Motor de Combustão Interna 9

10 Baterias Gerenciamento de Carga Estado de Carga da Bateria (SOC) (Carregada) (Descarregada) 100% 80% 60% 40% 20% 0% HEV HEV HEV PHEV HEV PHEV PHEV PHEV Capacidade não carregável ~1-2 kwh, P/E = ~5-15 kwh, P/E = 5-18 Apenas CS: Wh, kw (10 SOC, ciclos CS: Wh, kw (10 sec) Charge SOC, ciclos Charge Sustaining CD: Autonomia: milhas, ciclos Unused de descarga Energy profunda EV EV EV EV >40 kwh, P/E = 2 Apenas CD: Autonomia: +100 milhas, ciclos de descarga profunda Capacidade Bateria (kwh) Charge Depleting (CD) Charge Sustaining (CS) Energia não utilizada Fonte: DUONG, 2007 Capacidade da Bateria (kwh) 10

11 Baterias Formas de Recarga Método Voltagem (V) Corrente (A) Potência (kw) Nível CA ,5-2,0 Nível 2 (baixo) 220 CA ,5-3,5 Nível 2 (alto) 220 CA < 80 < 18 Nível 3 (CA) < 600 trifásico Nível 3 (CC) 600 CC < 240 Nível 1 Utiliza tomada elétrica residencial padrão Nível 2 Necessidade de mudança de infra-estrutura. Disjuntor, aterramento, etc. Nível 3 Em estudo. A alta potência envolvidos está além da capacidade dos transformadores que alimentam regiões residenciais e até mesmo de alguns que servem a áreas comerciais 11

12 Baterias Tempo de Recarga Veículo Autonomia (km) Energia * (kwh) Recarga (horas) ** Nível 1 Nível 2 Nível 3 1,9 kw 7,7 kw 150 kw PHEV 10 1,11 0,58 0,14 0,01 PHEV 20 2,22 1,17 0,29 0,01 PHEV 50 5,56 2,92 0,72 0,04 EV ,67 8,77 2,16 0,11 EV ,33 17,54 4,33 0,22 EV ,00 26,32 6,49 0,33 EV ,67 35,09 8,66 0,44 EV ,33 43,86 10,82 0,56 * Considerando o desempenho energético da próxima transparência ** Valores estimados, uma vez que cada tipo de bateria necessita de formas diferenciadas de recarga para evitar superaquecimento e modificações nas características dos elementos 12

13 Veículos Elétricos e Plug-In Custo do Combustível Preço ao consumidor (RJ dez/09) Eletricidade R$/kWh 0,48 Gasolina R$/l 2,60 Álcool R$/l 1,86 Custo da eletricidade apenas (PHEV e EV) em torno de 0,05 a 0,08 R$/km Fonte: ANP, 2010 e LIGHT, 2010 Desempenho Custo VE km/kwh 6,00 R$/km 0,08 PHEV CD Mode km/kwh 9,00 R$/km 0,14 PHEV CS Mode Gasolina km/l 18,00 R$/km 0,20 PHEV CS Mode Álcool km/l 13,00 R$/km 0,19 Flex Fuel Gasolina km/l 10,00 R$/km 0,26 Flex Fuel Álcool km/l 8,00 R$/km 0,23 13

14 Impacto sobre Sistema Energético Energia x Potência % VE da Frota Atual* Frota VE Distâcia Annual (km) Desempenho (km/kwh) Energia (GWh) % Consumo Brasil 2009** , ,6% , ,2% , ,0% , ,1% , ,9% * Considerando a frota atual igual a 25 milhões de veículos leves (ANFAVEA, 2009) ** Considerando o consumo anual de energia elétrica do Brasil da ordem de 400 TWh (EPE, 2010) Do ponto de vista da energia, o impacto da penetração de veículos leves elétricos no Brasil seria administrável 14

15 Impacto na Rede Elétrica Curva de Carga Fonte: ELECTRIFCATION COALITION, 2009 Fonte: TAYLOR et al.,

16 Impacto no Sistema Energético Energia x Potência % VE da Frota Atual* Frota VE Potência Unitária Recarga (kw) Taxa Superposição Potência Demandada (GW) % Pico Brasil** % Potência Instalada Brasil*** ,9 50% 2,4 3,7% 2,2% ,9 50% 4,8 7,4% 4,4% ,9 50% 12,1 18,6% 11,0% ,9 50% 16,9 26,1% 15,4% ,9 50% 24,2 37,2% 22,0% * Considerando a frota atual de 25 milhões de veículos leves (ANFAVEA, 2009) ** Considerando uma demanda de pico da ordem de 65 GW (ONS, 2010) *** Considerando uma potência instalada no Brasil de 110 GW (ANEEL, 2010) 7,7 7,7 7,7 7,7 7,7 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 50% 50% 50% 50% 50% 5% 5% 5% 5% 5% 9,8 19,6 49,0 68,7 98,1 19,1 38,2 95,6 133,8 191,1 15,1% 30,2% 75,5% 105,6% 150,9% 29,4% 58,8% 147,0% 205,8% 294,0% 8,9% 17,8% 44,6% 62,4% 89,2% 17,4% 34,7% 86,9% 121,6% 173,7% 16

17 Impacto Sistema Energético Caso a recarga dos veículos ocorra nas residências, há uma tendência natural desta recarga ocorrer após a última viagem realizada Neste caso a potência demanda pelos veículos pode ser expressiva, podendo ter impactos negativos não apenas no sistema energético, como também na distribuição (por exemplo carregamento e queda de tensão nos transformadores) Soluções possíveis: Tarifação horo-sazonal Energia x Potência Programa de troca de baterias (recarga feita pelo setor de serviços) 17

18 Vehicle to Grid (V2G) Características Ligação bidirecional do fluxo de energia entre os veículos e sistema elétrico Veículos com características necessárias para operar como V2G: Veículos a pilha a combustível (produz eletricidade a bordo) Veículos a bateria Veículos híbridos plug-in Este sistema é menos adequado para a geração de energia elétrica de base, mas pode ser adequado para: (a) Geração de Ponta (b) Reserva girante (c) Serviços de Regulação 18

19 V2G Esquema Fonte: TOMIC e KEMPTON,

20 V2G Smart Grid Para a melhor recarga de VE e implementação do V2G, haverá uma necessidade de modificações tecnológicas tanto na construção dos veículos como na estrutura de fornecimento de energia elétrica: smart grid A base da definição do smart grid: infra-estrutura de medição avançada (Advanced Metering Infrastructure AMI): Precificação dinâmica Tecnologias automatizadas (que permitem ligar e desligar aparelhos de acordo com a precificação dinâmica e a necessidade do usuário) Mostradores do consumo do usuário em tempo real O smart grid se refere aos medidores inteligentes e uma rede de comunicações que permite uma comunicação bidirecional entre o fornecedor de eletricidade e medidor 20