UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS CURITIBA CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA ELÉTRICA ANDERSON WESLLEY DA SILVA ZAMPOLI BRUNO MIGUEL ABIB FELIPE MOREIRA DAQUILA ANÁLISE DE DEMANDA DE ENERGIA ELÉTRICA DE ÔNIBUS HÍBRIDOS TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2014
Anderson Zampoli Bruno Miguel Abib Felipe Moreira Daquila ANÁLISE DE DEMANDA DE ENERGIA ELÉTRICA DE ÔNIBUS HÍBRIDOS Proposta para Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado a disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do Curso Superior de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de bacharel em Engenharia Elétrica. Orientador: Profa. Keiko Veronica Ono Fonseca, D.E.E. Curitiba 2014
1 LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS PHEV Plug in Hybrid Electric Vehicle URBS Urbanização de Curitiba S.A.
2 Sumário 1. INTRODUÇÃO... 3 1.1. TEMA... 3 1.1.1. Delimitação do tema... 3 1.2. PROBLEMAS E PREMISSAS... 3 1.3. OBJETIVOS... 4 1.3.1. OBJETIVO GERAL... 5 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 5 1.4. JUSTIFICATIVA... 5 1.5. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS... 6 1.6. ESTRUTURA DO TRABALHO... 6 1.7. CRONOGRAMA... 8 REFERÊNCIAS... 9
3 1. INTRODUÇÃO 1.1.TEMA 1.1.1.Delimitação do tema O transporte coletivo de Curitiba é considerado modelo. Atualmente é administrado pela Urbanização de Curitiba S.A. (URBS) que possui como missão melhorar a vida urbana e ser referência em soluções inovadoras e excelência na gestão da mobilidade urbana. A URBS iniciou suas atividades em 1963 com o propósito de desenvolver obras de infraestrutura, programas de equipamentos urbanos e atividades relacionadas ao desenvolvimento urbano da cidade (pavimentação, iluminação, saneamento e paisagismo). Somente em 1986 passou a gerenciar o Sistema de Transporte Coletivo de Curitiba. Desde o inicio das atividades até hoje houve um aumento considerável no número de pessoas que vêm utilizando o transporte coletivo. Consequentemente, o tamanho dos ônibus também aumentou. Atualmente, existem ônibus com capacidade desde 30 pessoas até 270 (URBANIZAÇÃO CURITIBA S.A.). Para um crescimento acelerado de ônibus circulando pela cidade, a poluição e os gastos também aumentam. Isso sugere que novas ideias sejam discutidas a fim de atender a demanda de pessoas e limitar o número de ônibus rodando pela cidade com redução de poluição e gastos. Uma solução possível seria analisar a utilização de ônibus do tipo Plug in Hybrid Electric Vehicle (PHEV). Este possui baterias de alta capacidade que podem ser carregadas em centrais de recarga. Através da energia armazenada em baterias é possível reduzir significativamente o consumo de combustível e a emissão de poluentes (HARROP, 2013). Uma maneira de carregar essas baterias é a utilização de supercapacitores. Entre as vantagens dos supercapacitores está a sua longa vida útil, de aproximadamente 500 mil ciclos. 1.2. PROBLEMAS E PREMISSAS
4 Dados divulgados pelo Banco Mundial (SBCTrans, 2013) apontam a emissão de material particulado como o mais nocivo à saúde da população local. Em função das restrições ambientais cada vez mais rigorosas com relação a emissão de gases que agravam o efeito estufa, considerados, de acordo com a maioria das investigações cientificas, como causas antropogênicas do aquecimento global (Protocolo de Kyoto), é necessário substituir a frota de ônibus existente, predominantemente a óleo diesel, por veículos de transporte coletivo com sistemas de tração mais eficazes e menos poluentes. Vale ressaltar que, de acordo com o cenário do transporte público no Brasil, o município de Curitiba possui uma Lei Municipal de Mudanças Climáticas (Lei 17133-25 de Abril de 2012), que prevê a substituição de ônibus a diesel por veículos verdes. Nesse contexto, o ônibus híbrido (PHEV) se insere com grande vantagem. Os ônibus híbridos (PHEV) combinam motor a diesel e um motor elétrico para a tração e um banco de baterias para armazenamento de energia elétrica. Com o ônibus híbrido a redução na emissão de poluentes chega a 90% (SBCTrans). Devido a esses ônibus também serem tracionados com energia elétrica um dos quesitos de maior grau de relevância é saber quanto de energia elétrica o banco de baterias deverá armazenar para conseguir realizar o deslocamento do ônibus de um ponto a outro sem a necessidade de reabastecimento. Em termos de tecnologia, são utilizados novos desenvolvimentos com o uso de supercapacitores e baterias modernas, eventualmente de íons de lítio, para assegurar autonomia, ainda que parcial, dos veículos em relação às redes de alimentação elétrica. Contudo para esse fim será realizado um estudo de eletrônica de potência para saber o quanto essas baterias deverão armazenar de energia até serem recarregadas novamente por supercapacitores. Este trabalho atém-se ao caso de veículos de transporte coletivo cujos requisitos de segurança e energia são diferentes de veículos para fins pessoais. Sistemas de transporte coletivo com veículos que utilizam energias alternativas em soluções sustentáveis são de fundamental importância para cidades inteligentes. 1.3. OBJETIVOS
5 1.3.1. OBJETIVO GERAL Analisar as melhorias trazidas pelos veículos híbridos em termos ecológicos. A análise deve abranger sistemas de recarga de baterias conectadas ao sistema elétrico de propulsão de veículos híbridos e a infraestrutura do sistema elétrico de potência necessária para prover a energia demandada por estes tipos de veículos. 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Caracterizar as baterias utilizadas em veículos coletivos tipo PHEV (Plug in Hybrid Electric Vehicle) na cidade de Curitiba. Caracterizar dois sistemas de recarga de baterias de veículos coletivos tipo PHEV: os baseados em supercapacitores e os demais sistemas. Levantar junto à URBS (empresa responsável pelo transporte coletivo de Curitiba) a carga de passageiros de ônibus das referidas linhas nos diferentes trechos entre pontos de embarque/desembarque, o tempo médio de parada em cada ponto do trajeto e a topografia dos diferentes trechos entre pontos no trajeto considerado. Coletar junto aosfabricantes dos motores utilizados pelos veículos de transporte coletivo, dados sobre consumo médio e potência requerida pelos motores em diferentes características de carga e topografias ligadas a a um trajeto especificado. Estimar para fins de dimensionamento o sistema de distribuição de energia elétrica requerida para as estações de recarga de baterias. Analisar economicamente a implantação das estações de abastecimento do sistema de transporte coletivo para cenários previamente especificados. 1.4. JUSTIFICATIVA Estima-se que entre 30% e 40% do tempo operacional do veículo são usados com o ônibus parado. Entre os poluentes reduzidos estão materiais particulados, Óxido de Nitrogênio e
6 Gás Carbônico. E no caso do Hibribus, segundo a Volvo, neste intervalo de tempo, não há emissões de poluentes (BAZINI, 2012). Em velocidades maiores, normalmente os motores a combustão poluem menos. Por isso, durante a partida é utilizado o motor elétrico e após o ônibus atingir 20 quilômetros por hora, também entra em funcionamento o motor diesel, que segue as novas normas de redução à emissão de poluição com base no Euro V. Com base na análise acima destacada, é possível concluir que o aproveitamento dos ônibus híbridos é superior aos à combustão, levando em conta consumo, sustentabilidade, energia limpa e poluição. 1.5. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Primeiramente será realizada uma pesquisa referente ao tema, assim somando informações e material para se ter um maior conhecimento sobre PHEV e sua recarga através de supercapacitores. Posteriormente serão coletados dados na URBS referentes ao consumo dos ônibus, tempo de embarque e desembarque e número de pessoas que utilizam o transporte coletivo em um determinado trecho ou linha de ônibus da cidade. Com os dados em mãos, serão escolhidos cenários representativos de energia demandada para tração de um modelo de veículo PHEV. Para trechos de rota de ônibus em Curitiba serão feitas as análises de demanda e recarga de energia em PHEV e sua fonte de alimentação. O estudo foca em soluções baseadas em recarga de baterias através de supercapacitores. 1.6. ESTRUTURA DO TRABALHO O trabalho é estruturado em seis capítulos, sendo eles: CAPÍTULO 1 Introdução: apresentação da proposta, definição do tema, definição dos objetivos e motivação para a realização do trabalho; CAPÍTULO 2 Fundamentação teórica sobre veículos híbridos;
7 CAPÍTULO 3 Fundamentação teórica sobre supercapacitores; CAPÍTULO 4 Coleta e análise de dados a serem relacionados ao consumo de energia de um modelo de PHEV junto à URBS e a um fabricante de ônibus; CAPÍTULO 5 Apresentação dos resultados obtidos; CAPÍTULO 6 Conclusão;
8 1.7. CRONOGRAMA Segundo semestre 2013 Primeiro semestre 2014 Segundo semestre 2014 nov. dez. jan. fev. mar. abr. mai. jun. jun. ago. set. out. nov. dez. jan. fev. mar. /13 /13 /14 /14 /14 /14 /14 /14 /14 /14 /14 /14 /14 /14 /15 /15 /15 Elaboração e entrega da proposta do projeto final x x x x x Estudo sobre supercapacitores e PHEV x x x Elaboração e entrega da monografia do projeto final 1 x x x x x x Coleta de dados da potência média requerida x x x x x x x x Elaboração e entrega da monografia do projeto final 2 x x x x x x Correção/possíveis alterações x x x x Conclusão x x Defesa x Correção e entrega do projeto x
9 REFERÊNCIAS BAZINI, Adamo. Volvo apresenta na Rio+20 o seu primeiro ônibus híbrido fabricado no Brasil. Ônibus Brasil. 14 jun. 2012. Disponível em: <http://onibusbrasil.com/blog/2012/06/14/volvoapresenta-na-rio20-o-seu-primeiro-onibus-hibrido-fabricado-no-brasil/>. Acesso em: 28 jan. 2014. HARROP, Peter. Supercapacitors increase range of electric vehicles. IDTechEx, 04 out. 2013. Disponível em: <http://www.idtechex.com/research/articles/supercapacitors-increase-range-ofelectric-vehicles-00005861.asp>. Acesso em: 09 dez. 2013. Plug-in Hybrids. Disponível em: <http://www.fueleconomy.gov/feg/phevtech.shtml>. Acesso em: 08 dez. 2013. RAHMAN, Saifur. Electric Vehicles: Possibilities, Challenges, and Their Impact. IEEE, 09 set. 2011. Disponível em: <http://theinstitute.ieee.org/ieee-roundup/opinions/ieee-roundup/electricvehicles-possibilities-challenges-and-their-impact>. Acesso em: 10 dez. 2013. SBCTrans. Disponivel em: <http://www.sbctrans.com/empresa/socioambiental.php>. Acesso em: 29 jan. 2014. Sistema de transporte coletivo de Curitiba. Disponível em: <http://www.biocidade.curitiba.pr.gov.br/biocity/33.html>. Acesso em: 10 dez. 2013. Urbanização de Curitiba S.A. Disponível em: <http://www.urbs.curitiba.pr.gov.br/>. Acesso em: 08 dez. 2013.