EVALUATION OF THE APPLICATION OF A PHOTOVOLTAIC SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION VEHICLES
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ra10202409121408
MSc. Luis Henrique Fontana1
Prof. Dr. Eduardo Marques Trindade2
RESUMO
Este trabalho apresenta uma avaliação da implementação de um sistema de captação de energia solar, instalado em paralelo ao sistema elétrico de carregamento de bateria dos veículos. É um processo inovativo que busca o aumento da eficiência energética de um veículo de combustão interna, na tentativa de acompanhar a transição energética que visa a melhoria da mobilidade elétrica global. Expõe as vantagens e desvantagens para o cliente final, utilizando simulações realizadas com ajuda de um software exclusivo da montadora Renault do Brasil S.A., o qual possibilita a adição de ganhos energéticos do sistema fotovoltaico aos parâmetros de ensaio durante todo o ciclo de homologação, assim como testes realizados em veículos protótipos equipados com o sistema fotovoltaico, percorrendo circuitos determinados dentro e fora das dependências da empresa, realizando aquisições e coletas de dados. Essa aplicação tem por finalidade proporcionar um considerável aumento de autonomia de combustível de até 16% anual, assim como a redução da emissão de CO2 dos veículos de combustão interna. Outra avaliação apresentada é a viabilidade economia e a definição dos países em que esse sistema pode ser implementado.
Palavras-chave: Veículos. Energia solar. Mobilidade elétrica. Emissão de CO2. Autonomia.
ABSTRACT
This work presents an evaluation of the implementation of a solar energy system, installed in parallel to the vehicles’ battery electrical system. It is an innovative process that seeks to increase the energy efficiency of an internal combustion vehicle, to accompany the energy transition that aims to improve global electric mobility. It exposes the advantages and disadvantages for the end customer, using simulations carried out with the help of exclusive software from the automaker Renault do Brasil S.A., which allows the addition of energy gains from the photovoltaic system to the test parameters throughout the approval cycle, as well as tests carried out on prototype vehicles equipped with the photovoltaic system, traveling through determined circuits inside and outside the company’s boundaries, carrying out data acquisitions and collections. This application aims to provide a considerable increase in fuel autonomy up to 16% annually, as well as reducing CO2 emissions from internal combustion vehicles. Another assessment presented is the economic feasibility and the definition of countries in which this system can be implemented.
Keywords: Vehicles. Solar energy. Electric mobility. CO2 Emissions. Autonomy.
1 INTRODUÇÃO
A preocupação com o meio ambiente devido aos gases de efeito estufa, emitidos pelos motores dos veículos de combustão interna (ICE), é visto como um fator importante que irá acelerar o crescimento do uso de veículos elétricos (EV), sustentada principalmente pelos novos pactos de redução ou banimento total da produção de ICE na Europa até 2035 (EC, 2021).
Ainda hoje, o Mercosul não tem legislação similar que proporcione essa obrigatoriedade de interromper a produção de veículos de combustão interna, a curto ou médio prazo, tampouco no início de uma linha de produção 100% focada em veículos EV. Assim, resta-nos apenas a opção de criar meios de reduzir os níveis de CO2 emitidos por veículos ICE.
Hoje possuímos diversas e inovadoras maneiras de reduzir essas emissões, como a utilização de “pneus verdes” (compostos de baixa resistência ao rolamento), utilização de combustíveis renováveis e de menor emissão de CO2, downsizing de motores, sistema de recuperação de energia, dentre outras.
Em Noce, T., et al. (2015) e também em Zifei Yang, (2014). descreve a possibilidade da implementação de PV em veículos como um meio para redução de emissão de CO2 como uma solução viável para reduzir esse impacto negativo e a promoção de fontes alternativas de energia, acrescentando assim a eletricidade originada do PV para dentro do sistema elétrico do veículo.
É um processo inovativo de aumento da eficiência energética de um veículo de combustão interna, a fim de proporcionar um considerável aumento de autonomia de combustível, assim como a redução da emissão de CO2 que esse sistema proporciona.
O objetivo é apresentar uma análise técnica e econômico-financeira de um sistema fotovoltaico aplicado em veículos de combustão interna, expondo as vantagens e desvantagens para o cliente final.
Segundo Yang et al. (2018), o setor de transporte é o principal fator para a emissão de CO2 dentre as ações humanas causadoras do desequilíbrio ambiental e, consequente aquecimento global, correspondendo a 23% do total em energia relacionada à emissão de CO2.
Dentro dessa parcela, o transporte rodoviário corresponde a 74% do total das emissões de CO2 contabilizadas para o setor de transporte. Além disso, dentro de uma média global desse último número, cerca de 54% das emissões de CO2 são originárias de veículos leves automotores (principalmente do tipo de transporte de passageiro) e, 46% emitidos por outros tipos de transporte (aéreo, marítimo e terrestre).
Já observando os dados coletados pelo Atlas da Eficiência Energética Brasil 2023 (EPE) (Figura 1), é possível analisar a evolução do consumo energético rodoviário entre 2000 e 2022, na qual a demanda do transporte de passageiros aumentou em 2,2% a.a., e a do transporte de cargas cresceu 4,8% a.a.
Figura 1 – Atlas da Eficiência Energética Brasil 2023 (EPE)
FONTE: Coletado do EPE, 2023.
Dessa forma, justifica-se a urgente necessidade de abordagem e incremento da eficiência energética desta parcela principal causadora de emissões de gases estufa, com o intuito de mitigação do efeito estufa artificial, para reversão do cenário climático mundial atual.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU REVISÃO DA LITERATURA
2.1 FUNCIONAMENTO DE UM VEÍCULO DE COMBUSTÃO INTERNA
Os principais componentes de um motor a combustão interna têm como função fornecer condições que sejam favoráveis para a realização eficiente e contínua do processo de transformação da energia química dos combustíveis em mecânica, e com o auxílio do alternador, transforma essa energia mecânica em elétrica para realimentar o sistema elétrico do veículo (Figura 2).
Figura 2 – Processo de transformação energética do veículo ICE.
FONTE: Do autor, 2023.
Como representado na acima, dentro de todo sistema elétrico do veículo a bateria possui a função de alimentar todos os componentes eletrônicos que permitem o funcionamento contínuo do motor, assim com os demais periféricos opcionais como ar-condicionado, luzes internas e externas, aquecedores de banco etc. O alternador possui a função de retroalimentar a bateria, como escrito anteriormente, e o motor de arranque é acionado somente para a partida do veículo, utilizando uma alta corrente elétrica para movimentar os pistões para as primeiras explosões dentro das câmaras.
2.2 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Os PV são uma das melhores fontes de se obter energia renovável e, ao longo do tempo, houve um aumento gradativo de investimento e pesquisa nessa área (NASCIMENTO; ALVES, 2016). Dada a grande importância desta tecnologia, o desafio está contido no desenvolvimento de um PV com a maior eficiência possível, com materiais abundantes e não tóxicos, e com baixo custo para a população buscar essas alternativas energéticas.
Segundo CREPEL (2014), diversas tecnologias de fabricação dos PV já foram desenvolvidas nos últimos 60 anos, fabricados a partir de lâminas de silício (mono ou policristalino). Outras tecnologias já estão sendo comercializados atualmente que são baseadas em filmes finos de telureto de cádmio (CdTe), disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS), dentre outros polímeros. Atualmente, as tecnologias fotovoltaicas de primeira, segunda e terceira geração, (Figura 3), já estão incluídas mais comumente para aplicação em edifícios e residências. Contudo, podem ser exploradas para uma aplicação em veículos e outros meios de transporte que demandem esse tipo de energia limpa.
Figura 3 – Esquema das gerações dos painéis fotovoltaicos.
FONTE: Adaptado de R.F. Coelho e A.J. Bühler, 2018.
Segundo FEURER (2017), as PV CIGS são células solares de filme fino baseadas em Cu(In,Ga)(S,Se)2 e representam uma das tecnologias fotovoltaicas mais promissoras, com o aumento constante da eficiência das células se aproximando de 22,6% relatados em escala de laboratório. Eficiências acima de 20% foram alcançados em painéis rígidos e flexíveis realizados em diferentes institutos de pesquisa, bem como empresas industriais.
As vantagens das células CIGS em comparação com outros é a tecnologia que inclui um alto rendimento energético (kWh/kWp instalado), baixo coeficiente de temperatura de perda de energia, baixa sensibilidade ao sombreamento e curto retorno de energia. São encontradas em formatos flexíveis e rígidas moldadas para cobrir as curvaturas da superfície em que vai ser instalada. A Figura 4 ilustra os formatos e a Figura 5 mostram mais detalhes da PV CIGS em corte.
2.3 SISTEMA DE GESTÃO DE ENERGIA
O princípio de funcionamento do sistema de Gestão de Energia (ESM) consiste na utilização de alternador com regulador variável, ou seja, que possibilite o controle de tensão gerada pelas escovas de carvão com o coletor, sendo gerenciado pelo módulo de controle do motor (ECM) via uma comunicação dedicada LIN (Local Interconnect Network). Esse controle da tensão depende do gerenciamento do percentual de estado de carga da bateria ou SOC% (Percentual os State of Charge), controlado pelo módulo de controle do habitáculo (BCM), também possuindo uma comunicação LIN dedicada com o sensor de corrente da bateria (BCS), (Figura 6).
Figura 6 – Esquema básico da comunicação entre Electronic Control Units.
FONTE: Do autor, 2022.
A leitura do nível de SOC% se traduz em qual modo de operação todo o conjunto do sistema ESM vai utilizar para a melhor eficiência energética do veículo, conforme ilustrado da
Figura 7 e cada modo sendo explicado logo abaixo.
Figura 7 – Modos de funcionamento do ESM.
FONTE: Do autor, 2023.
- Nominal Strategy Mode (Modo de Estratégia Nominal): É utilizado quando o SOC% está abaixo dos 90%, sendo necessário uma exigência do alternador até que o SOC% seja recuperado.
- Intermediate Mode (Modo Intermediário): É utilizado quando o SOC% está em 90%, estabelecendo um equilíbrio energético entre o consumo da bateria e a utilização do alternador.
- Discharge Mode (Modo de descarregamento): É utilizado quando o SOC% está entre 100% e 90%, utilizando essa energia para alimentar todos os consumidores do veículo, sem o acionamento do alternador até que o seu nível se aproxime de 90%.
- Regeneration Mode (Modo de Regeneração): É utilizada sempre que o usuário está conduzindo o veículo e retire o pé do pedal do acelerador. Nesse momento é cortada momentaneamente a alimentação de combustível para o motor e o estator do alternador é induzido à 15V de operação, colocando o mesmo para produzir o máximo de corrente para recarregar a bateria até o momento que o acelerador seja pressionado novamente.
2.4 POTENCIAL DE IRRADIAÇÃO SOLAR
Rica em recursos solares, a América Latina tem o potencial de ser uma líder global em energia renovável, com países que possuem um grande potencial de irradiação solar anual devido ao seu posicionamento favorável próximo da linha do equador.
Em Global Energy Monitor (2023) é possível identificar que dentre todos os países da América Latina Brasil e México se destacam pela sua extensão territorial e grande índice de geração solar, com o acréscimo de também possuírem a necessidade, por implemento das legislações locais, de possuir o sistema ESM implementado em seus veículos com a intenção de reduzirem os níveis das emissões de CO2, Figura 8.
Figura 8 – Capacidade de produção solar em grande escala na América Latina.
FONTE: Página Global Energy Monitor, 2023.
3 MÉTODO
O método escolhido para atingir os objetivos propostos são compostos por quatro blocos de desenvolvimento, contendo a sequência das etapas desenvolvidas, representadas na Figura 9.
1ª Etapa: Responsável pelos impactos nos veículos que serão utilizados nos testes, seguido pela fixação do PV escolhido.
2ª Etapa: Responsável pelas simulações e testes. Testes definidos como estáticos de carregamento e descarregamento, dinâmicos com rodagens externas.
3ª Etapa: Visa na análise dos resultados, o estudo de mercado, considerado os países passíveis de receber essa aplicação.
4ª Etapa: Responsável pela análise das considerações finais.
4 APLICAÇÃO DO MÉTODO
4.1 IMPACTOS NO VEÍCULO
O sistema fotovoltaico proporciona ao veículo um recarregamento de energia para a bateria, com o veículo estacionado ou em rodagem, visando atingir um SOC% superior ao convencionado pela ESM, que é de 90%. Após atingir 100% de capacidade de carga da bateria, o controlador de carga MPPT sairá no modo de carregamento Absortion ou de absorção para o modo Floating ou de flutuação, assim limitando de tensão e corrente mínima para que o SOC% total da bateria seja mantido.
Com o SOC% entre 100 até 90% o sistema ESM inicia o modo de operação chamado de “Discharge Mode’ ou modo de descarregamento, o qual a bateria retorna aos 90% de SOC% estabilizado, gerando um Δt1 (Delta de tempo) de tempo em que esse modo de operação não solicita a ativação do alternador, o que é estendido quando somado ao aproveitamento da energia solar recebida pelo PV.
O resultado desse modo de descarregamento é feito de modo que o motor à combustão não sofre a carga de torque exigida pelo alternador, reduzindo o consumo de combustível e o percentual de emissão de gases de efeito estufa liberados à atmosfera, e consequentemente aumentando a economia de combustível se comparando a veículos que não possuem o PV instalado, rodando sempre em 90% de SOC%, conforme a Figura 9.
Figura 9 – Comparação do modo de descarregamento sem e com PV.
FONTE: Do autor, 2023.
O sistema elétrico do veículo ficará semelhante à Figura 2, necessitando a adição do controlador de carga MPPT para regular a tensão e corrente em um ponto de máxima geração de potência do PV para o carregamento da bateria, ilustrado na Figura 10.
Figura 10 – Representação da aplicação do sistema fotovoltaico no veículo ICE.
FONTE: Do autor, 2023.
4.2 INSTALAÇÃO FÍSICA DO PV
A instalação física nos carros necessita de atenção, pois o PV em nenhuma hipótese poderá se soltar com o veículo em movimento, e demanda de uma correta instalação elétrica do sistema fotovoltaico, como ilustra a Figura 11.
Figura 11 – Instalação física do PV nos tetos dos veículos.
FONTE: Do autor, 2023.
Em decorrência das películas serem em modelo protótipo, foi necessário que a passagem dos cabos fosse realizada pela parte traseira dos veículos, conforme Figura 12.
Figura 12 – Perfil da passagem dos cabos no veículo.
FONTE: Do autor, 2023.
Seguindo a orientação dos cabos do PV na parte traseira, fez-se necessário que o MPPT fosse também fixado na traseira do veículo. A instalação do MPPT poderá também ser feita dentro do cofre motor, juntamente com os demais componentes eletrônicos do veículo, ficando assim bem mais próximo da bateria, diminuindo a perda de diferença de potencial de tensão sofrido pela dimensão dos cabos entre o MPPT na traseira e a bateria na dianteira do veículo.
4.3 DEFINIÇÃO DOS TESTES
Para a realização dos testes é necessário levar em consideração os detalhes, respeitando os valores de desprendimento energético de cada veículo. Os testes foram realizados em condições pré-definidas para cada etapa, seguindo a sequência abaixo:
- Simulação de Homologação via Software; o Tipo de motorização e caixa de câmbio; o Nível de equipamentos internos dos veículos utilizados; o Tipo de combustível usado.
o Nível de SOC% com 100% na bateria; o Reprodução do nível de incidência solar, com e sem sombreamento. o Potência de captação das películas em valores de pico, assim são conhecidos os valores máximos de ganho energético;
- Testes Estáticos: Descarregamento e recarregamento; o Nível de SOC% com 100% na bateria no início do teste (descarga); o Iniciar o ensaio com nível de SOC% de 90%, padrão do sistema ESM (recarga); o Medição do nível de incidência solar;
- Testes Dinâmicos: Rodagens internas e externas; o Tipo de combustível (gasolina/flex), etanol); o Nível máximo de combustível; o Pneus calibrados conforme orientação do manual; o Nível de SOC% com 100% na bateria no início do teste; o Medição do nível de incidência solar;
5 ANÁLISE DOS DADOS E RESULTADOS
5.1 RESULTADOS – SIMULAÇÃO VIA SOFTWARE
As simulações levam em consideração diversos valores para realizar os cálculos, na tentativa de obter valores realmente representativos e que possam ser usados nas validações preliminares dos veículos que passarão pelos testes no BàR. Esses valores, embora bem discrepantes da realidade, ajudam a balizar os resultados obtidos nos futuros testes nos veículos. (Tabelas 1 e 2)
Tabela 1 – Amostra de valores da simulação do Renault Captur.
FONTE: Do autor, 2024.
Tabela 2 – Valores das simulações Green para todos os protótipos.
FONTE: Do autor, 2024.
5.2 RESULTADOS – TESTES ESTÁTICOS
Os testes estáticos de descarregamento o veículo deverá ser ligado e assim permanecer imóvel, sem nenhum outro consumidor elétrico ligado, até o percentual de SOC% que estava em 100% retorne aos 90%, conforme preconização da programação do Software da BCM do sistema ESM.
Já na Figura 13, indica a quantidade de tempo que os veículos protótipos ficaram sem ter acionamento do alternador, o qual iniciará uma carga extra ao sistema mecânico do veículo, demanda um consumo a mais de combustível para manter a rotação de marcha lenta.
Somente para relembrar, os ganhos em aumento de autonomia em km/l e consequentemente em redução do consumo de gasolina em litros se dá justamente quando comparamos os resultados obtidos dos testes dos veículos com o sistema PV instalado, com relação à um veículo que não possui, estando constantemente com 90% de SOC% e com o auxílio do alternador durante todo o funcionamento do veículo.
Figura 13 – Testes de descarregamento estático para os três protótipos.
FONTE: Do autor, 2024.
Em todos os testes realizados para o descarregamento estático o piranômetro foi utilizado para auxiliar na visualização da quantidade de irradiação solar no momento dos testes, ilustrado na Tabela 3 abaixo:
Tabela 3 – Tabela de valores médios dos testes estáticos.
FONTE: Do autor, 2024.
O auxílio da energia fornecida pelo PV para a bateria dos veículos proporciona um descarregamento de forma mais lenta, até atingir o percentual de 90% de SOC%, para que o acionamento do alternador seja iniciado. Também é possível visualizar na Tabela 4 os períodos de tempo em que cada protótipo ficou em modo de descarregamento da bateria.
Os resultados dos testes de descarregamento estático demonstram como o sistema PV contribui positivamente para a utilização da energia gerada e para o correto funcionamento do sistema.
Para os testes de recarregamento, o veículo permanece desligado e imóvel, sem nenhum consumidor elétrico ligado, até o percentual de SOC% suba lentamente com a captação da energia do PV e atinja 100%, recarregando totalmente a bateria do veículo, conforme Figura 14. É possível observar que na medida que o MPPT identifica que a tensão da bateria já atingiu um nível estável, automaticamente modo para o modo de flutuação para somente manter a tensão e corrente constante para a bateria, mantendo o 100% de SOC%, representada por uma linha tracejada na ilustração, próximo aos 31 minutos de teste.
Figura 14 – Teste de recarregamento estático para o Kwid.
FONTE: Do autor, 2023.
Em todos os testes realizados para o recarregamento estático o piranômetro foi utilizado para auxiliar na visualização da quantidade de irradiação solar no momento dos testes, ilustrado na Tabela 4 abaixo:
Tabela 4 – Tabela de valores médios de recarregamento dos protótipos.
FONTE: Do autor, 2024.
Os resultados dos testes de recarregamento estático demonstram que o sistema PV realmente recarrega a bateria dos veículos, contribuindo positivamente para a utilização posterior dessa energia para o correto funcionamento do sistema.
5.3 RESULTADOS – TESTES DINÂMICOS
Os testes foram realizados com o auxílio dos sistemas de aquisição de dados do próprio BàR, permitindo assim a exibição dos resultados ilustrados na Figura 15 e o compilado dos resultados na Tabela 5.
Figura 15 – Teste de recarregamento no BàR para os protótipos.
FONTE: Do autor, 2023.
Tabela 5 – Tabela das médias de consumo dos protótipos no BàR.
FONTE: Do autor, 2023.
Os resultados dos testes dinâmicos realizados no BàR demonstram uma tentativa de obter valores de médias de consumo de forma fidedigna devido ao fato de serem testes que garantem uma repetibilidade de acelerações e frenagens durante o percurso padronizado.
O sistema PV não pôde ser testado como deveria, pois, dentro das instalações do BàR não havia ainda o auxílio de um sistema que simula a carga solar com a utilização de lâmpadas incandescentes, mas foi possível avaliar como a carga de 100% de SOC% na bateria contribuiu positivamente para o correto funcionamento do sistema.
Para os testes de rodagem externa foram realizados com o auxílio da ferramenta Vector CANalyzer para a aquisição de todos os dados, uso do piranômetro para o registro da irradiação solar no momento dos testes, além da coleta dos resultados do computador de bordo do veículo que indicam o consumo e autonomia dos veículos ao final dos testes.
A Figura 16 ilustra parte de uma aquisição dos dados pelo Vector CANalyzer e a Figura 17 ilustra a imagem retirada do veículo Duster próximo a consumir um tanque inteiro com as rodagens.
Figura 16 – Parte de um teste dinâmico de rodagem externa, CANalyzer Vector.
FONTE: Do autor, 2024.
Figura 172 – Imagem computador de bordo próximo do fim de um ensaio externo.
FONTE: Do autor, 2024.
A Tabela 6 ilustra o compilado dos resultados das rodagens externas, com a diferença encontrada entre os ensaios com e sem o sistema PV implementado.
Tabela 6 – Tabela das médias de consumo dos protótipos em rodagem externa.
FONTE: Do autor, 2024.
Os resultados dos testes dinâmicos realizados em rodagem externa demonstram uma tentativa de obter valores de médias de consumo de uma forma ainda mais representativa ao que os usuários obterão em seus veículos, observando quais seriam os valores da comparação direta entre os ensaios dos veículos com e sem o sistema PV implementando. As normas de trânsito e os pré-requisitos elaborados para a realização dos ensaios foram respeitando para garantir uma repetibilidade nas amostram, deixando somente a irradiação solar como fator de variação para cada ensaio.
É necessário salientar que esses resultados foram obtidos em condições de irradiação solar diária máxima do PV e com modo de condução moderado, podendo haver divergências com outros testes a serem realizados.
Identificamos algumas variantes que influenciam diretamente no correto funcionamento do sistema PV no veículo que podem, de uma forma ou de outra, prejudicar sua performance ideal, quais sejam:
- Variantes de condições de trânsito e locais
o Horários de pico e de normalidade no tráfego.
o Sombreamento de edificações e árvores; o Condição do veículo em cidades / estrada.
- Variantes de clima:
o Nível de irradiação solar no decorrer do dia; o Bloqueio devido a nuvens; o Acúmulo de poeira na superfície das PV.
- Variantes do veículo:
o Qualidade do combustível e óleo lubrificante; o Manutenções (pneus, qualidade da vida útil da bateria etc.); o Modos de condução pelos usuários.
5.4 DISPONIBILIDADE GEOGRÁFICA
Dentro do América Latina, foca da pesquisa, somente dois países possuem as características necessárias para a aplicação do sistema PV, sendo eles o Brasil e o México. Existem grandes benefícios para esses países, os quais favorecem a aplicação dessa prestação nos veículos, que são;
- Grande incidência de irradiação solar e grande extensão territorial, possuindo um grande número de veículos.
- Ambos possuem legislação que demanda a utilização recursos de redução de gases de efeito estufa em seus veículos, demandando assim o uso de uma bateria modelo EFB e a modulação do acionamento do alternador via controle o ESM.
Os dois países possuem um grande potencial para gerar eletricidade a partir do sol, (Figuras 18 e Tabela 7), devido ao posicionamento geográfica favorável no planeta, sendo ambos próximos da linha do Equador.
Figura 183 – Potencial de irradiação e potência fotovoltaica – América Latina.
FONTE: Página Solar Power Management, 2024.
Tabela 71 – Potencial de irradiação e potência fotovoltaica – América Latina.
FONTE: Do autor, extraído da página Solar Power Management, 2024.
5.5 VIABILIDADE ECONÔMICO-FINANCEIRA
Este capítulo de viabilidade econômico-financeira visa entender de forma simples, como é realizado o cálculo dos custos de implementação e retorno do investimento do sistema PV em um automóvel. Existem diversas técnicas para avaliar se o investimento no sistema PV seria rentável. Dentre eles são: Payback[1] simples, Payback descontado, Valor Presente Líquido (VPL), Índice de Rentabilidade e Taxa Interna de Retorno (TIR). Utilizamos somente o Payback simples neste artigo, para facilitar a compreensão do usuário final, que avalia o investimento para aquisição de todo o sistema PV dividido pelo custo da quantidade de litros de combustível economizados pela utilização do sistema, para avaliar seu prazo de retorno (GITMAN, 2012), conforme fórmula na Figura 19.
Figura 19 – Fórmula para o cálculo do Payback conforme Gitman.
Fonte: Adaptado de Gitman (2012).
Abaixo segue a listagem de itens que foram considerados para o levantamento total de custos do sistema: (Valores médios retirados de diversos fornecedores pesquisados no webs sites do mercado nacional)
- PV – Appolo Power 180Wp com 1,5m² → ~R$1200,00
- MPPT – Victron Energy 75/15 → ~R$400,00
- Cabos e terminais – Reymaster → ~R$100,00
- Hora de serviço para instalação e verificação → ~R$300,00
Custo total aproximado para o todo o sistema PV será de ~R$2000,00.
Para que esta análise fosse realizada de forma assertiva, segue abaixo uma lista de projeções do uso dos veículos ao longo do tempo, levando em consideração os dados levantados no capítulo 5.2, valor do litro de gasolina pesquisado em abril 2024 na ANP (Agência Nacional do Petróleo) e os valores de economia de combustível encontrados no capítulo 4.6 (Tabela 9), justamente pela representativa na comparação entre veículos com e sem o sistema PV implementado.
- Média de quilómetros rodadas por ano:
o Persona 1 com 10 mil km/ano;
o Persona 2 com 70 mil km/ano;
o Persona 3 com 20 mil km/ano.
- Custo médio do litro de gasolina em Curitiba, segundo ANP: o Em 2024 a média calculada é de ~R$5,96.
o Média de aumento de autonomia por tanque de combustível:
o Renault Kwid: Aumento de 2,9 km/l de autonomia; o Renault Duster: Aumento de 2,2 km/l de autonomia; o Renault Captur: Aumento de 2,1 km/l de autonomia; Considerando todos os dados acima, segue Tabela 8 de cálculo de Payback para todos os modelos:
Tabela 8 – Cálculo de Payback o sistema PV.
FONTE: Do autor, 2024.
Salientamos que, conforme citado anteriormente, estes resultados foram obtidos em condições favoráveis irradiação solar diária e com modo de condução moderado, podendo haver divergências com outros testes que porventura venham a ser realizados.
Conforme visto na Tabela 8, para cada modelo foram utilizados os dados obtidos das rodagens externas dos veículos, com e sem o sistema PV instalado, para estabelecer um comparativo com o número de quilómetros que cada persona percorreria por ano. Deste modo, foi possível obter a quantidade de litros de combustível economizado por ano, para que na sequência fosse multiplicado pelo valor de cada litro, obtendo assim o valor do custo total economizado anualmente.
Este custo total da quantidade de litro de combustível economizado por ano agora foi utilizado para verificar o período de retorno do investimento, conforme explicado na Figura 67 acima.
Obtivemos em paralelo a comparação da quantidade de tanques de combustível que seriam economizados por ano para cada modelo, dividindo-se a quantidade de litros salvos por ano pelos valores de capacidade dos tanques de cada veículos.
O resultado final desta verificação consiste no percentual por ano economizado pelos veículos com o sistema PV implementado, em comparação aos veículos que não o possuem. Os três modelos protótipo utilizados obtiveram percentuais próximos aos 16% de redução de consumo de gasolina anual, índices significativos e que podem ser amplamente instalados nos veículos.
6 CONCLUSÃO/CONSIDERAÇÕES FINAIS
Conforme visto, ainda hoje no Mercosul não há legislação governamental similar as da Europa, que proporcione a obrigatoriedade de interromper a produção de veículos ICE e início da produção com 100% de veículos EV, a curto ou a médio prazo. Portanto a busca por novas tecnologias e aplicações regulamentares devem ser o foco do desenvolvimento automotivo industrial para a redução os níveis de CO2 emitidos por veículos ICE.
Diversas e inovadoras maneiras de reduzir essas emissões já estão sendo implementadas atualmente, seguindo essa preocupação com o meio ambiente. Cada vez mais há uma preocupação em investir no desenvolvimento de novas tecnologias, buscando melhorar esses índices ambientais nos mais diversos contextos.
A instalação do sistema PV é um processo inovativo de aumento da eficiência energética de um veículo ICE, e tem por objetivo proporcionar um considerável aumento de autonomia de combustível, e a consequente redução das emissões de CO2.
Os dados fornecidos pelo INMETRO, dentro do Programa Brasileiro de Etiquetagem Veicular (PBEV) e da Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE), presentes no Anexo 6, são relevantes para determinar os atributos como eficiência energética, consumo, autonomia e emissão de gases CO2 de todos os carros à venda no Brasil. São obtidos em ensaios dentro do BàR de cada montadora, realizando os circuitos de homologação testemunhados por agentes credenciados que garantem a validade dos dados obtidos.
Os resultados desses ensaios são utilizados para comparação entre todos os veículos de todas as montadoras dentro do território nacional, e foi por esse motivo que também foram realizados ensaios dentro desses mesmos ciclos de homologação para a verificação do potencial de ganho energético que o sistema PV, implementado ao veículo poderia proporcionar.
A comparação direta entre os resultados homologados e etiquetados pelo INMETRO com os resultados obtidos nos testes dinâmicos dentro do BàR, servem com base de uma possível implementação do sistema PV para a inclusão de uma faixa de descontos de IPI (Imposto sobre Produtos Industrializados) e demais incentivos fiscais mais atraentes para a montadora, se inserido dentro da linha da produção.
Outra possibilidade de aplicação do sistema PV seria na venda direta nas concessionárias na forma de acessório, produzidos para instalação posterior a compra do veículo, incluindo essa aplicação em créditos Off-Cycle , dentro da Portaria MDIC nº 74/ 2015.
Embora promissores, os resultados obtidos nos testes dinâmicos dentro do BàR não são representativos aos usuários, pois apresentam um padrão de rodagem que não é possível ser replicado nas ruas no dia a dia, portanto, os resultados dos testes de rodagem externa foi o foco deste artigo.
Ao analisar todos demais dados obtidos com as simulações e testes práticos, fica evidente que a mais realista comparação possível seria com os resultados dos testes de rodagem externa, pois os valores médios de consumo são mais expressivos do que os usuários obterão em seus veículos em trechos curtos no dia a dia.
O resultado final dos testes de rodagem externa apresentam um percentual de consumo em litros de gasolina economizados por ano pelos veículos com o sistema PV implementado. Os três modelos protótipo utilizados obtiveram percentuais próximos aos 16% de redução de gasolina anual, índices que consideramos serem realmente significativos e que podem ser amplamente instalados nos veículos novos e usados. Salientando que esses veículos usados devem possuir o sistema ESM integrado, para que haja a modulação do uso do alternador do veículo.
Importante salientar também é que esses valores de economia de combustível anual se deram no que possível comparar a um termo utilizada nas ciências econômicas como “Ceteris Paribus” , ou seja, que os valores aproximados de 16% de economia foram obtidos com todas as condições sendo atendidas de forma ideal, detalhados no final do capítulo 4.6.
Na análise sobre a utilização do sistema PV com relação as personas citadas no capítulo 5.2, foi apresentada quais seriam as possibilidades de economia de combustível de cada modelo selecionado, ilustrando que as variáveis de quilómetros percorridos por ano, custo por litro de combustível e o custo da instalação do sistema PV, são os principais elementos para o cálculo do período de retorno do investimento.
Portanto, os períodos de Payback podem ser deferentes dependendo da alteração dessas variáveis, os quais são de grande relevância para a tomada de decisão de quanto tempo alguns usuários permanecerão de posse de seus veículos.
Outra análise relevante feita dentro deste arttigo foi com relação a quantidade de CO2 salvo com as quantidades de litros de combustível economizados por cada modelo, representados na Tabela 9 abaixo, que utilizou os mesmos dados ilustrados na Tabela 8 e nas informações contidas no Apêndice 1, a qual mostra a quantidade em gramas de CO2 que cada modelo emite por quilómetro (CO2 g/km).
Tabela 9 – Cálculo de CO2 salvo por ano e por modelo.
FONTE: Do autor, 2024.
Conforme visto na Tabela 9, para cada modelo foi possível calcular qual seria a economia de emissão de CO2 ao meio ambiente. O cálculo consiste na relação direta da quantidade de litros de combustível salvos por ano com a média em km/l que cada modelo obteve nos testes. Assim, é possível obter a quantidade de km total que essa economia de combustível obteve.
Cada modelo apresenta, comprovado e homologado pelo INMETRO, presentes no Apêndice 1, valores em g/km de CO2 emitidos cara cada km rodado.
Esses valores, multiplicados pela quilometragem salva total, resulta na quantidade de gramas ou quilos de CO2 emitidos a menos ao meio ambiente anualmente, em comparação com os veículos que não possuem o sistema PV instalado.
Para finalizar, analisando os aspectos técnicos, econômicos e impactos ambientais da aplicação do sistema PV nos veículos ICE, concluímos que o sistema, uma vez implementado no veículo, contribuirá de forma significativa na busca de viabilizar uma nova maneira de otimizar ainda mais a eficiência energética, com a utilização de formas de geração renovável e limpa de energia, resultando em uma economia financeira aos usuários e na redução dos gases de efeito estufa, contribuindo com a diminuição do impacto ambiental global.
REFERÊNCIAS
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APÊNDICE 1 – Tabela de Eficiência Energética INMETRO
[1] Payback: Período de Retorno do Investimento
1Discente do Curso de Mestrado Profissional em Desenvolvimento de Tecnologia do Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento – Lactec. e-mail: ikefontana@gmail.com
2Docente do Curso de Mestrado Profissional em Desenvolvimento de Tecnologia do Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento – Lactec. e-mail: eduardo.trindade@lactec.edu.br