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Eletrificação do trator e seus benefícios
Bosch Engineering | BEG/SLA | 26.09.2018 © Robert Bosch Ltda 2018. Todos os direitos reservados, incluindo–se qualquer traspasse, exploração, reprodução, edição, distribuição, assim como no caso de pedidos de direitos de propriedade industrial.
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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
Eletrificação do trator e seus benefícios
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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
Source: Business insider Source: John Deere
Eletrificação do trator e seus benefícios
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Vantagens
Resposta em torque Eficiência energética Menor nível de emissões Menor custo operacional Menor nível de ruído
Source: Bosch
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Torque do powertrain elétrico
Motor elétrico e a combustão com torque similares. Maior torque em baixas rotações Maior faixa de uso -> simplificação da transmissão
050
100150200250300350400450
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Torqu
e [Nm
]
Rotação [rpm]
Torque combustão x elétrico
Elétrico (Nm)
Combustão (Nm)
0
50
100
150
200
250
300
350
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Potên
cia [c
v]
Rotação [rpm]
Potência combustão x elétrico
Elétrico (cv)
Combustão (cv)
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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)
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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
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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
Source: Galileu
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Opções para a eletromobilidade agrícola
ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN
HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN
CÉLULA DE COMBUSTÍVEL
ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS
RECUPERAÇÃO DE ENERGIA
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Tipos de veículos elétricos
Source: Karsten Kieckhäfer, Strategic planning towards electric mobility in the automotive industry
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Opções para a eletromobilidade agrícola
ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN
HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN
CÉLULA DE COMBUSTÍVEL
ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS
RECUPERAÇÃO DE ENERGIA
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Tipos de veículos elétricos
Source: Karsten Kieckhäfer, Strategic planning towards electric mobility in the automotive industry
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Topologia básica powertrain elétrico
Onboard charger
Low voltage battery
Accessories
Low voltage
DC/DC
Source: Bosch
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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
https://www.youtube.com/watch?v=v50WJ-sCLrs
Source: Fendt
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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).
https://www.youtube.com/watch?v=kxLm2XnQixk
Source: Agriland
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Armazenamento de energia
Source - Giuseppe Graber, Electric Mobility: Smart Transportation in Smart Cities
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Energia específica das baterias
Bateria Akasol AKM53POC 270 kW, 35,3 kWh, 666V, 333kg
Energia equivalente a 2,5 litros de diesel
Maior peso em tratores elétricos -> compactação
Source: Akasol
Source: Wikipedia
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Opções para a eletromobilidade agrícola
ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN
HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN
CÉLULA DE COMBUSTÍVEL
ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS
RECUPERAÇÃO DE ENERGIA
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Tipos de veículos elétricos
Source: Karsten Kieckhäfer, Strategic planning towards electric mobility in the automotive industry
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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 30.000 horas Saída AC auxiliar de 230V trifásico 270kW Performance do powertrain híbrido equivale a um diesel de 313 kW
Source: Farm Weekly
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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
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Tipos de veículos elétricos
Source: Karsten Kieckhäfer, Strategic planning towards electric mobility in the automotive industry
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Carregador híbrido-paralelo
https://www.youtube.com/watch?v=PfypNJzHFwM
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
Source: Merlo
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Opções para a eletromobilidade agrícola
ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN
HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN
CÉLULA DE COMBUSTÍVEL
ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS
RECUPERAÇÃO DE ENERGIA
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Tipos de veículos elétricos
Source: Karsten Kieckhäfer, Strategic planning towards electric mobility in the automotive industry
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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: Wikipedia
Source: Stanford
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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
https://www.youtube.com/watch?v=cZS0r5n4sdI
Source: New Holland
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Células a etanol
Extração do hidrogênio a partir de etanol (biocombustível) Geração de energia elétrica pelo hidrogênio Reação produz CO2
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.
Source: Nissan
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Opções para a eletromobilidade agrícola
ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN
HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN
CÉLULA DE COMBUSTÍVEL
ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS
RECUPERAÇÃO DE ENERGIA
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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
Sources: LPF-TAGRALIA, Technical University of Madrid, Madrid, Spain
Farners Weekly
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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.
Source: Amazone
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Implementos elétricos
Bosch Seeder Controle elétrico da rotação dos dosadores de semente Variação da população Compensação em curvas Corte de linhas em sobreposição
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Opções para a eletromobilidade agrícola
ELETRIFICAÇÃO DO POWERTRAIN
HIBRIDIZAÇÃO DO POWERTRAIN
CÉLULA DE COMBUSTÍVEL
ELETRIFICAÇÃO DE PERIFÉRICOS
RECUPERAÇÃO DE ENERGIA
Eletrificação do trator e seus benefícios
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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
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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
Source: Bosch
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Muito obrigado
Thiago Mendes Pereira [email protected] +55 (41) 99897-5445 https://www.linkedin.com/in/thiago-mendes-pereira/