Por isso, quando alguns visualizam um futuro em que o custo fixo de aquisição dos automóveis será determinante, requerendo novas filosofias de investimento, aparentam raciocinar brilhantemente mas, na verdade, assentam num pressuposto falacioso: o de que o custo variável, de energia, do automóvel eléctrico, será muito inferior ao dos seus concorrentes com motor de combustão!
Ora isso só é verdade hoje em dia devido à distorção fiscal dos preços da gasolina e da electricidade, o que seguramente não será sustentável se os automóveis eléctricos substituirem os outros.
E, sendo assim, é também errado pensar que o custo fixo dos automóveis eléctricos se manterá no futuro tão alto como é hoje. Que, presentemente, esse elevado custo inviabiliza de todo a competitividade do automóvel eléctrico, é reconhecido por todas as instituições internacionais responsáveis, mas o custo das baterias, que são as principais responsáveis por isso, há-de baixar. Lentamente, com grande probabilidade, mas baixará...
E, por isso, as previsões futuristas que ignoram esta inevitável dialéctica (respectivamente da fiscalidade sobre a energia mas também da evolução tecnológica das baterias) são conceptualmente pobres: "mecanicistas", assim lhes chamariam alguns...
Porém, o que hoje pretendo acrescentar a este debate de surdos é algo de concreto: uma revisão do estado da arte da tecnologia das baterias de iões de lítio para automóveis.
- O estado da tecnologia das baterias de iões de lítio
O 1º problema das baterias de iões de lítio é a... segurança! Citando o artigo do IEEE:
"Remember 2006's vivid videos of flaming laptops? Nobody was hurt, but the resulting recall of millions of lithium-ion batteries was a black eye for Sony and other major vendors. If a lithium-ion powered minivan carrying a family were to burst into flames, the resulting fiasco could set the industry back a decade. ...
Safety is key, and it all comes down to preventing fires and explosions.
These catastrophes happen when a cell shorts out, gets hot, and starts an exothermic oxidizing reaction that kicks the temperature to hundreds of degrees Celsius in a fraction of a second. The heat then shorts out adjacent cells to produce a runaway thermal reaction that can be spectacular (just ask Sony). And, unlike a gasoline fire, the conflagration can’t be smothered, because it gets oxygen from the cell’s intrinsic chemistry. Of course, the more cells there are in a battery pack, the greater the chance of a problem. Although it’s clear that impurities introduced during manufacturing are largely to blame, the mechanism remains unclear."
Para compreender os dilemas envolvidos na tecnologia destas baterias, convém começar por saber algo sobre a respectiva química:
"Like any battery cell, this one has two electrodes sitting in an ion-rich solution, the electrolyte. The electrodes are typically very close, so a polymer film, called a separator, prevents contact and a possible short circuit. A switched external circuit connects the electrodes to draw power, and the electrochemical reaction begins.
Ionized elements in the anode - in this case, including lithium - are tugged by the electric potential that is inherent in their chemical relation to elements in the opposing electrode, the cathode. The ions move through the electrolyte and the separator. Those arriving at the cathode give up electrons; those coming to the anode accept them. Electrons travel through the external circuit, producing a flow of charge complementary to the flow of ions. During recharge, current is forced into the cell, reversing the process.
Cell shapes vary widely, from thin discs hardly larger than a pinhead to high-power specimens the size of a small fire extinguisher. The consensus view in the auto industry is that battery packs will consist of up to 100 large-format cells of 20 to 50 ampere-hours apiece - each cell perhaps 50 millimeters wide and 200 mm long - grouped into modules that include sensors and electronics. The modules feed data to an electronic battery management system, which performs the crucial function of enabling cells of varying power and voltage to work together as a unit.
The Tesla alternative, packaging thousands of inexpensive commodity cells, requires far more sensors and control software than would be practical for mass-market vehicles.
There is no one lithium-ion battery. Several chemical designs compete, each with advantages and drawbacks. ...
The anode is typically made of graphite, but the cathode composition varies widely from design to design, and as much as any other factor it determines a battery’s capacity.
The critical feature is the rate at which the cathode can absorb and emit free lithium ions; this parameter in turn largely determines the power density.
Each of several competing cathode materials has a different mix of cost, durability, susceptibility to temperature, and so forth. Cobalt is more reactive than nickel or manganese, meaning it offers high electrical potential when paired with graphite anodes, permitting higher voltage. However, cobalt, like nickel, is expensive.
Manganese is cheaper, but it is slightly soluble in electrolytes - which means a shorter useful life".
E, dado este dilema entre o alto preço do cobalto e a fraca duração do manganês, as opções presentemente em disputa e em Investigação abarcam:
"Cobalt dioxide is the most popular choice today for small cells. It has been on the market for 15 years, so it is proven and its costs are known. It has high electrical potential and the highest energy density - up to 600 Wh/kg. On the other hand, when fully charged, it is the most prone of all the cathode alternatives to oxidation and subsequent thermal runaway. Its internal impedance - the extent to which it ”pushes back” against an alternating current - also increases with both calendar time and cycling. Cobalt dioxide cells are manufactured by dozens of Chinese, Japanese, and South Korean companies.
Nickel-cobalt-manganese is somewhat easier to make. Substituting nickel and manganese for some of the cobalt raises the electrical potential only slightly, but it’s enough to let manufacturers tune the cell either for higher power or for greater energy density, though not both at the same time. (Remember that total energy determines the vehicle’s range, whereas available power determines its acceleration.) It is susceptible to thermal runaway, though less so than cobalt dioxide. Its long-term durability is still unclear, and nickel and manganese are both pricey at the moment. Manufacturers include Hitachi, Panasonic, and Sanyo.
Nickel-cobalt-aluminum is similar, with lower-cost aluminum replacing the manganese. Companies manufacturing NCA cells include Toyota and Johnson Controls–Saft, a joint venture between a Milwaukee company and a French firm.
Manganese oxide spinel offers higher power at a lower cost than cobalt, because its three-dimensional crystalline structure provides more surface area, permitting more ion flow between the electrodes. The drawback is an energy density only slightly better than 450 Wh/kg. GS Yuasa, LG Chem, NEC-Lamilion Energy, and Samsung offer cells with such cathodes.
Iron phosphate may well be the most promising new cathode, thanks to its stability and safety. ...The compound is inexpensive, and because the bonds between the iron, phosphate, and oxygen atoms are far stronger than those between cobalt and oxygen atoms, the oxygen is much harder to detach when overcharged. Therefore, when it fails, it does so without overheating.
Unfortunately, however, iron phosphate doesn’t conduct well; to compensate, engineers have to add dopants. Even then, the cells work at a lower voltage than cobalt, so more of them must be chained together to drive a motor. That means iron phosphate battery packs need more interconnections and sensors to control the system.
One way around that problem is A123’s use of nanostructures in the cathode. This proprietary method produces better power and longer life than earlier generations of iron phosphate cells, says Andy Chu, a researcher at A123.
As phosphate molecules in the cathode acquire and give off lithium atoms - undergoing lithiation and delithiation - the phase boundary between the two states shifts, just as the boundary between cold water and ice does during freezing. In A123’s nanostructures, the molecular lattices of the two states are structurally more similar to each other than in other phosphate cells, so atoms need less time to rearrange themselves. That means lithiation can proceed faster, delivering more power.
Moreover, because the lattice spacing of the two phases is closer, the physical stress on the cell is reduced, especially in deep discharge and charge. The cells should thus last longer....
One shadow hanging over iron phosphate chemistries is the extent of the coverage of patents for work done by the pioneering researcher in the field, John Goodenough, now of the University of Texas at Austin. A123 insists that its work does not violate the patents. Gaia, on the other hand, purchases only materials manufactured under license to the patent owner.
One characteristic flaw of lithium-ion batteries, anode plating, comes when a recharging cell dumps lithium ions faster than the anode can absorb them. This problem can be caused either by low temperatures, which slow the rate of diffusion, or by overcharging, which slows the rate of absorption. One of the jobs of the battery management system is to keep overcharging from ever happening.
Plating is bad for a number of reasons, particularly because it further reduces absorption, increasing the concentration of carbon ions until they begin to react with the oxygen in the electrolyte. The oxidation - equivalent to that in a burning lump of coal - creates a lot of heat, which in turn increases the rate of deposition.
A123 says its carbon anode combines the high rate of charging provided by graphitic carbon with the long life of nongraphitic types. It won’t give details of its proprietary formulation, saying only that it fine-tunes the size and structure of the particles.
Altair Nanotechnologies of Reno, Nev., wards off plating by coupling standard cobalt oxide cathodes with anodes made of lithium titanate spinel rather than graphite. The spinel won’t react with oxygen, and it also charges fast and lasts long. However, the energy density - at the current, early stage of development - is only half that of standard cobalt cells, and it is little better than that of nickel-metal-hydride cells.
The second-toughest problem after thermal runaway is limited life span, as measured by both the calendar and the number of charge-discharge cycles. A123’s Fulop says the cycle-life goals are easy to meet, but the calendar-life ones will be harder.
Cobalt-based cells for portable electronics lose as much as 20 percent of their capacity each year, starting from the day of manufacture. That may be tolerable for cellphones and other portables that are replaced every three or four years, but not for a car, which is expected to last 15 years.
The California Air Resources Board requires a vehicle’s power train to last for 10 years or 150 000 miles (240 000 km) with the original components. GM has said, meanwhile, that it expects battery packs for its Volt concept car to last for at least 4000 full-discharge cycles. That’s good but might not be good enough. At one charge-discharge cycle per day, the pack would last for 11 years - though it’s the rare car that runs 365 days a year for a decade.
Worse yet, auto and battery makers don’t have the luxury of spending 10 years testing lithium-ion packs. ”Ideally,” says Mark Verbrugge, director of GM’s materials and processes laboratory, ”we’d have half the life span to test it. But we don’t, so there’s no clean answer.” Meanwhile, automakers are ”oversizing” their battery packs to ensure they’ll power the car even after projected degradation. Of course, that strategy adds cost and weight."
Plating is bad for a number of reasons, particularly because it further reduces absorption, increasing the concentration of carbon ions until they begin to react with the oxygen in the electrolyte. The oxidation - equivalent to that in a burning lump of coal - creates a lot of heat, which in turn increases the rate of deposition.
A123 says its carbon anode combines the high rate of charging provided by graphitic carbon with the long life of nongraphitic types. It won’t give details of its proprietary formulation, saying only that it fine-tunes the size and structure of the particles.
Altair Nanotechnologies of Reno, Nev., wards off plating by coupling standard cobalt oxide cathodes with anodes made of lithium titanate spinel rather than graphite. The spinel won’t react with oxygen, and it also charges fast and lasts long. However, the energy density - at the current, early stage of development - is only half that of standard cobalt cells, and it is little better than that of nickel-metal-hydride cells.
The second-toughest problem after thermal runaway is limited life span, as measured by both the calendar and the number of charge-discharge cycles. A123’s Fulop says the cycle-life goals are easy to meet, but the calendar-life ones will be harder.
Cobalt-based cells for portable electronics lose as much as 20 percent of their capacity each year, starting from the day of manufacture. That may be tolerable for cellphones and other portables that are replaced every three or four years, but not for a car, which is expected to last 15 years.
The California Air Resources Board requires a vehicle’s power train to last for 10 years or 150 000 miles (240 000 km) with the original components. GM has said, meanwhile, that it expects battery packs for its Volt concept car to last for at least 4000 full-discharge cycles. That’s good but might not be good enough. At one charge-discharge cycle per day, the pack would last for 11 years - though it’s the rare car that runs 365 days a year for a decade.
Worse yet, auto and battery makers don’t have the luxury of spending 10 years testing lithium-ion packs. ”Ideally,” says Mark Verbrugge, director of GM’s materials and processes laboratory, ”we’d have half the life span to test it. But we don’t, so there’s no clean answer.” Meanwhile, automakers are ”oversizing” their battery packs to ensure they’ll power the car even after projected degradation. Of course, that strategy adds cost and weight."
Como se vê, as várias alternativas à constituição dos cátodos das baterias de iões de lítio defontam-se com os problemas da segurança, da potência, do peso, da durabilidade e do custo dos materiais. Uma opção que é melhor num aspecto é pior nos outros, e o problema continua sem solução satisfatória - além de que só depois de se usarem por vários anos se saberá quanto duram ao certo as baterias...!
E, finalmente, vem o problema do preço:
"At the moment, 12-V lead-acid batteries cost US $40 to $50 per kWh. Nickel-cadmium and nickel-metal-hydride cells for portable electronics cost $350/kWh; lithium-ion cells for the same market go for $450/kWh. Move to hybrid vehicles, though, and the price for longer-lived, more rugged nickel-metal-hydride batteries shoots up to about $700/kWh. That’s more than double the $300 target set by the U.S. Advanced Battery Consortium for automotive lithium-ion packs.
Manufacturers expect to reach that target by 2015, but in the earlier stages of production the price will likely be several times higher. How low must the price fall before a manufacturer will commit to even a low-volume purchase? No one will say, though every manufacturer surely has a threshold in mind.
World politics plays a role in some of those costs, especially prices of the raw materials. Lithium is not a ”strategic metal,” unlike nickel - whose price is surging as demand for stainless steel grows - so the cost of the metal per kilowatt-hour is lower for lithium than for nickel-metal-hydride. Right now, Chile and Argentina supply much of the world’s lithium carbonate, but Bolivia and China also have large reserves.
No automaker wants to depend on a supplier in a distant land, especially one whose loyalties lie with a competitor. Take Ford: it purchased nickel-metal-hydride battery packs for its Escape Hybrid SUV from Japan’s Sanyo Electric Co., which had developed them for Toyota. But if battery supplies get tight, Sanyo’s ties to Toyota surely will outweigh Ford’s needs."
Neste estado das coisas, que construtor honesto de automóveis, com pretensões estratégicas de não comprometer a sua imagem no mercado, tentará convencer os clientes a arriscarem a compra de automóveis eléctricos?
Só os fabricantes cuja sobrevivência há muito que está ameaçada ou mesmo comprometida e que precisam desesperadamente de protecção política, como a falida Nissan (comprada pela Renault) e todos os construtores americanos!
- Os híbridos
Porém, como notei aqui, o motor a gasolina tem um rendimento menor que o Diesel, e a solução ideal, em termos de economia no consumo, seria o Diesel híbrido.
O Diesel híbrido requer uma tecnologia mais complicada que a do a gasolina híbrido, mas a Peuget desenvolveu uma engenhosa solução já em comercialização, que consegue reduzir o consumo em perto de 1/3 relativamente ao Diesel tradicional, para uns anunciados 3,8 l/100 km. O automóvel tem 200 CV e este consumo (o real deve andar pelos 4,5l/100 km) não é melhor que o do Toyota Prius, que consome gasolina, mais cara entre nós que o gasóleo mas apenas por razões fiscais, visto a gasolina ser 10% mais pobre em energia e também mais barata antes de impostos que o gasóleo.
Mas os aperfeiçoamentos prosseguem e, mais inovadora que a Peugeot, também a Volvo anuncia para 2012 um Diesel híbrido de alto rendimento e carregável electricamente, o V60, com um consumo anunciado de 1,9 l/100 km.
Ao contrário do 3008 da Peugeot, este Diesel híbrido já traz uma bateria de iões de lítio capaz de assegurar uma autonomia puramente eléctrica de 50 km, e que pode ser carregada ligando-a à tomada ("Plug-in"). Mas trata-se ainda de um automóvel de mais de 200 CV e que, com a capacidade anunciada para a bateria, não poderá ser barato!...
Ora há já cerca de pelo menos uma década que a VW vem desenvolvendo um conceito de automóvel Diesel híbrido de baixo peso e pequena potência, 48 CV (afinal a mesma que tinham a maior parte dos pequenos utilitários nos anos 80, antes do petróleo ter embaretecido novamente a seguir ao 2º choque petrolífero). Conjugando um baixo peso e potência com um inovador motor Diesel muito pequeno de apenas 2 cilindros e 800 cm3, este conceito alega atingir um consumo inferior a... 1 litro/100 km!
Ultimamente a aposta da VW neste projecto ganhou nova alma, e a VW acaba de apresentar um protótipo de entrada no mercado também anunciado para 2012, mostrando aliás com isto que não tem a confiança no futuro do automóvel eléctrico puro que alguns advogados seus anunciam.
Também com baterias de iões de lítio carregáveis "plug-in", a autonomia em modo puramente eléctrico é de cerca de 35 km, de que convirá não usar mais de metade para lograr uma razoável longevidade da bateria, o que sendo suficente para alguns circuitos urbanos permite antever um preço razoável para este automóvel. Ensaios recentes por especialistas independentes mostraram satisfação com a condução do Xl1, cujo depósito de combustível apenas comporta 10 litros.
Infelizmente e apesar da importância da Auto-Europa nas exportações portuguesas, não há notícia de qualquer participação nacional neste desenvolvimento...
E certamente a evolução irá sendo feita a partir destes híbridos carregáveis electricamente.
À medida que o petróleo for encarecendo e a tecnologia de baterias se for aperfeiçoando, os condutores usarão crescentemente as baterias carregadas a partir da rede eléctrica para os seus percursos e menos o motor de combustão, mas dispondo sempre deste, mesmo que só como reserva do eléctrico, para lhes proporcionar a necessária autonomia quando dela precisarem.
Um dia distante virá talvez que as baterias sejam já tão desenvolvidas que dispensem a própria existência do motor a combustão auxiliar. Mas, a prazo de décadas, qualquer previsão é altamente especulativa: pode ser que dentro de 20 ou 30 anos os aviões gigantes e os TGV tenham tornado as viagens mais longas tão baratas que não se justifique usar o automóvel para distâncias, por exemplo, superiores a 300 km (como de certo modo já acontece nos EUA), o que reduzirá a importância da questão da autonomia. E pode também acontecer qualquer invenção inimaginável que mude todo o contexto desta especulação, como por exemplo o uso em massa de biodiesel em híbridos com consumos de 1 ou 2 litros/100 km, ou confirmar-se que o aquecimento global resulta afinal em grande parte de variações naturais da intensidade da radiação cósmica celeste...
Seja como for, só a solução híbrida permite ganhar o tempo que for preciso para que o desenvolvimento da tecnologia de baterias siga o seu curso sem se ter de forçar os consumidores a perderem o extraordinário bem que o automóvel lhes trouxe: a liberdade de movimento!
2 comentários:
Professor
Não vou contestar, de maneira alguma, a sua análise. Concordo praticamente com tudo. Excepto na sua última declaração. A liberdade de movimentos introduzida pelo automóvel é mais ilusória que real. Quantos mais carros nas estradas pior a liberdade de movimentos, sejam os carros movidos a gasosa ou a tintol. Para pequenas distâncias existe um veículo muito mais eficaz, barato e ecológico que o automóvel: a bicicleta. Ensaios recentes feitos por especialistas independentes comprovam que uma bicicleta gasta aproximadamente 0 (zero) litros de gasóleo aos 100 Km. Claro que há algumas que consomem mais em anfetaminas, mas isso é outra história. :)
Em alternativa, as pessoas podem andar a pé. É verdade. Estudos científicos recentes provam que os membros inferiores da espécie humana, vulgarmente conhecidos por pernas e pés, podem servir para estes animais se deslocarem em distâncias consideráveis.
E os poderes públicos podem apostar mais nos transportes públicos.
Para mim, a minha única preocupação nesta história consiste no facto de o dinheiro dos meus impostos ser gasto nestas alarvidades. Nestas alarvidades incluo, obviamente, os roubos e a corrupção existentes à volta deste negócio.
Bem-haja pelos seus artigos, que elucidam a malta e nos desvendam os "vultos furtivos que se escondem por trás da luz".
Pedro, Montijo.
Caro Pedro Montijo,
Nada tenho contra que goste de andar de biciclenta e de andar a pé.
Mas, quando eu digo que o automóvel dá um extraordinário bem que é a LIBERDADE, não me baseio no meu gosto pessoal por automóveis.
Baseio-me no que vou vendo, em múltiplos documentários sobre a vida nos antigos países de leste, na China, nos EUA no sec. XX ou no 3º Mundo, e à minha volta.
Ou seja: baseio-me no que vejo os povos considerarem, não num gosto pessoal.
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