Importância dos novos materiais para tecnologias aplicadas ao Veículo Elétrico - VE

por Ricardo Takahira

Estamos assistindo um boom dos veículos elétricos em nosso país. Nos meus mais de 20 anos nesse segmento percebo esta presença cada vez mais forte, porém com algumas considerações: lá nos Estados Unidos, mais precisamente na Califórnia do que nos outros estados e na China obviamente, têm marcas de novos entrantes que nunca ouvimos falar. Aqui já temos alguns players como a BYD, recentemente a Higer e Yutong no segmento de ônibus, a Volvo carros com o nome de Geely e a Jaguar Land Rover como Tata; então às vezes temos uma marca muito conhecida, mas atrelada um grupo novo indiano ou asiático.

Temos sido classificados como um país sem presença da indústria automotiva, mas por aqui temos quase todos os atores presentes, porém ainda não temos uma política pública forte bem definida, por exemplo: o Brasil não tem uma data para deixar de comercializar veículos à combustão e por isto, ainda existe uma forte influência do setor de biocombustíveis, ponto que falarei mais à frente. No segmento de veículos leves, existem produtos com uma presença muito grande de importados, com exceção de algumas localizações de montadoras importantes como a Toyota, que manufatura o Toyota Híbrida Flex Etanol não plug-in, estratégia muito alinhada com nossa

Figura 1. https:// transportemundial. com.br/caminhoese-onibus-eletricoso-abismo-entre-obrasil-e-a-china/

realidade brasileira. O Brasil tem um caráter automotivo muito diferente de todos os outros países, abençoado pela nossa matriz energética ampla e diversificada, mas contudo, ainda sem uma política pública e industrial definida no segmento de energia e em regras de eficiência energética com crédito de energia e de carbono; cada “player” quer fidelizar o cliente com a melhor escolha, com critérios claros de exploração e definição da demanda da indústria automotiva, que eu chamo de mobilidade sustentável, uma nova forma de descrever o setor, que antes era demandante; ela pedia para um fabricante de combustíveis uma gasolina aditivada ou um lubrificante sintético com a meta de sair do patamar de 10-12 km/l para 15 ou mais km/l ou lubrificante que estendesse a troca de óleo para 20.000/km ao invés de 10.000/km. Atualmente a motivação é outra, o setor de energia é quem demanda para o da mobilidade, definindo qual o tipo de energia, combustível ou propulsão serão necessários, ou seja, um híbrido plug-in ou um híbrido etanol, isso sem falar no futuro que seria o elétrico movido a célula de combustível com etanol. Hoje estamos testemunhando algumas mudanças em montadoras que estão deixando de produzir veículos a combustão que se refletem em algumas marcas por não terem sido posicionados há cerca de 7 a 10 anos. Também vimos algumas plantas e fábricas sendo desativadas por aqui, refletindo a nossa situação automotiva de carros leves. Por outro lado, temos um excelente momento para veículos pesados, mais especificamente os ônibus e caminhões e por isto, tratarei também o segmento de utilitários leves, principalmente no segmento de last mile. Focando o segmento de ônibus e caminhões e o exemplo da cidade de São Paulo, uma lei municipal ambiental definiu novos índices de material particulado (MP) e isenta de rodízio municipal tais veículos. O MP refere-se à motorização diesel, parametrizado atualmente pelo euro 6, porém ainda é mais nítido a presença do euro 5, sem contar que se percebe veículos rodando que só atende o euro 3 e ou 4. A pressão na melhoria dos números de eficiência energética é muito grande para powertrain a diesel, por ser um combustível fóssil não renovável; e neste sentido, existem pesquisas para o diesel orgânico, NVO o óleo orgânico, “espremendo um coquinho”, mas ainda emite poluente, o nosso biodiesel é constituído por óleo de mamona, um combustível obtido de forma mais renovável. Com as leis ambientais atuais e a existência do motor a combustão (ICE) como um fator limitante para continuar utilizando um motor a diesel ou ciclo Otto, ainda não existe uma definição para um powertrain elétrico ou a etanol, porém o mercado vai se autorregular, embora o transporte público tenha grande influência da política pública.

Recentemente, a SPTRANS em São Paulo enviou uma carta aos mais de 99 operadores de transporte público, alegando que não seria mais possível comprar ônibus a diesel na cida-

Figura 3. https://ekkogreen.com.br/onibus-e-caminhoes-eletricos-volvo/

de. São Paulo tem uma previsão de 1.000 ônibus até o final do ano e mais 1.000 ônibus para o primeiro semestre do ano que vem, o total da frota de ônibus é mais de 10.000 unidades e espera-se que toda a frota possa ser renovada até 2030.

Vejam dados interessantes: empresas como BYD estão operando com importação, porém há indícios de localização de fábricas provavelmente no Nordeste; a empresa Ambiental produz trólebus há décadas; a ELETRA já fez ampliação nas suas instalações, inaugurando uma fábrica nova em São Bernardo do Campo com maior capacidade, tendo vários projetos em oferta na parte de retrofiting de caminhões a diesel para elétrico, evitando o custo maior de um caminhão novo.

Citando o tema caminhões, a VWCO com o e-delivery e uma família nova de caminhões sendo produzida em Resende-RJ e o reposicionamento de outras encarroçadoras como a Marcopolo. A Marcopolo deixou de ser simplesmente uma encarroçadora que utilizava os chassis eletrificados da BYD e passou a produzir o ônibus verticalmente desde o eixo elétrico, com todo o sistema de eletrônica de potência e carroceria, devido a publicação de leis e licitações com essas políticas públicas definindo data e limites para uso de ônibus a diesel o mercado se movimentou, no caso, seriam elétricos pelo melhor custo-benefício, mas não há imposição tecnológica, apenas a ambiental. A EMTU fez testes em ônibus a hidrogênio com um reformador da Petrobras, mas o projeto acabou não se concretizando, então hoje é muito importante o país entender a nossa matriz energética, aí vem o LCA – Life Cycle Assessment – que é quanto você está emitindo de CO2 e não é somente quando o veículo está rodando, tudo é contabilizado desde a sua fabricação e obtenção de matéria prima e descarte, desde a obtenção do combustível e da cadeia da eletrificação. Por exemplo, a matriz chinesa ainda é muito suja, embora eles tenham investido muito em aerogeradores e fotovoltaica, grande parte da energia em kWh ainda é produzida por usinas termoelétricas, então percebe-se apenas a mudança da origem de emissão de CO, CO2 para longe das grandes cidades onde o efeito do ar poluído respirado e da qualidade de vida é mais sentida. O Brasil tem uma grande fonte de geração elétrica limpa, principalmente hidroelétricas e isso não quer dizer que não temos emissões, mas é muito mais limpa que uma termoelétrica chinesa e a mesma coisa acontece com o etanol com o sequestro de carbono, realidade não possível para uma Alemanha, talvez similar para a Índia, com certeza nos EUA com o metanol, o álcool a partir do milho, mas mesmo queimar etanol produz emissões como aldeídos, que são comprovadamente cancerígenos. Importante entender a questão da matéria prima e materiais, mesmo quando se fala de H2 a PEM, a membrana pode ter um material muito nobre que é a platina e nós estamos focando muito no SOFC na Fuel Cell (FC) que seria junto com um reformador capaz de gerar H2 a partir do Etanol, lembrando que todos os combustíveis tem o HC – Hidrocarboneto então tem H2, o C se recombina e vira CO e CO2, e ai se temos o H2 somente, sendo utilizado a recombinação em uma FC onde entra só H2 que recombinado com o O2 do ar gera somente eletricidade, calor e água limpa. Então essa situação de H2 Verde (H2V) que começamos a identificar como H2 de Baixo

Carbono, a despeito da classificação por cores, conseguiremos ter várias opções, porque o H2 verde depende de uma fonte de energia renovável sustentável que pode ser a fotovoltaica, eólica ou a própria hidroelétrica, a questão da matéria prima da cana ou do milho das emissões, da platina na FC, tudo isso merece uma grande pesquisa por parte dos ICT que tem os fomentos e incentivos, projetos não só do ROTA 2030 e P&D ANEEL mas várias outras chamadas do FINEP do MCTI, BNDES e Fundos internacionais. Para que essas pesquisas sejam realizadas, ou seja, do lado acadêmico qualquer trabalho de pesquisa faz sentido, do lado da iniciativa privada é necessário ter uma certa segurança, um horizonte para investir, não é necessário ser muito longo e específico, uma visão regulatória: até onde vamos com a combustão, o híbrido vai ter incentivo fiscal, isenção de ICMS, IPVA, IPI de I.I., qual vai ser, como existe hoje a questão da eficiência energética e etiquetagem para essas fontes mais verdes, teoricamente quando você tem um carro moderno e eficiente, mais eletrônica, mais soluções embarcadas, de forma que ele fique não competitivo, portanto, é necessário ajudar com um tipo de isenção fiscal e talvez essa isenção fiscal possa gerar um fundo de renúncia fiscal, como é a fórmula do ROTA 2030.

O Rota 2030, continuidade do Inovar Auto, foi construído a partir de questões de políticas públicas baseadas em soluções técnicas, permitindo que a academia possa entregar novas tecnologias para a iniciativa privada, seja para o órgão regulador ou para o parceiro que cooperou com a pesquisa. A pergunta que fica aqui é: temos essa situação em curso dentro da cadeia do carro elétrico? Certamente não, a resposta é que pouco se foca no Brasil, mas globalmente há uma corrida em desenvolver novos materiais para estes veículos, principalmente aos utilizados em baterias. Citando um exemplo aqui em nosso país, o SENAI ISI (Instituto SENAI de Inovação) junto com a UTFPR, Renault e a Clarios (Heliar) tem pesquisado as tecnologias em baterias e com ajuda do sistema 5S pode fabricar células de baterias na maior parte do formato do Pouch, combinando vários materiais para o ânodo, cátodo e às vezes para o separador e o eletrólito que é basicamente a constituição de uma célula de bateria; esse tipo de pesquisa é bastante efetiva e interessante para o setor de eletrificação. Em adicional a este primeiro projeto, outras empresas interessadas em materiais, por exemplo a CBMM com o nióbio e a CBA com o alumínio, ambos fomentados com recursos do Rota 2030, mantém temas de estudos nestas linhas. Focando o nióbio e alumínio, existe uma clara vantagem local competitiva; porém com o emprego do níquel cobalto manganês - NCM não ocorre esta situação, ou seja, muitos materiais provenientes do Congo na África, como o cobalto por exemplo, ainda utilizam mão de obra infantil, típicos das minas, que utilizam pequenos buracos onde só as crianças conseguem entrar.

Figura 5. https://automotivebusiness.com.br/pt/posts/conte%C3%BAdo-de-marca/como-as-praticas-esg-na-industria-automotiva-estabelecem-vinculos-com-diferentes-elos-da-sociedade/

O pilar do social da questão é muito importante em tempos de ESG (Environment Social Governance), porém o ponto do E-environment é parte do problema, isto é, ambiente não está só na emissão zero de CO2 do veículo elétrico, mas também a consideração de uma atividade de mineração, como por exemplo aos que levaram a grandes acidentes, como os que ocorreram em Brumadinho-MG e outras minas de exploração, situação de perigo com grandes massas de rejeitos.

Uma discussão importante pode ser levada para a questão do impacto ambiental, no emprego dos materiais nobres e as outras possíveis alternativas, exemplo no caso do nióbio, como sendo uma aplicação muito interessante em máquinas elétricas na parte dos supérrimas de neodímio, com a obtenção a partir da escória gerada no enriquecimento do nióbio; porém, apesar de dominarmos o conhecimento da cadeia inteira da manufatura do neodímio, o Brasil fornece para a Ásia a matéria prima gerada no processo do Nb e eles executam a extração do neodímio e por fim, o novo produto retorna com um alto valor agregado; esse é exatamente o nosso desafio, ou seja, avaliar os nossos recursos, ver a sua abundância e seu impacto ambiental, extração das reservas, quais as eficiências e vantagens da aplicação e a reciclagem no final de sua vida. Nessa parte do ambiente, já existem pesquisas da ONU/UNECE que mapeiam todas essas matérias primas e elementos que são utilizados na cadeia do carro elétrico. https://unece.org/ sustainable-energy/news/un-framework-classification-helps-eu-manage-raw-materials-batteries-and.

Existem peças com os crossmembers produzidos em fibra de carbono como alternativas ao alumínio ou aço, tecnicamente há vantagens na resistência mecânica e redução de peso, mas

Figura 7. https://adi-analytics.com/2022/10/25/new-materials-and-chemistries-for-lithium-ion-batteries/

Figura 8. https://autoesporte.globo.com/eletricos-e-hibridos/noticia/2022/11/ van-eletrica-criada-no-brasil-promete-revolucionar-entregas-e-custo-de-operacao-75percent-mais-baixo.ghtml

pouco se sabe se seu impacto ambiental no uso da fibra de carbono é sustentável. Será que na hora da destinação final fica muito caro ou não fica nada efetivo e compensado? Estas respostas nos dão o motivo que temos que ter sobre o uso e LCA, o TCO (Total Cost of Ownership ) na discussão da carga de emissões e energia. Não seria apenas o LCA, mas a rota Cradle to Grave (do berço ao túmulo), mais abrangente com o Well to Wheel (do poço ou bem à roda). O carro 100% elétrico, do ponto de vista de zero emissões, considera-se a energia gerada para sua construção, manufatura do pneu, bateria etc., todos diante ao impacto na matriz energética. Precisamos também entender o ciclo de energia na cadeia do Eletroposto, não se utiliza muito metal no revestimento, mas cobre como condutor e materiais resinados com característica de resistência mecânica e isolação elétrica; nestes casos se houver alguma fuga de corrente e o conector não sendo metálico, daria uma maior segurança para o operador e em caso de quebra da isolação. Este é exatamente o ponto de vista da busca incessante de tecnologia olhando os materiais, às vezes os materiais podem não ser tão eficientes do ponto de vista elétrico, mas eles têm uma aderência ambiental muito grande.

O VE tem dois olhares muito importantes: 1º) O tamanho do mercado no Brasil, o P&D nos veículos pesados e leves importados são afetados pelos modelos de negócio, manutenção mais espaçada e mais cara, a rede de concessionárias. Caso tenha que trocar o banco de bateria, o custo é elevado devido ao alto percentual deste componente no custo dos veículos, e assim definir o que fazer com o descarte desta bateria de eletroquímica diferente da chumbo-ácida. 2º) A mão de obra necessita ser recapacitada para faturar nesse mercado, será necessário recapacitar ou formar profissionais qualificados no setor, principalmente uma certificação na segurança para o trabalho em alta tensão continua; a NR10 não é totalmente adequada na modalidade elétrica, deveríamos indicar uma capacitação e certificação para atuar com VE. A NR10 continuará sendo adotada e ela é autorregulada, porém não existe uma portaria INMETRO, ANATEL, sendo uma exigência da área de segurança do trabalho e do RH. Pode-se considerar adequada para Eletroposto mas não para o EV com rodas a mobilidade elétrica e baterias com até 800V, lembrando que o nosso limite na norma é 1500 VDC e já imagina-se até 3000 A na recarga. Precisamos de uma resistência galvânica muito alta, medidas e controles em megaohms e os materiais metálicos que já têm um ciclo de reciclagem implementado vão dar lugar aos novos materiais. Esses materiais em tempos de ESG precisam mitigar as emissões de CO2 e aumentar a eficiência na produção, mas é importante avaliar a forma de obtenção do uso e do final de vida e serem sustentáveis por todos esses pontos de vista. A pesquisa de materiais tem uma significância enorme e as baterias hoje não são baratas e ainda de baixa eficiência porque não chegamos em um resultado de materiais satisfatório para atender todos os requisitos. Será que a bateria de lítio ferro fosfato LiFePo4, NHM níquel hidreto metálico, de cádmio, a de chumbo ácida cuja cadeia está toda implementada, outras como a NCM ainda não estejam bem consolidadas, levando em conta o final de vida no setor automotivo, mas ainda sim adequadas na aplicação estacionária para energia elétrica gerada pelo fotovoltaico e aerogeradores.

O Fotovoltaico que tem geração durante o dia e a recarga do VE é normalmente à noite e esta questão precisa-se de uma solução urgente, caso contrário haverá colapso na infraestrutura de geração, distribuição e concessão por ser limitante, a situação do last mile, mas, o que é isso?

Last mile são os utilitários, e-bikes ou motocicletas elétricas que se utilizam na entrega das compras do comércio eletrônico, exemplos da Ducato, Sprinter, e-Jumper, e-Expert, Scudo e estão disponíveis em uma versão 100% elétrica e nessa pegada de trocar um veículo a diesel ou a combustão mesmo que seja flexfuel e então, mitigar por um veículo totalmente elétrico. Provavelmente a carroceria, a bateria e todos os outros materiais mudem seu ciclo de vida uma vez que talvez o carro não seja mais adquiri-

Figura 9. https://www.youtube.com/watch?v=za8YAiBimhM

do e provavelmente seja compartilhado, e, portanto, terão uma vida mais curta. Para adaptação destes veículos, o emprego do alumínio terá um impacto menor no ciclo de energia e é uma outra visão não só do EV, mas também da indústria 4.0, somados aos processos aditivos, digital twin, linhas de retrofitting, da questão da gestão ambiental e tudo ligado a essa questão de obtenção, descarte e reuso dos materiais. Fica uma reflexão para que não tratemos só dos EVs esquecendo a sua maturidade, o custo-benefício que talvez os novos modelos de negócios exijam. O emprego das novas tecnologias e materiais, da obtenção das matérias primas e como estes serão combinados e recombinados, retrabalhados, reduzidos e reciclados, sejam nas gerações 1, 2, 3 e 4 e também focando nas ODS (Objetivos de Desenvolvimento Sustentável). Sabemos que o VE tem apoio e apelo muito grande, mas precisamos avaliar como está a maturidade e a tecnologia dos materiais. O GRAFENO tem uma promessa muito grande, hoje na eletroeletrônica e telecomunicações praticamente já está dominando, mas ainda não se tem a mesma situação nas baterias tracionarias e elas ainda precisam evoluir na questão do estado sólido que é também um desafio de materiais e tecnologia do processo de fabricação visando segurança. O preço será definido pelo mercado, mas o investimento não será disponibilizado sem atender esses novos requisitos técnico-ambientais como a quantidade de uso de água no processo.

“A idade da pedra não acabou por falta de pedra”, as montadoras não resolvem fechar fábricas de um ano para outro, não se preocupar hoje com o que será importante amanhã pode nos conduzir ao erro em não se posicionar. Pesquisar e investir em Carros Autônomos pode parecer futurista agora e pode-se achar que vai demorar muito para acontecer, mas com certeza eles não serão feitos em plataformas de veículos a combustão. Pode estar aqui uma oportunidade de resgatar o P&DI local, seja o powertrain diferente do ICE, porque o SDV – Veículo Definido por Software com certeza é quem vai acomodar e integrar todos os novos requisitos e nossa engenharia não pode ficar fora disso, mas esse é assunto para outra prosa.

Ricardo Takahira, Professor, Consultor, Vice Coordenador do CT VHE SAE BRASIL, Membro de Comissões Técnicas na SAE Brasil, ABNT, AEA, IBMS Voluntário FSAE, BAJA e FSD (Baterias - Body e Ecossistemas). Engenheiro eletricista, coordenador do Módulo de Mobilidade autônoma da MAUÁ, Docente da pós graduação em VHE na FACENS, SENAI e IMT.