Xviii seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica sendi 2008 06 a 10 de outubro



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XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica
SENDI 2008 - 06 a 10 de outubro

Olinda - Pernambuco - Brasil


Utilização de Veículos Elétricos por Empresas Distribuidoras e seus Clientes

Avaliação de Desempenho de Motoneta Elétrica


Adérito Marques Ferreira

Marcus Lellis P. Peçanha

Luiz Artur Pecorelli Peres

Universidade do Estado do

Rio de Janeiro - UERJ

Universidade do Estado do

Rio de Janeiro - UERJ

Universidade do Estado do

Rio de Janeiro - UERJ

aderfer@click21.com.br

marcuslellis@yahoo.com.br

lapp_uerj@yahoo.com.br










Acacio Barreto Neto

Maria Beatriz D. A. P. Medeiros

David Targueta

Ampla Energia e Serviços S.A.

Ampla Energia e Serviços S.A.

Ampla Energia e Serviços S.A.

abarreto@ampla.com

mbeatriz@ampla.com

targueta@ampla.com



Palavras-chave:

Desempenho de veículos elétricos

Novas áreas de negócios

Qualidade da energia

Recarga de bateria de veículos elétricos

Veículos elétricos em concessionárias de energia



Resumo:

O artigo apresenta resultados da pesquisa aprovada pela Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, que visa a elaborar uma metodologia de avaliação de desempenho de veículos elétricos e possa oferecer subsídios para o desenvolvimento de serviços, de novos negócios e estratégias para incremento do consumo de energia. A motivação do trabalho deve-se ao impacto ambiental das emissões causadas por motocicletas convencionais que, no Brasil, é agravado pela ausência de catalisadores, apresentando, portanto, fatores de emissão elevados. As análises foram procedidas com base em trajetos pré-estabelecidos e nos ensaios de recarga de bateria de uma motoneta elétrica de uso não rodoviário. Com estas medições foi possível avaliar a energia consumida, os custos médios por quilômetro e os possíveis impactos sobre a rede elétrica decorrentes da disseminação desse tipo de carga, uma vez que se trata de uma fonte potencial de correntes harmônicas. Conclui o trabalho que a substituição gradativa de motocicletas à combustão interna por aquelas de tração elétrica é uma alternativa considerada viável e atrativa.



  1. INTRODUÇÃO

É importante destacar a crescente preocupação em nível mundial com as emissões atmosféricas causadas pelos meios de transporte movidos na sua maioria por combustíveis fósseis. Os danos decorrentes da poluição do ar e dos desequilíbrios produzidos pelos chamados gases de efeito estufa, que apresentam inter-relações com as mudanças climáticas explicam este panorama considerado grave por diversas instituições científicas de renome. Nesse sentido, constata-se uma mudança de paradigma com relação ao sistema de propulsão veicular e a penetração de veículos elétricos no mercado, inclusive, não rodoviários [PECORELLI PERES, L. A.; HORTA NOGUEIRA, L.A. et LAMBERT-Torres, G.; 2002] propiciando investigações e estudos em diversos setores, em especial nas empresas de fornecimento de energia elétrica. De fato, é bastante promissora a penetração de motos elétricas não rodoviárias e rodoviárias no Brasil uma vez que já existem cerca de cinco fabricantes neste segmento. O interesse despertado pela moto elétrica junto ao público é notório. Um dos motivos é bem simples: as motos elétricas são mais accessíveis à renda da sociedade brasileira. Acrescente-se que em termos de diminuição de emissões os ganhos são enormes visto que no país as motocicletas convencionais a combustão interna, na sua grande maioria, não dispõem de catalisadores. Conforme [DUARTE, Daisy Lucid et PECORELLI PERES, L. A.; 2006] este assunto foi abordado e é descrito um inventário de emissões de motocicletas no Estado do Rio de Janeiro com o qual foram estabelecidos prognósticos animadores quanto a sua redução utilizando-se motocicletas elétricas.

Portanto, o desenvolvimento desta pesquisa através dos ensaios realizados com a motocicleta elétrica conseguiu identificar um investimento atrativo para as empresas distribuidoras de energia, seja equipando as suas frotas, seja também, promovendo a sua utilização pelos seus clientes. Os benefícios esperados são os seguintes:



  • Diminuição de custos operacionais

  • Diminuição do uso de combustíveis fósseis

  • Diminuição de emissões atmosféricas

  • Aumento do faturamento de energia elétrica devido à recarga das baterias

  • Promoção da imagem corporativa das empresas usuárias de motos elétricas.

  1. DESCRIÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS EM ANÁLISE

A seguir, é apresentada uma descrição sucinta das características técnicas do sistema elétrico alimentador, da motoneta e do seu carregador de bateria.

    1. SISTEMA ELÉTRICO ALIMENTADOR

A capacidade instalada da subestação que alimenta as instalações da UERJ é de 2 MVA, sendo constituída de 4 (quatro) transformadores de 500 kVA – 13,8/0,22 kV. O nível de curto-circuito trifásico máximo em 13,8 kV é estimado em 190 MVA. O diagrama unifilar da subestação pode ser visualizado na Figura 1, a seguir:

Figura 1. Diagrama Unifilar da Subestação de 13,8 kV da UERJ.



    1. MOTONETA ELÉTRICA

A motoneta elétrica utilizada nos ensaios foi o modelo Future 500, de fabricação da GPS do Brasil, que possui os seguintes dados técnicos:

  • Potência nominal do motor – 500 W

  • Velocidade máxima nominal – 30 km/h

  • Autonomia – 28 km

  • Bateria – 2 (duas) baterias de 12 V - 18 Ah.

  • Tempo de recarga – de 2 a 6 horas

A Figura 2, abaixo, apresenta a foto da motoneta elétrica utilizada nos ensaios realizados no Laboratório de Sistemas de Propulsão Veicular e Fontes Eletroquímicas – LSPV do Centro de Estudos e Pesquisas em Energias Renováveis – CEPER da Faculdade de Engenharia da UERJ.

Figura 2. Motoneta elétrica utilizada nos ensaios.

    1. CARREGADOR DA BATERIA DA MOTONETA ELÉTRICA

O processo de recarga da bateria da motoneta elétrica é realizado pelo carregador de bateria do tipo fonte chaveada. A fonte chaveada é constituída de unidades retificadoras, dispositivo de chaveamento, transformador de acoplamento e circuitos de controle, tendo como característica fornecer uma tensão CC regulada em sua saída. Este dispositivo permite ainda a utilização de uma ampla faixa de tensão de alimentação CA na sua entrada. Tendo em vista que não há uma indutância (L1) significativa do lado CA, a corrente de carga resultante na entrada do sistema elétrico alimentador é de característica pulsada em função do carregamento do capacitor C1, que recupera a sua carga a cada meio ciclo. Assim sendo, esse tipo de fonte chaveada é responsável pela introdução de harmônicas na corrente de carga, principalmente as de ordem ímpar e, conseqüentemente, um baixo fator de potência.

O carregador de bateria para a moto em questão possui os seguintes dados técnicos:



  • Faixa da tensão de alimentação CA: entre 100 V e 240 V - 50/60 Hz,

  • Tensão de saída CC: 24 V

  • Corrente de carga máxima CC: 1,8 A

O diagrama simplificado de seu circuito elétrico é apresentado na figura 3 abaixo.

Figura 3. Circuito elétrico da fonte chaveada.



  1. ENSAIOS REALIZADOS

    1. ENSAIOS DE PERCURSO DA MOTO ELÉTRICA

Os ensaios de percurso da moto elétrica foram realizados nas vias da Quinta da Boa Vista, no bairro de São Cristóvão, e no perímetro do Pavilhão João Lyra Filho da Universidade do Estado do Rio de Janeiro, no bairro do Maracanã, de acordo com as datas abaixo:

  • Quinta da Boa Vista: dia 09/08/07.

  • Pavilhão João Lyra Filho: dias 17, 21, 22 e 23/08/07.

      1. RECURSOS UTILIZADOS PARA REALIZAÇÃO DOS ENSAIOS DE PERCURSO

Para realização dos ensaios de percurso da moto elétrica foram utilizados os seguintes recursos:

  • Relógio termo-higrômetro, modelo MT-241, de fabricação da MINIPA;

  • Hodômetro e velocímetro digital (“cycle computer”), modelo alfa 2, de fabricação da ECHOWELL;

  • Cronômetro digital, modelo YP2151, de fabricação da TECHNOS.

      1. GRANDEZAS MEDIDAS

Foram medidas as seguintes grandezas:

  • Velocidades média e máxima;

  • Distância percorrida;

  • Duração de percurso

  • Temperatura ambiente;

  • Umidade relativa ambiente.

    1. ENSAIOS DE RECARGA DA BATERIA DA MOTONETA ELÉTRICA

Os ensaios de recarga da bateria da motoneta elétrica foram realizados nas dependências do LSPV – Laboratório de Sistema de Propulsão Veicular e Fontes Eletroquímicas do CEPER, através da rede elétrica local.

Os ensaios de recarga da bateria foram realizados nos seguintes dias e horários:



  • Dia 09/08/07, entre 15h39min e 16h14min;

  • Dia 17/08/07, entre 12h21min e 13h13min;

  • Dia 21/08/07, entre 12h09min e 16h12min;

  • Dia 22/08/07, entre 14h28min e 15h46min.

  • Dia 23/08/07, entre 15h28min e 17h40min.

      1. RECURSOS UTILIZADOS PARA REALIZAÇÃO DOS ENSAIOS DE RECARGA DA BATERIA

Para realização dos ensaios foram utilizados os seguintes recursos:

  • Medidor de grandezas elétricas e de qualidade da energia MARH-21, modelo 993, de fabricação da RMS;

  • Alicate de corrente de relação 10/100 - 5 A modelo 3ALIC 10/100, de fabricação da RMS;

  • Volt-amperímetro alicate, modelo ET- 3880 de fabricação da MINIPA;

  • Computador Portátil Aspire 3660, modelo NO ZB3 de fabricação da ACER;

  • Painel de alimentação de veículo elétrico, confeccionado nas oficinas da UERJ;

  • “No-break” Net Station de 600VA, modelo uST600FX 115 RMS, de fabricação da SMS.

      1. GRANDEZAS ELÉTRICAS MEDIDAS

Foram medidas as seguintes grandezas elétricas:

  • Tensão de fornecimento em regime permanente;

  • Corrente de carga;

  • Potências: ativa, reativa e aparente;

  • Fator de potência e de deslocamento;

  • Distorção harmônica total de tensão e de corrente, e suas componentes harmônicas;

  • Energia consumida

Além dessas grandezas, foram medidas, também, a temperatura ambiente e a umidade relativa, no início e no final do ensaio.

  1. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS REALIZADOS

    1. RESULTADOS DOS ENSAIOS DE PERCURSO DA MOTONETA ELÉTRICA

Os ensaios realizados com a motoneta elétrica abrangeram percursos curto e médio, com e sem aclive, cujos resultados podem ser observados na tabela 1, a seguir:
Tabela 1. Resultados dos Ensaios de Percurso com a Motoneta Elétrica.

Local

do Ensaio



Data

Percurso

Distância/Tipo



Velocidade (km/h)

Temperatura

Ambiente


(°C)

Umidade Relativa (%)

Média

Máxima

Quinta da Boa Vista

09.08.07

1,22 km

Curto s/ aclive



23,9

31,1

28,3

53,0

Campus UERJ Maracanã

17.08.07

2,99 km

Curto c/ aclive



19,9

31,1

27,0

54,0

Campus UERJ Maracanã

21.08.07

6,29 km

Médio c/ aclive



22,9

33,4

23,9

52,0

Campus UERJ Maracanã

22.08.07

1,80 km

Curto c/ aclive



23,3

33,4

21,9

55,0

Campus UERJ Maracanã

23.08.07

3,62 km

Curto c/ aclive



25,7

36,3

26,5

55,0



    1. RESULTADOS DOS ENSAIOS DE RECARGA DA BATERIA DA MOTONETA ELÉTRICA

Os ensaios de recarga da bateria da moto elétrica foram realizados após o término dos ensaios de desempenho de percurso.

A seguir são apresentados alguns dos principais resultados obtidos através de registros que expressam o comportamento no tempo das grandezas elétricas medidas.



      1. TENSÃO DE FORNECIMENTO EM REGIME PERMANENTE E CORRENTE DE CARGA

A tensão média registrada durante os ensaios foi de 126,78 V, sendo a tensão mínima de 126,04 V e a máxima de 127,66 V.

A corrente de carga média registrada durante os ensaios foi de 0,682 A, sendo a corrente mínima de 0,225 A e a máxima de 0,723 A. A figura 4 apresenta o perfil da tensão de fornecimento e da corrente de carga.



Figura 4. Perfil da tensão de fornecimento e da corrente de carga.




      1. POTÊNCIAS ATIVA, REATIVA E APARENTE

As potencias ativa e reativa máxima registrada durante os ensaios foi de 0,057 kW e -0,025 kvar, resultando em uma potência aparente máxima de 0,062 kVA. A figura 5 apresenta o perfil dessas grandezas.

Figura 5. Perfil das potências, ativa, reativa e aparente.




      1. FATOR DE POTÊNCIA E DE DESLOCAMENTO

O fator de potência em 60 Hz (fator de deslocamento) médio registrado durante os ensaios foi de 92% capacitivo. A figura 6 expressa o perfil dessa grandeza.

Figura 6. Perfil do fator de deslocamento.





      1. DISTORÇÃO HARMÔNICA TOTAL DE TENSÃO E DE CORRENTE, E SUAS COMPONENTES HARMÔNICAS

A distorção harmônica total de tensão máxima registrada durante os ensaios foi de 5,2% da fundamental, sendo que os principais componentes presentes no sinal de tensão são a 3ª, 5ª e 7ª ordens harmônicas.

A distorção harmônica total de corrente máxima registrada durante os ensaios foi de 122,4% da fundamental, sendo que os principais componentes presentes no sinal de corrente são a 3ª, 5ª e 7ª ordens harmônicas.

As figuras 7, 8 e 9 apresentam o perfil dessas grandezas registradas durante os ensaios.

Figura 7. Perfil da distorção harmônica total de tensão e de corrente.



Figura 8. Perfil da distorção harmônica total de tensão e de

suas componentes harmônicas de 3ª, 5ª e 7ª ordens.

Figura 9. Perfil da distorção harmônica total de corrente e de

suas componentes harmônicas de 3ª, 5ª e 7ª ordens.
As figuras 10 e 11 apresentam as formas de onda típicas da tensão e da corrente, as distorções harmônicas totais correspondentes e suas componentes harmônicas para um determinado instante do período dos ensaios.

Figura 10. Forma de onda da tensão, DHTV e suas componentes.



Figura 11. Forma de onda da corrente, DHTI e suas componentes.




      1. ENERGIA CONSUMIDA

A energia ativa consumida durante o período dos ensaios foi de 0,217 kWh, sendo fornecida ao sistema elétrico uma energia reativa (capacitiva) correspondente a 0,091 kvarh.

  1. AVALIAÇÃO DO CONSUMO VERSUS DISTÂNCIA PERCORRIDA

A avaliação do consumo de energia versus distância percorrida foi baseada nas distâncias percorridas durante os ensaios de percurso e no consumo medido para recarregar a bateria da moto à carga plena, isto é, com 100% do estado de carga.

Para se obter o consumo de energia para cada ensaio foi gerado um relatório de consumo através do programa de análise ANAWIN. Considerou-se como limite de carregamento da bateria, ou seja, 100% de carga, o ponto do gráfico da corrente de carga onde essa grandeza começa a declinar (ponto de inflexão).

A tabela 2, abaixo, relaciona os valores de consumo de energia e as respectivas distâncias percorridas.
Tabela 2. Consumo de energia e distância percorrida.


Dia do Ensaio

Consumo (kWh)

Distância Percorrida (km)

09/08/07

0,022

1,22

17/08/07

0,041

2,99

21/08/07

0,204

6,29

22/08/07

0,062

1,80

23/08/07

0,111

3,62

A figura 12, a seguir, apresenta o gráfico de consumo de energia versus a distância percorrida pela moto nos ensaios de percurso relativo aos valores da tabela 2.

Tendo em vista que o consumo de energia é diretamente proporcional ao tempo de recarga da bateria, as considerações feitas no item anterior sobre o peso dos motoristas também se aplicam à análise de consumo de energia versus distância percorrida.

Pela análise gráfica, pode-se observar que o conjunto dos 3 (três) primeiros pontos da curva e o conjunto dos 3 (três) últimos pontos, definem dois alinhamentos independentes, o que denota uma relação de proporcionalidade entre os valores de consumo de energia e de distância percorrida de cada conjunto e diferentes entre si. Tal fato está relacionado à diferença de peso entre os motoristas da moto durante os ensaios, influenciando diretamente no rendimento do veículo.


Figura 12. Gráfico de consumo versus distância percorrida


O gráfico da figura 13 apresenta separadamente as curvas dos conjuntos de pontos relacionadas a cada motorista. Pela análise gráfica verifica-se que a curva 1 tem uma inclinação mais íngreme que a curva 2, o que reafirma as considerações feitas anteriormente.

Figura 13. Gráfico de consumo versus distância percorrida por motorista.


Aplicando-se uma regressão linear ao conjunto de pontos de cada curva supracitada, pode-se obter uma estimativa da distância que poderá ser percorrida em função do consumo de energia no processo de recarga da bateria da moto, com base nos pesos dos motoristas utilizados nos ensaios.

  1. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

A análise gráfica do consumo de energia durante o processo de recarga da bateria em função da distância percorrida permite afirmar que a estimativa de autonomia fornecida pelo fabricante da moto está coerente e que é função direta do peso do motorista.

Através do gráfico de consumo de energia versus distância percorrida pode-se estimar que o consumo de energia no processo de recarga da bateria para que obtenha a autonomia especificada pelo fabricante da motoneta, cerca de 28 km, é de aproximadamente 0,91 kWh, assumindo-se a média encontrada de 0,0325 kWh/km os trajetos com três aclives e peso do condutor de 85,1 kg.

Vale destacar que o consumo de 0,0325 kWh/km corresponde a um custo final de recarga de R$0,01625/km considerando-se uma tarifa residencial da ordem de R$0,50/kWh.

Nota-se, portanto, o grande potencial da utilização de motos elétricas em empresas de energia elétrica, pois, neste caso, o custo por quilometro corresponderia a um valor estimado em R$0,0104/km.

A corrente de carga do carregador é praticamente constante durante o período de recarga da bateria, sofrendo um decréscimo no seu valor após a bateria atingir um nível de carregamento próximo a 100%, mantendo-se durante o restante do tempo com uma corrente de carga para flutuação da bateria.

As potências, ativa, reativa e aparente também permanecem constantes durante todo o processo de recarga da bateria. Ressalta-se que a potência reativa permanece sempre capacitiva, em função das características da fonte chaveada que compõe o carregador da bateria.

O fator de deslocamento permanece praticamente constante e sempre capacitivo, em função do que foi mencionado no parágrafo anterior, sendo seu valor em torno de 94%.

No entanto, o fator de potência é de valor baixo em função do elevado conteúdo de harmônicos na corrente de carga.

No que se refere ao nível da distorção harmônica total de tensão, este permaneceu praticamente constante durante todo processo de recarga da bateria, não sofrendo qualquer influência da corrente solicitada pelo carregador. A distorção harmônica de tensão presente na rede elétrica, provavelmente, é decorrente de outras fontes geradoras de distorção harmônicas, existente no local do ensaio, bem como pode ser resultante do próprio sistema elétrico concessionário.

As componentes harmônicas presentes na tensão de alimentação e na corrente de carga são em ambas a 3ª, 5ª e 7ª ordem harmônica.

Visando avaliar possíveis repercussões sobre o sistema elétrico devido às distorções harmônicas geradas por esse tipo de carga é recomendável a realização de estudos de injeção harmônica através de simulações em computador, de forma a possibilitar a representação simultânea da operação de diversas motos elétricas em processo de recarga da bateria. Tal recomendação se justifica, tendo em vista os relatos das experiências nacional e internacional com cargas de características semelhantes que confirmam a observação de níveis de distorção harmônica significativos no sistema elétrico resultantes da operação das mesmas.

O prosseguimento deste trabalho inclui os aspectos voltados para a eficiência energética em termos da relação entre consumo e distância percorrida em trajetos típicos, como parte da pesquisa em pauta, aprovada pela Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL e que visa avaliar o desempenho de veículos elétricos atuando em frotas de empresas distribuidoras de energia. Para isto fez-se necessária a instalação de velocímetro e hodômetro na moto elétrica uma vez que os veículos elétricos não rodoviários, em geral, não dispõem destes instrumentos.



  1. BIBLIOGRAFIA

DUARTE, Daisy Lucid; PECORELLI PERES, L.A., Reduzindo as Emissões com Uso de Veículos Elétricos de Duas Rodas; 4º Seminário e Exposição de Veículos Elétricos, INEE – Instituto Nacional de Eficiência Energética, SENAI. São Bernardo do Campo, SP, 15 e 16 de Agosto de 2006.

DUARTE, Daisy Lucid; PECORELLI PERES, L.A., Emissões Atmosféricas Provocadas por Motocicletas e Subsídios para os Ensinamentos e Discussões de Educação Ambiental Relacionadas com os Meios de Transporte, V Fórum Ambiental – Políticas Públicas, Educação e Meio Ambiente os Desafios no Contexto Universitário, UERJ. Rio de Janeiro, 08 de dezembro de 2006.

DUGAN, Roger C.; McGRANAGHAN; Mark F.; BEATY, H. Wayne – Electrical Power Systems Quality, MCGraw-Hill. New York, NY, 1996.

IEEE Std 519 – 1992 – IEEE, Recommended Practices and Requirements for Harmonics Control in Electrical Power System. New York, NY, June 18, 1992.



PECORELLI PERES, Luiz A.; HORTA, Luiz A. N.; LAMBERT-TORRES, Germano. Analysis and Discussion on Energy Supply to Non-Road Eletric Vehicles in Brazil. IEEE POWER ENGINEERING SOCIETY – T&D 2002 LATIN AMERICA CONFERENCE. São Paulo – Brazil, 2002.



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