Os benefícios do alumínio nos automóveis elétricos
O processo de eletrificação da frota mundial de automóveis ainda dá os seus primeiros passos – segundo a ABVE (Associação Brasileira do Veículo Elétrico), cerca de 5% dos carros vendidos hoje no mundo são elétricos ou híbridos -, mas é inegável que os automóveis elétricos já são uma realidade, não apenas uma iniciativa experimental ou isolada. Na Europa, inclusive, já existem planos de proibir a comercialização de veículos equipados com motores a combustão na Noruega, a partir de 2025, e na Alemanha, a partir de 2030.
No primeiro semestre de 2016, as vendas de veículos elétricos foram de 285 mil unidades no mundo, quase 60% a mais que no ano anterior. Já segundo a BNEF (Bloomberg New Energy Finance) até 2040, entre 35 e 47% dos veículos produzidos no mundo serão elétricos. "Será uma revolução não apenas no aspecto relativo ao mercado consumidor e emissões, mas em toda a cadeia produtiva", avalia André Maranhão, especialista em híbridos e elétricos da AEA. "Até lá, nos próximos anos, os fornecedores viverão a incógnita sobre a demanda de veículos elétricos em relação aos de propulsão convencional. Os prestadores de serviços de manutenção também serão afetados, pois eles terão que se reinventar, uma vez que os veículos elétricos têm necessidades bem diferentes."
Os principais automóveis elétricos plug-in (recarregáveis na tomada) do mundo
Nesse cenário, o alumínio surge como um elemento de extrema importância. Atualmente, o aumento da utilização do metal na indústria automobilística está diretamente relacionado às restrições de emissões impostas pela legislação, principalmente nos Estados Unidos e na Europa e um recente estudo da Ducker Worldwide prevê um aumento de 30% nos próximos dez anos. No caso dos veículos elétricos, embora não exista esta preocupação, já que um elétrico puro emite zero poluentes, existem outros dois fatores cruciais diretamente relacionados ao alumínio: a autonomia e o sistema de baterias.
"Nos automóveis elétricos, a leveza do alumínio pode proporcionar uma economia de 635 euros por carro."
O calcanhar de Aquiles de qualquer veículo elétrico sempre foi a sua autonomia limitada. O Nissan Leaf, que é o modelo 100% elétrico mais vendido no mundo, com mais de 200 mil unidades comercializadas, consegue rodar entre 125 e 200 quilômetros com uma carga completa, dependendo das condições de uso. Já o Tesla S, o mais badalado dos automóveis elétricos, consegue rodar até 500 quilômetros em condições ideais (sem aclives e em velocidade constante, sem parada e acelerações) – mas essa quilometragem pode cair até pela da metade em uso severo (ou seja, ao se deparar com o anda-e-para do trânsito e em cidades com topografia irregular).
Por isso, a redução no peso é tão importante para os carros elétricos quanto para os veículos equipados com motor a combustão. Se equipado com o mesmo sistema de baterias, um carro mais leve precisará de menos energia para se movimentar – e, por consequência, terá uma autonomia maior.
Baterias produzem energia através de reações químicas que ocorrem, no seu interior, entre dois elementos (anodo e catodo) imersos em um eletrólito líquido. Há um grande investimento em pesquisa e desenvolvimento nessa área e as baterias de íons de lítio são, hoje, usadas pela grande maioria dos automóveis elétricos. E é provável que elas permaneçam sendo o padrão da indústria por pelo menos mais uma década. Nissan e Tesla fizeram grandes investimentos no seu desenvolvimento. A nova geração do Leaf terá autonomia de até 320 quilômetros, enquanto a fabricante da Califórnia promete que seus carros terão uma autonomia de 1200 km, em 2020.
Baterias de ar-alumínio
Há ainda pesquisas de outras soluções em andamento, incluindo o uso de novos materiais como o próprio alumínio, presente nas baterias do tipo metal-ar, que se valem da sua oxidação quando exposto à atmosfera para a obtenção de energia. Elas teriam uma capacidade até 40 vezes superior aos atuais modelos de íons de lítio.
A empresa israelense Phinergy é uma das que trabalha nessa possibilidade. Ela desenvolveu um protótipo que usa 50 placas de alumínio, cada uma delas capaz de fornecer energia para um carro elétrico rodar cerca de 32 quilômetros – totalizando uma autonomia de 1600 quilômetros.
Nesse caso, o principal obstáculo a ser contornado é que, uma vez oxidado, o alumínio se transforma em hidróxido de alumínio e precisa ser substituído – mas essas baterias podem ser infinitamente recicladas.
Já a empresa japonesa Fuji Pigment anunciou uma nova versão da bateria ar-alumínio, com estruturas de cerâmica e carbono entre o eletrólito aquoso e os eletrodos. Devido a essa configuração modificada, a corrosão dos anodos (placas de alumínio) pode ser retirada com a simples inserção periódica de água doce ou salgada no sistema.
Com isso, a substituição das placas não precisa ser feita a cada carga, embora ainda não se saiba ao certo qual seria a periodicidade adequada. A previsão é que elas cheguem ao mercado até 2018.
Outras pesquisas envolvem baterias de estado sólido – sem a presença do eletrólito líquido, feitas com lítio formato de um filme na espessura de uma folha de papel, e também capacitores de grafeno – uma camada de carbono milhões de vezes mais fina que um fio de cabelo, mas que é 200 vezes mais forte que o aço, extremamente leve, flexível e ótimo condutor de eletricidade.
Localização e proteção
As baterias atualmente utilizadas nos veículos elétricos ainda geram outra questão importante. Elas ocupam mais espaço que um tanque de combustível comum de um veículo movido à gasolina, precisam ser devidamente refrigeradas e protegidas contra impactos e do contato com a água – o Fisker Karma sofreu com baterias que superaqueciam e alguns modelos chegaram a se incendiar, provocando um grande recall. Os problemas chegaram a ser resolvidos, mas a credibilidade da empresa foi abalada, que acabou falindo em 2013. Nessa hora, mais uma vez o alumínio é fundamental.
"Uma única bateria de íons de lítio tem 3,7 volts e um carro elétrico puro tem de 300v a 600v. Portanto, é necessário uma associação de várias delas, o que ocupa um espaço considerável, e elas precisam ficar extremamente bem protegidas e ter uma boa dissipação térmica", comenta Ricardo Takahira, diretor do Núcleo de Pesquisas da Associação Brasileira do Veículo Elétrico. "Por isso, o conjunto de baterias precisa de uma caixa de proteção, que é feita de alumínio – elas precisam prover uma boa resistência mecânica, mas ao mesmo tempo não podem ser pesadas. Além disso, é essencial o fato de que o alumínio permite produzir formas mais complexas, garantindo melhor aproveitamento dos espaços vazios na estrutura do veículo."
Takahira ainda ressalta outra qualidade do alumínio: a resistência à corrosão. "Nos veículos elétricos, em geral, as baterias acabam sendo acomodadas no assoalho, onde sempre é possível encontrar vãos e espaços disponíveis. Isso ainda ajuda a baixar o centro de gravidade do veículo, fazendo com que sua estabilidade seja beneficiada", explica. Mas nessa localização, a caixa fica exposta à água que o veículo possa encontrar nas vias – e se fosse feita em aço estaria sujeita à corrosão e, em pouco tempo, perderia a sua funcionalidade.
"Motores a combustão e elétricos, por enquanto, ainda devem conviver juntos por um bom tempo"
A questão do valor mais elevado do alumínio ainda faz com que alguns projetos automotivos descartem o seu uso. "Devido ao custo e necessidade de maior rigidez em determinadas regiões do veículo, alguns fabricantes optam pelo aço como composto principal das carrocerias", explica Maranhão, da AEA. "Mas é certo que existe uma tendência da indústria, em especial para os veículos híbridos e elétricos, de utilização de mais alumínio em suas estruturas".
No entanto, um estudo realizado em 2013 pelo fka, instituto alemão dedicado à pesquisa e desenvolvimento de soluções para a indústria automobilística, concluiu que uma carroceria em alumínio, mesmo sendo uma matéria prima mais cara que o aço, pode baratear o custo final de um automóvel elétrico em comparação com uma estrutura feita em aço. Isso porque a redução de peso permite a instalação de um sistema de baterias menor – e, portanto, mais leve -, reduzindo o custo final em 829 dólares.
O estudo considerou um Volkswagen Golf, com carroceria em aço e motor de combustão interna, como modelo de referência. Ele foi então convertido em um modelo elétrico, conservando toda a estrutura original (com exceção das adaptações necessárias para acomodar e proteger o pacote de baterias). O passo seguinte foi o de transformar este veículo elétrico em um modelo com estrutura integral em alumínio, com o cuidado de se manter a aparência externa idêntica à original. Para os dois conceitos propostos, manter o mesmo nível de segurança do veículo de referência era um requisito básico.
A fka determinou que o peso total do veículo com carroceria integral em alumínio poderia ser reduzido em até 162 quilos (considerando a estrutura da carroceria – body-in-white -, os reforços estruturais para acomodação da bateria e os painéis de fechamento) quando comparado à versão elétrica com a carroceria em aço. Além disso, partindo do pressuposto que os dois veículos teriam a mesma autonomia, isso ainda permitiria que o sistema de bateria fosse 25 quilos mais leve. No total, o conjunto seria 187 kg mais leve que na versão com carroceria em aço.
O próximo passo do estudo foi fazer os cálculos dos custos. Considerando uma produção de 100 mil veículos por ano, a fabricação da carroceria integral em alumínio custaria 1015 euros a mais por veículo. Nos automóveis elétricos, a redução do sistema de bateria necessário representaria uma economia de 1650 euros. Ou seja, a leveza do alumínio proporcionaria uma economia de 635 euros por carro.
Light e-Body Concept
A partir do estudo conduzido pela fka, a Hydro construiu um body-in-white totalmente em alumínio. Atendendo a todos os padrões de segurança e resistência atuais, o projeto Light e-Body chegou a um protótipo com apenas 199 quilos. "Podemos dizer que o nosso projeto da estrutura da carroceria em alumínio oferece os mesmos padrões obtidos pela indústria com a aplicação do aço de alta resistência", disse a assessoria da Hydro.
De acordo com a empresa, além da questão do custo e do peso, o projeto também tinha como preocupação a fase final do ciclo de vida. Isso foi feito reduzindo ao máximo o número de ligas diferentes, de modo a facilitar o processo de reciclagem no término da vida útil do automóvel.
Ainda segundo a Hydro, para partes estruturais laminadas, como os painéis do assoalho e painéis internos das portas, foi desenvolvida a liga HA 5182-U, que se mostrou mais adequada para atender aos processos de conformação.
Já os painéis externos visíveis, que necessitam de maior qualidade superficial, além de muito boas propriedades de conformação e flangeabilidade por estiramento, foram produzidos com ligas da série 6XXX – em particular a AA 6016 e a AA 6014.
Já para os elementos formados a partir de uma única chapa e com grandes dimensões, como o painel lateral, a Hydro desenvolveu a HA 6016-X, liga de camada funcional, que reveste o núcleo feito com a liga HA 6016-U e apresenta maior resistência à abrasão, além de oferece maior liberdade de design.
Se no mundo a perspectiva da maioria das fabricantes é que, até 2025, um em cada quatro carros tenha algum tipo de propulsão elétrica, no Brasil o cenário é bem diferente. "O volume de carros elétricos vendidos no Brasil não chega a 0,01% atualmente. A verdade é que os elétricos dependem muito de políticas públicas", afirma Takahira, da ABVE. "No caso do Brasil, nós temos o etanol, que é um recurso renovável, além da grande aposta que foi feita na exploração do pré-sal."
No Brasil, os maiores investimentos nos carros elétricos estão sendo feitos pelas empresas de energia, como CPFL e Itaipu, que enxergam nos carros elétricos um futuro mercado consumidor.
Os incentivos oficiais, no entanto, aos poucos começam a sair do papel, focando-se inicialmente no que diz respeito à tributação. Em 2014, a Câmara de Comércio Exterior reduziu a alíquota de importação de veículos híbridos sem recarga na tomada, benefício que foi ampliado, em 2015, com algumas ressalvas, para os modelos com recarga na rede elétrica. Alguns estados (PE, MA, SE, RS, RN, PI, SP, MS e RJ) isentam ou concedem desconto no IPVA desses automóveis.
O executivo da ABVE ainda lembra que será preciso repensar o modelo de arrecadação – pois, uma vez que o carro elétrico gasta menos para cobrir a mesma distância, o governo terá uma arrecadação de impostos menor. Isso sem contar diversas outras questões, como os investimentos necessários para a criação de uma rede de eletropostos e a discussão para a regulamentação do uso de energia em condomínios e locais públicos.
Maranhão, da AEA, acrescenta: "Precisamos incentivar a produção dos modelos e componentes no território nacional, além de fazer com que as leis de emissões de poluentes e gases do efeito estufa passem a ser mais rigorosas, como ocorre em países da Europa, EUA e Japão", avalia. Esses itens devem fazer parte da proposta para a nova fase do Inovar Auto, que deve ser regulamentada em breve.
De qualquer forma, existe a tendência de "hibridização da frota", como recurso inicial para reduzir a necessidade de utilização dos combustíveis fósseis, já que uma frota 100% elétrica ainda encontraria muitas dificuldades levando-se em conta os problemas de autonomia e de falta de pontos de recarga. Motores a combustão e elétricos, por enquanto, ainda devem conviver juntos por um bom tempo – a questão pendente, cuja resposta só virá daqui a alguns anos, é a relevância que cada um terá.