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i

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ

ANÁLISE DA PERFORMANCE E CUSTOS DE DIFERENTES

CONFIGURAÇÕES DE UM VEÍCULO A CÉLULA A COMBUSTÍVEL:

O HYUNDAI NEXO

Guilbert Gomes Nassif

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte

dos requisitos necessários à obtenção do título de

Engenheiro.

Orientador: Sílvio Carlos Aníbal de Almeida

Rio de Janeiro

Agosto de 2019

iii

Nassif, Guilbert Gomes

Análise da performance e custos de diferentes configurações de powertrain

de um veículo a célula a combustível: O Hyundai Nexo / Guilbert Gomes

Nassif. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2019.

XI, 177 p.: il.; 29,7 cm.


Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de

Engenharia Mecânica, 2019.

Referências Bibliográficas: p. 158-161.

1. Introdução 2. Bateria 3. Célula a Combustível 4.Veículo Elétrico

5.Softwares 6.Hyundai Nexo 7.Análise do Veículo Elétrico híbrido a

Célula a Combustível 8. Análise do Veículo Elétrico Híbrido Plug-in

a Célula a Combustível 9.Análise Econômica com Veículos Reais 10.

Conclusões I. De Almeida, Sílvio Carlos de Aníbal. II. Universidade

Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia

Mecânica. III. Análise de duas plataformas veiculares de um veículo

a célula a combustível utilizando-se o Advisor.

iv

Agradecimentos

Agradeço em primeiro lugar a minha família. Em especial ao meus pais, Gilberto e

Regina, pelo apoio incondicional durante toda minha vida e por todos os sacrifícios feitos para

que eu pudesse ter a melhor educação possível. Aos meus irmãos, Emmanuel, Michele, Marconi

que são a minha inspiração.

Agradeço aos meus amigos do curso de engenharia mecânica, Pedro Zambrano,

Giuseppe Giovanelli, Bruno Soares, Lucas Guedes, Lucas Paraquett, Lucas Ribeiro e Asaph

Tinoco que estiveram comigo durante esses anos tornando a graduação mais agradável.

Agradeço aos professores da UFRJ que tive contato pela dedicação ao ensino. Em

especial agradeço ao professor Sílvio Carlos pelo ensinamentos, disponibilidade, paciência e

apoio durante a orientação desse projeto.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos

requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

ANÁLISE DA PERFORMANCE E CUSTOS DE DIFERENTES

CONFIGURAÇÕES DE POWERTRAIN DE UM VEÍCULO A CÉLULA A

COMBUSTÍVEL: O HYUNDAI NEXO


Agosto/2019


Curso: Engenharia Mecânica

Alinhado com as tendências mundiais de desenvolvimento de veículos não dependentes

de combustíveis fósseis e com zero emissões, esse estudo propõe e analisa modificações a um

veículo elétrico híbrido a célula a combustível (Hyundai Nexo).

Utilizando-se o software de simulação veicular Advisor foi possível avaliar a

performance do Hyundai Nexo nas versões: veículo elétrico híbrido a célula a combustível e

veículo elétrico híbrido plug-in a célula a combustível. Foram criadas diferentes configurações

do veículo com diferentes graus de hibridização e avaliada a influência desse parâmetro na

performance do veículo.

Selecionam-se os dois melhores modelos de cada versão e compara-se seus custos com

o custo do Hyundai Nexo original e de veículos a combustão e elétrico da mesma categoria. A

comparação é realizada no cenário atual, no cenário de 500.000 veículos a célula a combustível

produzidos ao ano e no cenário de 2030 projetado pelo DOE (sistema de célula a combustível,

tanque e hidrogênio com custos otimizados). Dessa forma é possível observar-se o impacto das

modificações em diferentes momentos de maturidade da tecnologia do sistema de célula a

combustível e do hidrogênio. O custo dos combustíveis e dos veículos analisados são referentes

a Califórnia (EUA), isso é devido a grande disponibilidade de dados para esse Estado.

Palavras-chave: Advisor, Célula a Combustível, Veículo Elétrico Híbrido a Célula a

Combustível, Veículo Elétrico Híbrido Plug-in a Célula a Combustível.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfilment

of the requirements for the degree of Engineer.

PERFORMANCE AND COST ANALYSIS OF DIFFERENT POWERTRAIN

CONFIGURATIONS OF A FUEL CELL VEHICLE: THE HYUNDAI NEXO


August/2018

Advisor: Sílvio Carlos Aníbal de Almeida

Course: Mechanical Engineering

Aligned with the world’s trends of development of zero emission and not fossil fuel

dependent vehicles, this work proposes and analyses modifications to a fuel cell hybrid electric

vehicle (Hyundai Nexo).

Using the vehicle simulator software Advisor, it was possible to evaluate Hyundai

Nexo’s performance in the versions: fuel cell hybrid electric vehicle and fuel cell hybrid plug-

in vehicle. Different configurations at different degrees of hybridization were created and the

influence of this parameter in vehicle’s performance are analyzed.

The two best vehicles of each version are selected and have a cost comparison with the

original Hyundai Nexo, an internal combustion engine vehicle and an electric vehicle of the

same category. The comparison is performed in the current scenario, in a scenario with 500.000

fuel cell vehicles produced by year and in the 2030 scenario projected by DOE (fuel cell system,

tank and hydrogen with costs optimized). In this way it is possible to realize the impact of the

modifications in different stages of maturity of the fuel cell system and of hydrogen. The fuel

and vehicle costs’ analyzed are based on California (USA), this is due to the large availability

of data for this State.

Keywords: Advisor, Fuel Cell, Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle, Fuel Cell Plug-in Hybrid

Electric Vehicle.

vii

Sumário Lista de Figuras ........................................................................................................................ xii

Lista de Tabelas ........................................................................................................................ xv

Lista de Abreviaturas e Siglas ...............................................................................................xviii

1. Introdução ............................................................................................................................. 20

1.1 Relevância dos veículos a célula a combustível ..................................................... 20

1.2 Objetivos ................................................................................................................. 22

1.3 Descrição dos Capítulos.......................................................................................... 22

2. Bateria ................................................................................................................................... 24

2.1 Tipos de bateria ....................................................................................................... 25

2.2.1 Níquel-hidreto metálico ........................................................................... 26

2.2.2 Íon lítio ..................................................................................................... 27

2.2 Principais parâmetros .............................................................................................. 27

2.3 Modos de operação da bateria ................................................................................ 28

3. Célula a Combustível............................................................................................................ 30

3.1 Tipos de Célula a Combustível ............................................................................... 30

3.2 Sistema da célula a combustível ............................................................................. 32

3.3 Energia e eficiência da célula a combustível .......................................................... 33

3.4 Voltagem da célula a combustível ......................................................................... 33

3.5 Voltagem real da célula a combustível ................................................................... 34

3.6 Eficiência do Sistema de célula a combustível ....................................................... 37

4. Veículos elétricos ................................................................................................................. 38

4.1 Veículo elétrico a bateria ........................................................................................ 38

4.2 Veículo elétrico híbrido .......................................................................................... 38

4.2.1 Veículo elétrico híbrido a célula a combustível ....................................... 39

4.2.1.1 Consumo de combustível de veículos ....................................... 42

viii

4.2.2 Veículo elétrico híbrido plug-in a célula a combustível .......................... 42

4.2.2.1 Consumo de um veículo elétrico híbrido plug-in a célula a

combustível ........................................................................................... 43

4.2.2.2 Diferença de eficiência entre o modo charge depleting e charge

sustaining .............................................................................................. 46

4.3 Grau de hibridização ............................................................................................... 48

4.3.1 Restrições ao grau de hibridização........................................................... 48

4.4 Ciclo de Condução .................................................................................................. 49

5. Softwares .............................................................................................................................. 52

5.1 FastSim ................................................................................................................... 52

5.2 Advisor.................................................................................................................... 52

5.2.1 Interface ................................................................................................... 52

6 Hyundai Nexo ........................................................................................................................ 59

6.1 Descrição ................................................................................................................ 59

6.2 Dados de entrada ....................................................................................................60

6.2.1 Bateria ...................................................................................................... 60

6.2.2 Sistema de Célula a Combustível e Tanque ............................................. 61

6.2.3 Motor ........................................................................................................ 62

6.2.4 Veículo ..................................................................................................... 62

6.2.5 Transmissão ............................................................................................. 62

6.2.6 Roda ......................................................................................................... 63

6.2.7 Estratégia de controle da célula a combustível e do banco de baterias.... 63

6.3 Modelagem no Advisor .......................................................................................... 64

6.3.1 Veículo ..................................................................................................... 65

6.3.2 Roda ......................................................................................................... 66

6.3.3 Banco de baterias ..................................................................................... 66

6.3.4 Sistema de Célula a Combustível e Tanque ............................................. 70

ix

6.3.5 Estratégia de controle da célula a combustível do banco de baterias ...... 71

6.3.6 Condições iniciais .................................................................................... 72

6.4 Validação .................................................................................................... 74

7 Análise do Veículo elétrico híbrido a célula a combustível .................................................. 77

7.1 Análise de diferentes graus de hibridização ........................................................... 77

7.1.1 Configuração dos parâmetros da simulação ............................................ 82

7.1.2 Resultados da Simulação ......................................................................... 83

7.1.2.1 Consumo de Combustível ......................................................... 83

7.1.2.2 Autonomia veicular ................................................................... 87

7.2 Vida útil .................................................................................................................. 88

7.3 Análise Econômica ................................................................................................. 89

7.3.1 Custo de aquisição do veículo .................................................................. 89

7.3.2 Custo de combustível ao usuário ............................................................. 92

7.3.3 Custo total do veículo .............................................................................. 95

7.4 Escolha da melhor configuração ............................................................................. 96

8 Análise do veículo elétrico híbrido plug-in a célula a combustível ...................................... 98

8.1 Definição dos dados do veículo .............................................................................. 98

8.1.1 Bateria ...................................................................................................... 98

8.1.2 Estratégia de Controle do Banco de Baterias e da Célula a Combustível 99

8.1.3 Condições Iniciais .................................................................................... 99

8.1.4 Configuração final.................................................................................... 99

8.2 Modelagem no Advisor ........................................................................................ 100

8.2.1 Banco de baterias ................................................................................... 100

8.2.2 Estratégia de controle do banco de baterias e da célula a combustível.. 103

8.2.3 Condições iniciais .................................................................................. 103

8.3 Nexo versão veículo elétrico híbrido plug-in a célula a combustível com diferentes

GHs ............................................................................................................................. 104

x

8.4 Resultados da simulação ....................................................................................... 108

8.4.1 Consumo no modo CD ........................................................................... 108

8.4.2 Consumo no modo CS ........................................................................... 113

8.4.3 Consumo do Ciclo .................................................................................. 117

8.4.4 Autonomia e Autonomia Elétrica .......................................................... 118

8.5 Análise Econômica ............................................................................................... 120

8.5.1 Custos de Aquisição ............................................................................... 120

8.5.2 Custos de combustível ao usuário .......................................................... 122

8.5.3 Custo total do veículo ............................................................................ 126

8.6 Seleção do melhor veículo plug-in ....................................................................... 128

8.7 Comparação energética do veículo elétrico híbrido a célula a combustível e do

veículo elétrico híbrido plug-in a célula a combustível .............................................. 129

9 Análise econômica com veículos reais ................................................................................ 131

9.1 Seleção dos veículos de comparação .................................................................... 131

9.2 Cenários de Comparação ...................................................................................... 132

9.3 Comparação no atual cenário de produção ........................................................... 133

9.3.1 Custo de aquisição do veículo ................................................................ 133

9.3.2 Custo do combustível ............................................................................. 135

9.3.3 Custo total sem isenções ........................................................................ 137

9.4 Cenário com custos de 500.000 unidades fabricadas ao ano ................................ 141

9.4.1 Custo de aquisição ................................................................................. 142

9.4.2 Custo do combustível ............................................................................. 143

9.4.3 Custo total .............................................................................................. 145

9.5 Cenário de 2030 .................................................................................................... 147

9.5.1 Custo de aquisição do veículo em 2030 ................................................. 147

9.5.2 Custo de combustível cenário de 2030 .................................................. 149

9.5.3 Custo total do veículo cenário de 2030 .................................................. 151

xi

9.6 Emissões evitadas ................................................................................................. 153

10 Conclusões ......................................................................................................................... 156

Referências Bibliográficas ...................................................................................................... 159

Apêndice A ............................................................................................................................. 164

Apêndice B ............................................................................................................................. 175

xii

Lista de Figuras

Figura 2.1 – Célula de uma bateria .......................................................................................... 24

Figura 2.2 – Figura de Ragone dos principais sistema de armazenamento de energia ........... 26

Figura 2.3 –Modos de operação da bateria .............................................................................. 29

Figura 3.1 – Célula combustível .............................................................................................. 30

Figura 3.2 – Voltagem da célula combustível com perdas ....................................................... 36

Figura 3.3 – Eficiência do sistema, voltagem da célula e densidade de potência líquida ...... 37

Figura 4.1 – Powertrain do veículo elétrico híbrido a célula combustível com fluxo de energia

.................................................................................................................................................. 39

Figura 4.2 – Powertrain do veículo plug-in a célula combustível com fluxo de energia ........ 43

Figura 4.3 – Fator de Utilidade ............................................................................................... 46

Figura 4.3 – Fluxo de energia do BB até a roda detalhando-se a eficiência do processo por etapa

.................................................................................................................................................. 47

Figure 4.4 – Fluxo de energia da célula a combustível até roda detalhando-se a eficiência do

processo por etapa ................................................................................................................... 48

Figura 4.4 – Perfil de velocidade ciclo UDDS ........................................................................ 50

Figura 4.5 – Perfil de velocidade ciclo HWFET ..................................................................... 50

Figura 5.1 – Primeira tela do Advisor ...................................................................................... 53

Figura 5.2 – Segunda tela do Advisor .................................................................................... 55

Figura 5.3: Configuração das condições iniciais ...................................................................... 55

Figura 5.4 Configuração do teste de aceleração ...................................................................... 56

Figura 5.5 – Configuração do teste de inclinação .................................................................... 57

Figura 5.6 – Tela de resultados da simulação .......................................................................... 58

Figura 6.1 – Tela inicial da configuração final do Hyundai Nexo .......................................... 64

Figura 6.2 – Potência da bateria em função do SOC para diferentes temperaturas ................ 66

Figura 6.3 – Temperatura da bateria ao longo de 5 ciclos UDDS ........................................... 67

Figura 6.4 – Temperatura da bateria ao longo de 5 ciclos HFWET ........................................ 67

Figura 6.5 – Arquivo de texto da bateria ................................................................................. 68

Figura 6.5 - Eficiência da Célula a Combustível em função da sua potência ......................... 72

Figura 6.6 - Estado de carga para 20 ciclos UDDS ................................................................. 73

Figura 6.7 - Estado de carga para 20 ciclos HFWET .............................................................. 74

Figura 6.8 - Resultados da simulação para 1 ciclo UDDS ...................................................... 75

xiii

Figura 6.9 - Resultados da Simulação para um ciclo HFWET ................................................ 76

Figura 7.1 – Inclinação máxima sustentada pelo veículo para diferentes graus de hibridização

.................................................................................................................................................. 79

Figura 7.2 – Tempo de aceleração para diferentes graus de hibridização ............................... 80

Figura 7.3 – Massa do powertrain para configurações com diferentes graus de hibridização 81

Figura 7.4 - Consumo para diversos graus de hibridização nos ciclos padrão ......................... 84

Figura 7.5 - Consumo configuração 3 (GH=29,6%) para 1 ciclo UDDS ................................ 85

Figura 7.6 - Consumo configuração 3 (GH=29,6%) para 1 ciclo HFWET ............................. 85

Figura 7.7 – Consumo configuração 7 (GH=61,6%) para 1 ciclo UDDS .............................. 86

Figura 7.8 – Consumo configuração 7 (GH=61,6%) para 1 ciclo HWFET ............................ 86

Figura 7.9 – Custo de aquisição do veículo para configurações diferentes graus de hibridização

.................................................................................................................................................. 92

Figura 7.10 - Custo total do veículo para diferentes graus de hibridização ............................ 96

Figura 8.1 – Tela inicial da configuração VEHPCC com GH=30% ..................................... 102

Figura 8.2 – Inclinação máxima para vários graus de hibridização ....................................... 105

Figura 8.3 – Tempo de aceleração 0 a 96,6 km/h para vários graus de hibridização ............ 105

Figura 8.4 - Variação da massa do powertrain para vários graus de hibridização ................ 107

Figura 8.5 – MPGeCD no ciclo UDDS com a configuração 2 (GH=24,1%) ......................... 108





Figura 8.10 – MPGeCS no ciclo UDDS para a configuração 2 (GH=24,1%) ........................ 113



Figura 8.13 – MPGeCS no ciclo UDDS com a configuração 5 (GH=50,2%) ........................ 115

Figura 8.14 – MPGeCS no ciclo UDDS com a configuração 6 (GH=60,1%) ........................ 115

Figura 8.15 – Consumo de combustível equivalente nos 3 ciclos para diferentes graus de

hibridização ........................................................................................................................... 118

Figura 8.16 – Custo de aquisição do veículo para diferentes graus de hibridização ............. 122

Figura 8.17 – Simulação de 5.24 ciclos UDDS para a configuração com GH=24,1% ......... 123

Figura 8.18 – Simulação de 5.24 ciclos UDDS para a configuração com GH=29,6% .......... 123

Figura 8.19 – Simulação de 5.24 ciclos UDDS para a configuração com GH=40,1% ......... 124

xiv



Figura 8.22 – Custo total do veículo para diferentes graus de hibridização .......................... 128

Figura 8.23 – Comparação do consumo kWh/100 km para as duas configurações .............. 130

Figura A.1 – Consumo configuração 2 (GH=25,5%) para 1 ciclo UDDS ............................ 164

Figura A.2 – Consumo configuração 2 (GH=25,5%) para 1 ciclo HWFET ........................ 165


Figura A.4 – Consumo configuração 4 (GH=39,8%) para 1 ciclo HWFET .......................... 166

Figura A.5– Consumo configuração 5 (GH=50,0%) para 1 ciclo UDDS ............................. 166

Figura A.6 – Consumo configuração 5 (GH=50,0%) para 1 ciclo HWFET .......................... 167


Figura A.8 – Consumo configuração 6 (GH=60,1%) para 1 ciclo HWFET ......................... 168

Figura A.9 – Performance da configuração 2 (GH=25,5%) em 5,24 ciclos UDDS .............. 169

Figura A.10 – Performance da configuração 2 (GH=25,5%) em 3,81 ciclos HWFET ......... 169

Figura A.11 – Performance da configuração 3 (GH=39,8%) em 5.24 ciclos UDDS ........... 170

Figura A.12 – Performance da configuração 3 (GH=39,8%) em 3.81 ciclos HWFET ......... 170

Figura A.13 – Performance da configuração 4 (GH=50,0%) em 5.24 ciclos UDDS ............ 171


Figura A.15 – Performance da configuração 5 (GH=60,2%) em 5.24 ciclos UDDS ............ 172


Figura A.17 – Performance da configuração original (GH=29,6%) em 5.24 ciclos UDDS . 173

Figura A.18 – Performance da configuração original (GH=29,6%) em 3.81 ciclos HWFET

................................................................................................................................................ 173

Figura A.19– Performance da configuração 7 (GH=61,6%) em 5.24 ciclos UDDS ............ 174

Figura A.20 – Performance da configuração 7 (GH=61,6%)em 3.81 ciclos HWFET ......... 174

Figura B.1 – Simulação de 3.81 ciclos HFWET para a configuração com GH=24,1%......... 175





xv

Lista de Tabelas

Tabela 1.1 Comparação entre Hyundai Kona e Hyundai Nexo para Califórnia (EUA) ......... 21

Tabela 2.1 – Baterias dos veículos a célula combustível atuais .............................................. 26

Tabela 3.1 –Características das Células Combustível que utilizam hidrogênio ...................... 31

Tabela 4.1 Eficiência média dos componentes do VEHPCC [4,5] .......................................... 47

Tabela 6.1- Dados de Performance do Hyundai [27] .............................................................. 60

Tabela 6.2- valores reais e estimados da bateira do Hyundai Nexo ........................................ 60

Tabela 6.3- valores reais e estimados da célula a combustível e do tanque do Hyundai Nexo

.................................................................................................................................................. 61

Tabela 6.4 - valores reais do Hyundai Nexo ........................................................................... 62

Tabela 6.5 – Dados estimados para o Hyundai Nexo .............................................................. 63

Tabela 6.6 – Estratégia de controle para o Hyundai Nexo ...................................................... 63

Tabela 6.7 – Características das baterias no Advisor em relação ao Hyundai Nexo .............. 68

Tabela 6.8 – Passo a Passo da mudança de valores das variáveis da bateria .......................... 70

Tabela 6.9 – Consumo do Hyundai Nexo original em diferentes temperaturas ambiente ...... 72

Tabela 6.10 – Consumo para diferentes SOC’s nos ciclos UDDS e HFWET ........................ 73

Tabela 6.11 - Comparação dos valores simulados para 1 ciclo e dados reais ......................... 75

Tabela 7.1 – Dados dos diferentes graus de hibridização da configuração híbrida .................. 78

Tabela 7.2 – Massa do powertrain e veículo para configurações com diferentes graus de

hibridização .............................................................................................................................. 81

Tabela 7.3 Principais dados do Nexo VEHCC para diferentes graus de hibridização ............ 82

Tabela 7.4 – SOC Inicial para os diferentes graus de hibridização ......................................... 83

Tabela 7.5 – Autonomia dos diferentes graus de hibridização ................................................. 88

Tabela 7.6 - Custo de Aquisição para configurações com diferentes graus de hibridização .. 91

Tabela 7.7 - Consumo em kWh/100 km, consumo de hidrogênio e sua energia equivalente em

diferentes GHs para 39 milhas nos 3 ciclos padrão ................................................................. 94

Tabela 7.8 - Consumo anual e total de combustível para diferentes GHs ............................... 94

Tabela 7.9 – Custos de Aquisição, Combustível e Total do veículo para diferentes GHs ....... 95

Tabela 8.1 – Dados da bateria do Kia Niro plug-in ................................................................. 99

Tabela 8.2 – Configuração Inicial do Nexo VEHPCC .......................................................... 100

Tabela 8.3 – Características das baterias do Advisor e do Nexo VEHPCC .......................... 101

Tabela 8.4 – Passo a Passo da mudança de valores das variáveis da bateria ......................... 102

xvi

Tabela 8.5 – Dados dos diferentes graus de hibridização da configuração plug-in ............... 104

Tabela 8.6 – Massa do powertrain e do veículo para diferentes graus de hibridização ........ 106

Tabela 8.7 – Principais dados das configurações no Nexo VEHPCC estudados .................. 107

Tabela 8.8 – Dados de consumo no modo CD para o ciclo UDDS ....................................... 111

Tabela 8.9 – Consumo para o ciclo HWFET no modo CD ................................................... 112

Tabela 8.10 – Consumo no modo CS no ciclo UDDS .......................................................... 116

Tabela 8.11 – Consumo no modo CS no ciclo HWFET ....................................................... 116

Tabela 8.12 – Dados de consumo dos 3 ciclos para diferentes graus de hibridização .......... 117

Tabela 8.13 – Autonomia e autonomia elétrica dos diferentes graus de hibridização ........... 118

Tabela 8.14 – Autonomia do veículo para diferentes graus de hibridização ......................... 119

Tabela 8.15 - Custo de aquisição para diferentes graus de hibridização ............................... 121

Tabela 8.16 – Detalhes do consumo diário para diferentes graus de hibridização ................ 125

Tabela 8.17 - Consumo anual e custo total de combustível para diferentes graus de hibridização

................................................................................................................................................ 126

Tabela 8.18 – Custos de Aquisição, Combustível e Total do veículo para diferentes GHs .. 127

Tabela 9.1 – Preço do sistema de célula a combustível, tanque e hidrogênio por cenários ... 133

Tabela 9.2 – Custo de aquisição das 3 versões do Nexo ........................................................ 134

Tabela 9.3 – Comparação entre o custo de aquisição de todas as configurações ................... 135

Tabela 9.4 – Custo dos combustíveis utilizados .................................................................... 135

Tabela 9.5 - Comparação do custo dos combustíveis ao longo de 10 anos ............................ 136

Tabela 9.6 – Custo total dos veículos ao fim de 10,5 anos .................................................... 138

Tabela 9.7 – Custo Total dos veículos com subvenções ....................................................... 140

Tabela 9.8– Composição do custo total dos veículos a célula combustível para 500.000

unidades/ano ........................................................................................................................... 142

Tabela 9.9 – Custo de aquisição das diferentes configurações dos veículos ......................... 143

Tabela 9.10 – Custo dos combustíveis utilizados no Cenário de 2019 e com 500.000 unidades

................................................................................................................................................ 144

Tabela 9.11 – Custo com combustível para o cenário de 500.000 unidades/ano ................... 144

Tabela 9.12 – Custo total dos veículos ao fim de 10,5 anos no cenário de 500.000 unidades/ano

................................................................................................................................................ 146

Tabela - 9.13 Comparação dos custos atuais e custos com a tecnologia estabelecida ........... 147

Tabela 9.14 – Composição dos custos dos veículos a célula a combustível no cenário 2030

................................................................................................................................................ 148

xvii

Tabela 9.15 – Comparação entre o custo de aquisição de todas as configurações ................. 149

Tabela 9.16 – Custo dos combustíveis utilizados ................................................................... 150

Tabela 9.17 – Custo de combustível no cenário de 2030 ...................................................... 151

Tabela 9.18 – Custo total dos veículos ao fim de 10,5 anos no cenário de 2030 .................. 152

Tabela 9.19 – Emissões do tanque a roda de CO2 do Hyundai Tucson ................................. 154

xviii

Lista de Abreviaturas e Siglas

Advisor Advanced Vehicle Simulator

AFC Alkaline Fuel Cell

BB Banco de Baterias

CD Charge Depleting

CS Charge Sustaining

DMFC Direct Methanol Fuel Cell

DOE Departament of Energy

EPA Enviromental Protection Agency

EIA Energy Information Administration

IEA International Energy Agency

INEA Instituto Nacional de Eficiência Energética

FASTSim Future Automotive System Technology Simulator

GGE Galão de Gasolina Equivalente

GH Grau de Hibridização

HWFET Highway Fuel Economic Test

MCFC Molten Carbon Fuel Cell

MPG Milhas por galão de gasolina

MPGe Milhas por galão de gasoline equivalente

NREL National Renewble Energy Laboratory

PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell

PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell

PNGV Partenership for a New Generation of Vehicles

SOC Estado de Carga

SOCmáx Estado de Carga máximo

SOCmín Estado de Carga Mínimo

SOFC Solid Oxide Fuel Cell

SUV Sport Utilitary Vehicle

UDDS Urban Dynamometer Drive Schedule

UF Utility Factor

VEB Veículo Elétrico a Bateria

xix

VECC Veículo Elétrico a Célula a Combustível

VEHCC Veículo Elétrico Híbrido a Célula a Combustível

VEHPCC Veículo Elétrico Híbrido Plug-in a Célula a Combustível

VMCI Veículo de Motor a Combustão Interna

Capítulo 1

1. Introdução

1.1 Relevância dos veículos a célula a combustível

Há anos existe um forte movimento por parte das nações para redução da dependência

de combustíveis fósseis e também para redução das emissões de CO2. O acordo de Paris

assinado em 2015 é um exemplo de um compromisso para a redução de emissões de CO2.

Segundo a “International Energy Agency” (IEA) [1,2], em 2016 o setor de transportes

representou 33,7% da energia total consumida no mundo e 24,4% das emissões mundiais de

CO2. Wilberforce et al. [3] afirmam que de 2017 a 2020 a frota mundial de veículos avançará

de até 0,9 bilhão para 1,1 bilhão impulsionada pela expansão econômica de China e Índia. Logo,

fica evidente o impacto dos veículos no consumo mundial de energia e emissões de CO2 e,

consequentemente, a necessidade da renovação da frota mundial de veículos de motores a

combustão interna (consumidores de combustíveis fósseis) por veículos que utilizem energias

renováveis e com menores índices de emissão.

Pode-se analisar as emissões de gases de um combustível por dois caminhos

complementares, do poço ao tanque (emissões na produção e distribuição do combustível) e do

tanque a roda (emissões no consumo do combustível). Na análise do poço a roda, os veículos

elétricos a bateria (VEB) e o veículo elétrico híbrido à célula a combustível (VEHCC) atendem

aos requisitos de não dependência de combustíveis fósseis e de zero emissão. Mas na análise

do poço ao tanque pode haver emissões dependendo do processo de produção e distribuição do

combustível. Para ter zero emissões do poço ao tanque, o VEB precisa usar energia elétrica

oriunda de fontes renováveis e o VEHCC precisa utilizar hidrogênio produzido por hidrólise

que tenha utilizado energia elétrica de fontes renováveis.

Comparando-se o VEHCC e o VEB, o VEB é mais eficiente. Analisando-se apenas a

operação do veículo, o VEB possui eficiência máxima de 83%, enquanto o VEHCC possui

48%. [4,5].

Em relação a autonomia, VEHCC consegue percorrer maiores distâncias que o VEB [6],

mesmo sendo menos eficiente que o VEB. Isso ocorre porque VEHCC tem mais energia

21

disponível do que o VEB. O VEHCC utiliza hidrogênio como combustível que possui

densidade de energia mássica consideravelmente maior do que a bateria [6]. Em relação ao

tempo de recarga/abastecimento, o VEHCC pode ser abastecido em poucos minutos, enquanto

o VEB necessita de pelo menos 30 minutos [6].

Considerando-se custo de aquisição o VEB é mais barato do que o VEHCC [6]. Ao final

desse trabalho mostra-se que o custo com combustíveis do VEB é menor do que o VEHCC

devido, principalmente, ao elevado preço do hidrogênio frente a energia elétrica.

Para ilustrar essas informações, a tabela 1.1 faz uma comparação entre um modelo de

VEB (Hyundai Kona) e um modelo de VEHCC (Hyundai Nexo) da mesma categoria.

Tabela 1.1 Comparação entre Hyundai Kona e Hyundai Nexo para Califórnia (EUA) [7,8,9] 1

Veículo Kona Nexo

Fonte de energia Bateria de Íon-lítio Hidrogênio a

70 Mpa

Densidade de energia mássica da

fonte de energia [kWh/kg] 0,14 33,33

Massa total da fonte de energia [kg] 457 6,3

Energia total disponível da fonte de

energia [kWh] 64,0 209,8

Consumo na Cidade [kWh/100km] 15,8 32

Autonomia na Cidade [km] 405,1 655,7

Tempo de recarga /

reabastecimento

De 0% a 80% da carga total da

bateria em uma fonte de 150 kW:

40 minutos

De 0% a 100% da carga total da

bateria em uma fonte de 7 kW:

10 horas

5 minutos

Custo de Aquisição US$ 37.945 US$ 58.300

O Departamento de Energia dos Estados Unidos (U.S. Department of Energy - DOE)

calcula que o aumento do nível de produção anual de veículos a célula combustível aliado ao

desenvolvimento da estrutura de produção e distribuição do hidrogênio reduzirá

22

consideravelmente o custo do veículo a célula combustível e do hidrogênio [10]. Enquanto não

se atinge esse cenário o governo americano e da Califórnia estimulam a compra de VEB e

VEHCC com isenções ao consumidor [7]. Além disso, a Hyundai oferece 3 anos de hidrogênio

grátis para usuários de seu VEHCC [7].

1.2 Objetivos

O presente trabalho tem por objetivo otimizar o custo e desempenho de um veículo

elétrico híbrido à célula a combustível (VEHCC) existente: o Hyundai Nexo. Para isso foram

estudadas duas configurações do sistema de propulsão (powertrain) para este veículo: a de um

veículo elétrico híbrido a célula a combustível (VEHCC) e a de um veículo elétrico híbrido

plug-in à célula a combustível (VEHPCC). Analisou-se, para as duas configurações, a

influência do grau de hibridização (GH) do veículo em seu custo e em sua performance. O

grau de hibridização é a porcentagem da potência fornecida pelo banco de baterias em relação

a potência total disponível ao veículo.

Utiliza-se o software de simulação veicular Advisor para análise da performance.

Avalia-se, em cada versão de powertrain, o consumo, o tempo de aceleração e os custos para

diferentes graus de hibridização. Define-se, para cada versão de powertrain, o melhor veículo

como aquele que apresentar o menor consumo, menor tempo de aceleração e menor custo total.

Finalmente, realiza-se uma comparação econômica do Nexo original, do melhor Nexo

VEHCC e do melhor Nexo VEHPCC com um veículo elétrico a bateria e um veículo a

combustão interna da mesma categoria.

1.3 Descrição dos Capítulos

O trabalho foi divido em 10 capítulos, abaixo comenta-se brevemente o conteúdo dos

capítulos.

O segundo capítulo descreve o funcionamento da bateria, apresenta seus conceitos

básicos e revela os principais tipos utilizados atualmente em VEHCC e VEHPCC.

O terceiro capítulo descreve o funcionamento da célula a combustível, explica seus

principais conceitos, revela os tipos existentes e explica os componentes/sistemas geralmente

presentes no sistema de célula a combustível.

23

O quarto capítulo descreve os veículos elétricos e suas subclassificações, com ênfase

nas peculiaridades do VEHCC e do VEHPCC. Apresenta-se o conceito de grau de hibridização

e suas limitações. Também introduz-se os ciclos de condução.

O quinto capítulo apresenta o Advisor, software utilizado para as simulações,

descrevendo as ferramentas utilizadas do software. Também se apresenta brevemente o

FASTSim, software utilizado como fonte para dados indisponíveis do veículo.

O sexto capítulo introduz o Hyundai Nexo, explica-se a sua modelagem no software e

analisa-se a validade do modelo obtido.

O sétimo capítulo analisa a performance e custos de diferentes graus de hibridização da

configuração VEHCC. Ao final se seleciona a melhor configuração baseado na análise de custos

e performance.

O oitavo capítulo analisa a performance e custos de diferentes graus de hibridização da

configuração VEHPCC. Ao final se seleciona a melhor configuração baseado na análise de

custos e performance.

O nono capítulo realiza a comparação econômica do Nexo original, melhor Nexo

VEHCC e melhor Nexo VEHPCC com o Hyundai Kona e o Hyundai Tucson. A comparação é

feita no cenário atual (com e sem subvenções), no cenário com 500.000 unidades fabricadas ao

ano e no cenário de 2030 previsto pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos (custos

do sistema de célula a combustível, tanque e hidrogênio economicamente estabelecidos). Ao

fim deste capítulo compara-se as emissões de CO2 do tanque a roda do Tucson com os demais

veículos.

O décimo capítulo revela as conclusões dos resultados obtidos nos capítulos sete, oito e

nove.

24

Capítulo 2

2. Bateria

A bateria é um dispositivo que transforma energia química em energia elétrica durante

a descarga e energia elétrica em energia química durante a carga.

Basicamente a bateria é formada por uma associação de células em série e/ou paralelo,

apresentando o comportamento resultante dessa associação. Cada célula é composta de três

elementos: um eletrodo positivo (cátodo), um eletrodo negativo (ânodo) e um eletrólito onde

os eletrodos ficam imersos. Um circuito externo liga os dois eletrodos, nesse circuito ocorre a

transferência de elétrons. No eletrólito ocorre a migração de íons. A figura 2.1 ilustra isso:

Figura 2.1 – Célula de uma bateria [11] 1

Diferentes tipos de eletrodos e eletrólitos geram diferentes tipos de bateria. Utiliza-se a

bateria de chumbo ácido como exemplo do princípio de funcionamento da bateria devido a sua

simplicidade. O eletrólito é uma solução aquosa de ácido sulfúrico (2H+ + 𝑆𝑂24−). O eletrodo

positivo (cátodo) é composto de chumbo poroso (Pb) o eletrodo negativo (ânodo) é composto

por dióxido de chumbo poroso (Pb02).

25

A equação 2.1 mostra a equação do ânodo na descarga:

𝑃𝑏 + 𝑆𝑂24− → 𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝑒− (2.1)

O chumbo é consumido, sulfato de chumbo (PbSO4) é obtido e dois elétrons são enviados ao

anodo pelo circuito.

A equação 2.2 mostra a equação do cátodo na descarga:

𝑃𝑏𝑂2 + 4𝐻+ 𝑆𝑂24− + 2𝑒− → 𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2𝑂 (2.2)

O dióxido de chumbo poroso é convertido em sulfato de chumbo e água.

A equação 2.3 mostra a equação global na descarga:

𝑃𝑏 + 𝑃𝑏𝑂2 + 2𝐻2𝑆𝑂4 → 2𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2𝑂 (2.3)

Para a carga o fluxo da reação é invertido:

2𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2𝑂 → 𝑃𝑏 + 𝑃𝑏𝑂2 + 2𝐻2𝑆𝑂4 (2.4)

A reação global libera 2.03 V na condição padrão, a voltagem é afetada pela concentração do

eletrólito.

2.1 Tipos de bateria

Diferentes tipos de bateria são obtidos utilizando-se diferentes eletrólitos e eletrodos. A

figura 2.2 ilustra a potência específica e energia específica dos principais tipos de baterias

utilizados em veículos.

26

Figura 2.2 – Figura de Ragone dos principais sistema de armazenamento de energia [11]2

Young et al. [12] afirma que as baterias de íon lítio (Li-ion) e níquel-hidreto metálico

(Ni-MH) são os principais tipos de baterias veiculares na atualidade. A tabela 2.1 detalha o

tipo de bateria utilizada pelos atuais VEHCC e VEHPCC:

Tabela 2.1 – Baterias dos veículos a célula combustível atuais 2

Montadora Modelo Configuração Tipo de Bateria

Toyota Mirai VEHCC Níquel-Hidreto Metálico

Hyundai Nexo VEHCC Íon Lítio

Honda Clarity VEHCC Íon Lítio

Mercedes Benz GLC Fuel Cell VEHPCC Íon Lítio

2.2.1 Níquel-hidreto metálico

O eletrodo positivo (cátodo) é o hidróxido óxido de níquel III (NiOOH) e o eletrodo

negativo (ânodo) é hidrogênio absorvido em hidreto metálico (MH). O eletrólito é uma solução

aquosa de hidróxido de potássio (KOH) com hidróxido de lítio (LiOH). A equação global de

descarga/carga é dada por:

𝑀𝐻 + 𝑁𝑖𝑂𝑂𝐻 ↔ 𝑀 + (𝑁𝑖𝑂𝐻)2 (2.5)

27

A reação tem voltagem nominal de 1.2 V.

2.2.2 Íon lítio

O eletrodo positivo (cátodo) é uma interpolação de um Carbono e Lítio (LixC) e o

eletrodo negativo (ânodo) é uma interpolação de um óxido metálico e Lítio (Li1-xMyOz). Utiliza-

se uma solução orgânica ou um polímero para o eletrólito. A reação global genérica é dada por:

𝐿𝑖𝑥𝐶 + 𝐿𝑖1−𝑥𝑀𝑦𝑂𝑧 ↔ 𝐶 + 𝐿𝑖𝑀𝑦𝑂𝑧 (2.6)

Há uma grande variedade de baterias de Íon Lítio dependendo-se do tipo de ânodo

escolhido, por exemplo, o Lítio Cobalto (Li1-xCoO2) e o lítio-manganês (Li1-xMn2O4).

2.2 Principais parâmetros

Os principais parâmetros da bateria são:

a) Voltagem (V):

É a força eletromotriz de uma célula eletroquímica, é dada pela diferença de potencial

entre o cátodo e ânodo. É medida em Volts (V).

b) Corrente (I):

É o movimento ordenado de elétrons que uma célula eletroquímica pode aplicar em um

circuito externo. É medida em Ampére (A).

b) Capacidade (Cap):

É o total de carga que pode ser retirado da bateria totalmente carregada sob condições

especificadas. É medido em Ampére-hora (Ah).

c) Carga Atual (C):

É a quantidade de carga disponível na bateria para o momento considerado.

d) Estado de Carga (SOC):

Representa a proporção entre a carga atual da bateria e a carga máxima da bateria.

28

𝑆𝑂𝐶 =

𝐶

𝐶𝑎𝑝

(2.7)

Uma bateria completamente carregada tem SOC=1 e uma bateria totalmente

descarregada tem um SOC=0.

e) Energia (E):

É a energia que uma bateria (ou célula) é capaz de armazenar. É dada pelo produto da tensão

que a bateria (ou célula) está sujeita pela sua capacidade. É media em Watt-hora (Wh).

𝐸 = 𝑉. 𝐶 (2.8)

f) Densidade de energia mássica:

É a energia da bateria, ou célula, normalizada pela sua massa.

𝐸𝑚 =

𝐸

𝑚

(2.9)

g) Potência (Pot):

É a taxa temporal de energia elétrica transferida pela bateria (ou célula). É dada pelo

produto da voltagem que a bateria (ou célula) está sujeita pela corrente que a atravessa. É

medida em Watts (W).

𝑃𝑜𝑡 = 𝑉. 𝐼 (2.10)

h) Densidade de potência mássica (Potm):

É a potência da bateria, ou célula, normalizada pela massa.

𝑃𝑜𝑡𝑚 =

𝑃𝑜𝑡

𝑚

(2.11)

2.3 Modos de operação da bateria

Segundo F. Nemry et al. [13], há dois modos de operação da bateria:

- Charge depleting (CD): O estado de carga da bateria decresce continuamente até atingir um

nível mínimo definido na estratégia de controle. O veículo pode se comportar como um veículo

elétrico consumindo apenas a energia da bateria, ou pode utilizar a bateria e outra fonte de

energia quando a bateria não for capaz de atuar sozinha.

29

-Charge sustaining (CS): O estado de carga da bateria flutua acima do valor mínimo definido

na estratégia de controle. Nesse modo a bateria atua apenas em acelerações, faixas de baixa

eficiência da outra fonte de energia, na recuperação da energia da frenagem e quando a outra

fonte de energia não conseguir suprir a potência requerida pelo motor elétrico.

A figura 2.3 ilustra o modo CS e o modo CD da bateria em um percurso para um veículo híbrido

com motor de combustão interna.

Figura 2.3 –Modos de operação da bateria [11] 3

30

Capítulo 3

3. Célula a Combustível

A célula a combustível é uma célula que converte a energia química do combustível em

energia elétrica por meio de processos eletroquímicos. A célula a combustível é formada por

um cátodo, um ânodo e um eletrólito. Os eletrodos estão conectados por um circuito externo e

imersos no eletrólito. O combustível é entregue ao ânodo, a reação química libera íons através

do eletrólito para o cátodo e elétrons que fluem através do circuito externo para o cátodo. No

cátodo a combinação de íons e oxigênio gera os produtos da reação [14].

Figura 3.1 – Célula combustível [14] 4

3.1 Tipos de Célula a Combustível

É possível distinguir seis tipos de células combustível de acordo com tipo de eletrólito

utilizado, cinco tipos utilizam hidrogênio como combustível e um tipo utiliza metanol como

combustível [14]:

1) Célula a combustível de membrana polimérica (Proton Exchange Membrane Fuel Cell -

PEMFC);

2) Célula a combustível alcalina (Alkaline Fuel Cell – AFC);

3) Célula a combustível de ácido fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cell – PAFC);

31

4) Célula a combustível de carbonato fundido (Molten Carbonate Fuel CellI MCFC);

5) Célula a combustível de óxido sólido (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC);

6) Célula a combustível de metanol direto (Direct Methanol Fuel Cell– DMFC);

A célula a combustível de metanol direto (DMFC) utiliza metanol ao invés de

hidrogênio como combustível e por isso não será abordada nesse trabalho.

A tabela 3.1 resume as características dos tipos que utilizam hidrogênio como

combustível:

Tabela 3.1 –Características das Células Combustível que utilizam hidrogênio [15,16] 3

Tipo PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC

Eletrólito Polímero:

Náfion®

Hidróxido de

potássio

Ácido fosfórico

líquido em SiC

Carbonato

Fundido

líquido em

SiAlO2

Cerâmica

Eletrodo Carbono Metais de

Transição Carbono

Níquel e

Óxido de

Níquel

Metal

Catalisador Platina Platina Platina Material do

eletrodo

Material do

eletrodo

Temperatura

de operação 40-80°C 65-220°C 205°C 605°C 600-1000°C

Vantagens

Alta

densidade de

potência e

operação

flexível

Alta

eficiência

Maior

desenvolvimento

tecnológico

Tolerância a

CO/CO2 e

eletrodos a

base de

níquel

Alta

eficiência,

reforma de

combustível

pode ser

feita na

célula

Desvantagens

Custo da

membrana e

contaminação

do catalisador

com CO.

Sensibilidade

a CO2, gases

ultrapuros

sem reforma

de

combustível

Sensibilidade ao

CO, eficiência

limitada pela

corrosão,

controle da

porosidade do

eletrodo.

Necessidade

de

reciclagem

de CO2

Interface

trifásica de

difícil

controle,

Expansão

térmica e

necessidade

de pré-

reforma.

Aplicações

Veículos,

catalisadores

e

espaçonaves.

Espaçonaves

e aplicações

militares

Unidades

estacionárias

(100 kW a

alguns MW) e

Cogeração

Unidades

estacionárias

(algumas

centenas de

kW) e

Cogeração

Unidades

estacionárias

(de 10 a

algumas

centenas de

kW) e

Cogeração

32

Para veículos utiliza-se a célula a combustível de membrana polimérica (PEMFC). A

primeira razão é a baixa temperatura de operação que facilita seu início de operação. A segunda

razão é porque a PEMFC possui a mais alta densidade de potência entre todas as células a

combustível reduzindo seu volume necessário. A terceira razão é o eletrólito sólido não se

mover, se alterar ou se vaporizar. O quarto motivo é impossibilidade de corrosão devido ao fato

do único líquido utilizado na célula ser a água [14].

3.2 Sistema da célula a combustível

O projeto do sistema de célula a combustível é complexo e varia significativamente

dependendo do tipo de célula e de aplicação. Geralmente se encontram os seguintes

componentes e sistemas [17]:

a) Empilhamento: Uma simples célula a combustível produz uma voltagem insuficiente para a

maioria das aplicações. Logo, células individuais são combinadas em série em um

empilhamento.

b) Fornecimento de ar: Para melhorar a eficiência da célula é necessário elevar a pressão do ar

na entrada de 2 a 4 vezes. Isso é feito pelo compressor.

c) Controle de temperatura: Há um sistema de controle de temperatura para manter o

empilhamento em sua temperatura ideal de trabalho.

d) Controle de Umidade: A membrana polimérica não funciona adequadamente fora da sua

umidade ideal. É necessário inclui-se um umidificador na entrada do ar. Esse umidificador

aproveita a água eliminada na exaustão da célula para umidificar o ar na entrada, evitando a

utilização de água externamente.

d) Condicionamento de combustível: Prepara o combustível para ser utilizado pela célula. Pode

fazer desde a purificação do combustível até o seu processamento.

e) Condicionamento de energia elétrica: Esse sistema controla a corrente, voltagem, frequência

da energia elétrica gerada pela célula para se adequar a sua aplicação.

33

3.3 Energia e eficiência da célula a combustível

A energia liberada pela célula é dada pela variação da energia livre de Gibbs (∆G), a

variação da energia de Gibbs em uma reação é dada pela diferença da energia dos reagentes

(Gi) pela energia dos produtos (Gj):

∆G = ∑ 𝐺𝑖𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠

− ∑ 𝐺𝑗𝑅𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠

(3.1)

Se o processo ocorrido for reversível ∆G é dado por:

∆G = −n. F. 𝑉𝑟

(3.2)

Onde:

- n é o número de elétrons transferido;

- F é a constante de Faraday (96,495 C/mol);

- Vr é a voltagem reversível da célula.

Para um processo não reversível a energia é dada por:

∆G = ∆H − T. ∆S (3.3)

- Onde ∆H é a variação de entalpia da reação na temperatura absoluta;

- ∆S é a variação de entropia da reação na temperatura absoluta;

- T é a temperatura absoluta em Kelvin;

A eficiência ideal de uma célula é dada por

η𝑖𝑑 =

∆G

∆H= 1 − T.

∆S

∆H

(3.4)

No processo de conversão de energia química em elétrica há um aumento de entropia devido

ao calor cedido ao ambiente (T.∆S).

3.4 Voltagem da célula a combustível

A energia de Gibbs também pode ser escrita como:

∆S = ∆G0 RT ln (

∏ 𝑓𝑢𝑔𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠

∏ 𝑓𝑢𝑔𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠)

(3.5)

34

Onde:

- ∆G0 é a variação da energia de Gibbs na condição padrão (25ºC e 1 atm);

- R é a constante universal dos gases 8,31 J/mol.K;

A voltagem da célula é dada utilizando-se (3.2) em (3.5):

V𝑟 = 𝑉𝑟

0 𝑅𝑇

nF ln (

∏ 𝑓𝑢𝑔𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠

∏ 𝑓𝑢𝑔𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠)

(3.6)

Vro é a voltagem da célula nas condições padrão (25ºC e 1 atm).

Para reagentes e produtos no estado gasoso a voltagem é dada por:

V𝑟 = 𝑉𝑟

0 𝑅𝑇

nF ∑ 𝑉𝑖 ln (

P𝑖

𝑃𝑖0)

𝑖

(3.7)

Onde:

- Pi é a pressão dos gases da reação;

- Pio é a pressão padrão;

- Vi é o número de moles de cada elemento i.

3.5 Voltagem real da célula a combustível

A voltagem real da célula é inferior a voltagem teórica devido as perdas de diversa

natureza:

a) Perda ôhmica (∆VΩ):

Quando corrente é retirada da célula a combustível, há uma queda de voltagem gerada

pela resistência ôhmica dos eletrodos e do eletrólito. Essa perda é proporcional a corrente:

∆VΩ = Re. i (3.8)

Onde:

- Re é a resistência por área do eletrodo e eletrólito;

- ∆VΩ é a perda ôhmica.

35

b) Perda de ativação (∆Va):

Em uma célula a combustível, parte da energia é perdida para fazer os elementos

reagirem, pois uma energia extra é necessária para superar a barreira de ativação. Essa perda

está intimamente relacionada ao material dos eletrodos e do catalisador. A perda de ativação é

dada por:

∆V𝑎 = 𝑉𝑟

0 𝑅𝑇

βnF ln (

𝑖

𝑖𝑜)

(3.9)

Onde:

- β é o coeficiente de transferência de elétrons no eletrodo;

- io é a densidade da corrente de troca.

c) Perda devida a concentração (∆Va):

Conforme a corrente flui ocorre um fluxo de íons do ânodo para o cátodo, reduz-se a

concentração de íons no ânodo. Essa redução gera uma queda de voltagem no ânodo. Essa

queda é inexpressiva para pequenas correntes, mas se torna expressiva com o aumento da

corrente até atingir a corrente limite.

A perda de voltagem no ânodo é dada por:

∆V𝑐1 =

𝑅𝑇

nF ln (

𝑖𝐿

𝑖𝐿 − 𝑖)

(3.10)

- IL é a corrente limite.

A variação da voltagem no cátodo é dada por:

∆V𝑐2 =

𝑅𝑇

nF ln (

𝑖𝐿 + 𝑖

𝑖𝐿)

(3.11)

A queda de voltagem devido a concentração não está restrita apenas ao eletrólito.

Quando os reagentes ou os produtos são gases, a variação na pressão parcial nas zonas de reação

também representa variação da concentração na superfície do eletrólito. Essa variação da

concentração causa uma queda de voltagem definida como:

36

∆V𝑐𝑔 =

𝑅𝑇

nF ln (

𝑃𝑠

𝑃𝑜)

(3.12)

Onde:

- Ps é a pressão na superfície do eletrólito;

- Po é a pressão do fluxo do gás de alimentação.

A figura 3.2 ilustra a voltagem da célula em função da densidade de corrente detalhando

os tipos de perda.

Figura 3.2 – Voltagem da célula combustível com perdas [9] 5

A eficiência da célula pode ser dada pela queda da voltagem da célula:

η𝑓𝑐 =

V

𝑉𝑟𝑜

(3.13)

Onde:

- V é a voltagem real da célula;

- 𝑉𝑟𝑜é a voltagem reversível da célula nas condições padrões.

37

3.6 Eficiência do Sistema de célula a combustível

Os acessórios necessários no sistema de célula a combustível consomem uma

quantidade considerável de energia. O compressor é o maior consumidor de energia, junto com

o seu motor consome até 10% da energia gerada pela célula.

A figura 3.3 ilustra a eficiência do sistema de célula a combustível. A região de baixa

corrente é ineficiente porque boa parte da potência da célula é utilizada para manter os

acessórios do sistema, na região de alta corrente há uma grande perda de eficiência devido à

queda da voltagem, devido ao aumento das perdas ôhmicas. A região intermediária de corrente

é onde o sistema de célula a combustível apresenta a maior eficiência [14].

Figura 3.3 – Eficiência do sistema, voltagem da célula e densidade de potência líquida [14] 6

38

Capítulo 4

4. Veículos elétricos

Segundo o Instituto Nacional de Eficiência Energética (INEA) [18], veículos elétricos

são veículos que utilizam pelo menos um motor elétrico para a sua tração. Pode-se incluir nessa

categoria os veículos elétricos a bateria e veículos elétricos híbridos (com suas

subclassificações).

4.1 Veículo elétrico a bateria

O veículo elétrico a bateria (VEB) utiliza exclusivamente o banco de baterias (BB) como

fonte de energia para o motor elétrico, logo é necessário recarregar a bateria na rede elétrica.

Conforme discutido na seção 1.1, sua desvantagem é a autonomia limitada e o alto tempo de

recarga quando comparados a veículos elétricos híbrido a célula a combustível [6].

4.2 Veículo elétrico híbrido

Veículos elétricos híbridos utilizam duas ou mais fontes de energia para a propulsão do

veículo. A combinação mais comum é o motor de combustão interna com o banco de baterias,

também é possível utilizar-se um banco de baterias com uma célula a combustível.

Ahmad [19] classifica os veículos híbridos quanto às funções do banco de baterias no sistema

de powertrain:

a) Micro-híbridos

O banco de baterias mantém os acessórios do veículo em funcionamento quando o veículo para

e também dá partida no motor quando o motorista solicita potência.

b) Híbrido leve

O banco de baterias recupera a energia da frenagem e possui todas as funções da bateria do

micro-híbrido.

c) Híbrido Completo

39

O banco de baterias fornece energia para o veículo durante acelerações e pode até conduzir o

veículo por curtas distâncias. Possui todas as funções do híbrido leve.

d) Híbrido plug-in

O banco de baterias conduz o veículo por longas distâncias sozinho e pode ser carregado

externamente na rede. Possui todas as funções do híbrido completo.

Nas duas próximas subseções detalha-se o powertrain das duas configurações estudadas neste

trabalho e também o cálculo de seu consumo.

4.2.1 Veículo elétrico híbrido a célula a combustível

O veículo elétrico híbrido a célula a combustível (VEHCC) utiliza o banco de baterias

e a célula a combustível para sua tração.

A figura 4.1 apresenta um diagrama indicando os principais componentes de um

VEHCC e os fluxos de energia que estão representados pelas setas vermelhas.

Figura 4.1 – Powertrain do veículo elétrico híbrido a célula combustível com fluxo de energia7

Este powertrain é composto pelo sistema da célula a combustível, tanque de hidrogênio,

banco de baterias, motor elétrico, conversor de corrente contínua para corrente contínua

(conversor CC/CC) e conversor de corrente contínua para alternada (conversor CC/CA).

40

Neste trabalho o veículo analisado utiliza um motor elétrico de corrente alternada,

enquanto a bateria e a célula a combustível fornecem corrente contínua. Durante o modo de

tração do veículo é necessário converter a corrente contínua gerada nas fontes de energia para

corrente alternada utilizada no motor. Durante a frenagem é necessário converter a corrente

alternada recebida do motor para corrente contínua no banco de baterias. O conversor CC/CA

é o componente que converte a corrente contínua em alternada e vice-versa. Esse componente

fica localizado entre as fontes de energia e o motor elétrico.

O sistema de célula a combustível e o banco de baterias operam com corrente contínua

em diferentes voltagens, para o sistema de célula a combustível carregar o banco de baterias é

necessário equalizar a voltagem dos dois sistemas. O conversor CC/CC é o componente que

altera a voltagem de uma corrente contínua de um valor de origem para um valor desejado. Para

permitir a recarga do banco de baterias pela célula a combustível utiliza-se esse componente

entre o sistema de célula a combustível e o banco de baterias.

A utilização da célula a combustível em conjunto com o banco de baterias permite superar

algumas limitações da célula a combustível para propulsão veicular. Segundo Wang e Nehir

[20], a célula a combustível não é capaz de responder rapidamente a acelerações. Ademais, a

célula a combustível possui baixa eficiência em baixas potências [14]. Portanto, a utilização do

banco de baterias em conjunto com a célula a combustível permite obter um melhor

desempenho em acelerações e em faixas de baixa eficiência da célula a combustível.

O fluxo de energia do banco de baterias, da célula a combustível e do motor elétrico é

determinado pela estratégia de controle configurada no controlador do veículo. A estratégia de

gerenciamento de potência do veículo deve garantir três condições [14]:

A potência do motor elétrico deve sempre seguir a demanda de potência do veículo;

A célula a combustível opera somente em sua faixa de alta eficiência;

O estado de carga do banco de baterias é mantido entre o SOCmin e SOCmáx.

O veículo pode operar em 4 modos, cada um com uma estratégia de controle diferente:

1) Modo estático: Nenhuma das duas fontes de energia transmite energia para o motor elétrico;

2) Modo de frenagem: Célula a combustível é desativada e banco de baterias é carregado pela

energia da frenagem regenerativa através do motor elétrico.

3) Modo de tração com banco de bateria no modo CS:

41

a) Se a potência requerida pelo motor elétrico estiver entre a potência mínima de ativação da

célula a combustível e a potência máxima da célula a combustível e o banco de baterias não

precisar ser carregado, a célula a combustível atua sozinha fornecendo a potência requisitada

pelo motor. Caso o banco de baterias precise ser recarregado, a célula a combustível atua em

sua potência máxima e a energia que não for utilizada pelo motor elétrico carrega o banco de

baterias.

b) Se a potência requerida pelo motor elétrico for maior do que a potência máxima da célula a

combustível, a célula a combustível e o banco de baterias são acionados. A célula a combustível

fornece sua potência máxima e o banco de baterias fornece a potência restante necessária.

c) Se a potência solicitada pelo motor for menor do que a potência mínima de ativação da célula

a combustível e o banco de baterias não precisar ser carregado, o banco de baterias atua sozinho

fornecendo a potência requerida pelo motor. Caso o banco de baterias precise ser carregado, a

célula a combustível atua em sua potência máxima e a potência que não é utilizada para acionar

o motor é utilizada para carregar o banco de baterias.

4) Modo tração com bateria no modo CD:

a) Se a potência requisitada pelo motor elétrico for menor do que a potência máxima da bateria

e o banco de baterias não precisar ser carregado, a bateria fornece sozinha a potência requisitada

pelo motor. Caso a bateria necessite ser carregada, a célula a combustível fornece sua potência

máxima e a potência não utilizada pelo motor é utilizada para carregar o banco de baterias.

b) Se a potência solicitada pelo motor for maior do que a potência máxima do banco de baterias

e o banco de baterias não precisar ser carregado, o banco de baterias e a célula a combustível

são acionados. A bateria fornece a sua potência máxima e a célula a combustível fornece o

restante da potência necessária se esta puder atuar em sua faixa de alta eficiência. Caso não

possa, a célula a combustível fornece a sua potência mínima de ativação e o banco de baterias

fornece a potência restante solicitada pelo motor.

c) Se a potência solicitada pelo motor for maior do que a potência máxima da bateria e o banco

de baterias precisar ser carregado, a célula a combustível fornece sua potência máxima e a

potência não utilizada pelo motor é utilizada para carregar o banco de baterias.

42

4.2.1.1 Consumo de combustível de veículos

Como os parâmetros de consumo de combustível reportados pelos fabricantes são

fornecidos em unidades inglesas, a exposição das equações de consumo e consumo equivalente

também são apresentadas nessas mesmas unidades.

Para veículos a combustão interna geralmente utiliza-se a unidade MPG (milhas por

galão de gasolina). O MPG mede a distância em milhas que um veículo consegue percorrer

com um galão de gasolina.

𝑀𝑃𝐺 =

𝐷

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎

(4.1)

- D é a distância percorrida em milhas;

- Volumegasolina é quantidade de gasolina consumida em galões.

Para veículos alternativos utiliza-se a unidade MPGe (milhas por galão de gasolina

equivalente). O MPGe mede a distância em milhas que um veículo consegue percorrer

utilizando a energia equivalente a um galão de gasolina (33,44 kWh) da fonte de energia

utilizada nesse veículo (hidrogênio, gás natural, eletricidade).

O consumo equivalente de um VEHCC é dado por:

𝑀𝑃𝐺𝑒 =

𝐷. 𝐸𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎

𝐸ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔ê𝑛𝑖𝑜

(4.2)

- Egasolina é a energia contida em um galão de gasolina (33,44 kWh);

- Ehidrogênio é a energia utilizada oriunda do hidrogênio em kWh (cada quilograma de hidrogênio

possui 33,3 kWh de energia).

O consumo do veículo é medido para um ciclo com SOC médio que o veículo apresenta

durante 20 ciclos. Na seção 6.5 se justifica o porquê da utilização desse valor do SOC médio

para o SOC inicial do veículo.

4.2.2 Veículo elétrico híbrido plug-in a célula a

combustível

O veículo elétrico híbrido plug-in a célula a combustível (VEHPCC) se difere do veículo

elétrico híbrido a célula a combustível (VEHCC) nas características de seu banco de baterias.

43

Além de cumprir os requisitos do banco de baterias dos VEHCC, o banco de baterias do

VEHPCC deve ser capaz de sustentar o veículo sem o auxílio da célula a combustível por

maiores distâncias. Consequentemente, o banco de baterias do VEHPCC tem que ter uma

quantidade de energia disponível maior do que a do VEHCC. Além disso, a bateria do plug-in

pode ser recarregada na rede elétrica, dessa forma é possível aproveitar-se mais do modo CD

do veículo.

A figura 4.2 ilustra o powertrain do VEHPCC. Nota-se em relação ao powertrain do

VEHCC, o incremento do carregador da bateria para expressar a possibilidade de recarga na

rede.

Figura 4.2 – Powertrain do veículo plug-in a célula combustível com fluxo de energia 8

Por possuir um powertain bastante similar ao do VEHCC, o VEHPCC possui a mesma

estratégia de gerenciamento de potência para os seus quatro de modos de atuação (estático,

frenagem, tração com bateria no modo CS e tração da bateria no modo CD).

4.2.2.1 Consumo de um veículo elétrico híbrido plug-in a célula

a combustível

Diferentemente do VEHCC em que toda a energia utilizada é gerada pelo sistema de

célula a combustível, a energia utilizada pelo VEHPCC é oriunda de duas fontes de energia, o

sistema de célula a combustível e o banco de baterias.

44

O VEHPCC pode operar com duas estratégias de controle distintas da bateria, o modo

“charge depleting” (CD) e o modo “charge sustaining” (CS). No modo CD consome-se

majoritariamente energia do banco de baterias com a célula a combustível complementando a

energia quando requisitado. No modo CS consome-se majoritariamente energia da célula a

combustível hidrogênio com o banco de baterias complementando a energia quando necessário.

O consumo de combustível em veículos híbrido plug-in depende de seu modo de

atuação. Segundo Gonder e Simpson [22], o consumo de combustível para veículos híbrido

plug-in é calculado da seguinte maneira:

a) Modo CS:

É definido da mesma forma do que nos VEHCC:

𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝑆 =

𝐷𝐶𝑆. 𝐸𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎


(4.3)

- Dcs é a distância percorrida no modo CS em milhas.

b) Modo CD:

Partindo-se do seu estado máximo de carga, o consumo é dado por uma média das duas

fontes de energia consumidas pelo veículo ponderando-se a energia elétrica a ser recarregada

para um galão de gasolina:

𝑀𝑃𝐺𝐶𝐷 =

𝐷

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 +𝐸𝑟𝑒𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

𝐸𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎

(4.4)

- Erecarga é a energia necessária em kWh para recarregar-se a bateria do seu estado de carga final

até o estado de carga máxima.

Para o VEHPCC, tanto a energia elétrica quanto a energia consumida do hidrogênio são

ponderadas para a energia contida em um galão de gasolina:

𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝐷 =


𝐸ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔ê𝑛𝑖𝑜 + 𝐸𝑟𝑒𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

(4.5)

- D é a distância total desse percurso em milhas.

45

Um detalhe importante é a distância D. Define-se o número mínimo de ciclos padrão

para que o veículo partindo do estado de carga máxima atinja o modo CS, D é a distância total

desse percurso.

A variável DCD é a autonomia elétrica, esta variável é definida como a distância máxima

percorrida por um veículo no modo CD, partindo-se com a bateria totalmente carregada, em um

determinado ciclo. DCD será importante para o cálculo do consumo do veículo em um ciclo no

item c.

c) Consumo no ciclo:

Para calcular o consumo por galão equivalente do veículo no ciclo é preciso ponderar o

quanto desse percurso é realizado no modo CS e no modo CD. Isso é feito pelo fator de utilidade

(UF) que é baseado em dados da Agência de Estatísticas de Direção dos Estados Unidos (U.S.

National Driving Statistics).

O consumo de um veículo plug-in em um ciclo é dado por:

𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 =

1

𝑈𝐹𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝐷

+ 1 − 𝑈𝐹𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝑆

(4.6)

- MPGeCD é o consumo no modo CD;

- MPGeCS é o consumo no modo CS;

- UF é o fator de utilidade.

O fator de utilidade dá a porcentagem de milhas diárias percorridas pela frota de veículos

americanos para uma determinada distância D. A figura 4.3 detalha o UF em função da

distância.

46

Figura 4.3 – Fator de Utilidade [22]9

Por exemplo, um valor de 40 milhas cruza a curva em 50%, isso significa que 50% das

milhas percorridas pela frota de veículos americanos ocorreram nas primeiras 40 milhas do seu

percurso diário, os outros 50% ocorrerão nas milhas seguintes do percurso diário. Ao se utilizar

autonomia elétrica (DCD) de um veículo plug-in para obter UF pondera-se quantas milhas

percorridas pela frota de veículos americanos foi percorrida no modo CD desse veículo e

consequentemente quantas foram no modo CS. E a partir disso calcula-se o consumo desse

veículo.

4.2.2.2 Diferença de eficiência entre o modo charge depleting

e charge sustaining

Um ponto a se destacar é que o VEHPCC é mais eficiente quando opera com o banco

de baterias no modo CD do que quando opera com banco de baterias no modo CS. A explicação

é a disparidade entre a eficiência do fluxo de energia do banco de baterias até a roda e do fluxo

de energia da célula a combustível até a roda.

A tabela 4.1 mostra a eficiência de cada componente do powertrain do VEHPCC

baseados na pesquisa de S. Eaves et al. [4] e de S. Campanari et al. [5].

47

Tabela 4.1 Eficiência média dos componentes do VEHPCC [4,5] 4

Componente Eficiência média

Banco de baterias de íon lítio 90%

Sistema de Célula Combustível 55%

Conversor CC/CC 97%

Conversor CC/AC 97%

Motor Elétrico 92%

Sistema de Transmissão 98%

Quando o banco de baterias opera no modo CD o VEHPCC utiliza majoritariamente o

banco de baterias como fonte de energia. A figura 4.3 detalha o fluxo de energia do banco de

baterias até a roda, mostrando em vermelho a eficiência de conversão do processo em cada

etapa e mostrando a eficiência de cada componente em preto. A eficiência do fluxo de energia

do BB até a roda é de 76,3%.

Figura 4.3 – Fluxo de energia do BB até a roda detalhando-se a eficiência do processo por etapa 10

Quando o banco de baterias opera no modo CS o VEHPCC utiliza majoritariamente a

célula a combustível como fonte de energia. A figura 4.4 detalha o fluxo de energia da célula a

combustível até a roda e a eficiência de cada componente em preto. A eficiência do fluxo de

energia da célula a combustível até a roda é de 46,7%.

48

Figure 4.4 – Fluxo de energia da célula a combustível até roda detalhando-se a eficiência do processo

por etapa 11

O veículo operando no modo CD utiliza majoritariamente o banco de baterias como

fonte de energia (eficiência de conversão de energia até a roda de 76,5%) enquanto o veículo

operando no modo CS utiliza majoritariamente a célula a combustível como fonte de energia

(eficiência de 46,7% na conversão de energia até a roda). Logo, o modo CD é mais eficiente do

que o modo CS pois utiliza predominante um fluxo de energia com maior eficiência de

conversão da fonte energia até a roda.

Estas considerações serão importantes para o estudo sobre a influência do grau de

hibridização de veículos que será tratado a seguir.

4.3 Grau de hibridização

O grau de hibridização (GH) é uma medida da ordem de grandeza da potência do sistema

de armazenamento de energia sobre a potência total do sistema. Para o caso do veículo a célula

a combustível, o grau de hibridização é definido matematicamente como:

𝐺𝐻 =

𝑃𝑏𝑎𝑡,𝑚𝑎𝑥

𝑃𝑐𝑒𝑙,𝑚𝑎𝑥 + 𝑃𝑏𝑎𝑡,𝑚𝑎𝑥. 100 [%]

(4.7)

Onde:

- Pbat,max é potência máxima disponibilizada pela bateria;

- Pcel,max é a potência máxima disponibilizada pela célula combustível.

4.3.1 Restrições ao grau de hibridização

Em 1993 o governo americano criou a “Partnership for a new generation of vehicles”

(PNGV). Essa iniciativa era composta por três grandes montadoras (Ford, General Motors e

49

Chrysler) e buscava desenvolver veículos mais eficientes e com baixos índices de emissão, mas

sem sacrificar sua performance.

A PNGV estabelece os seguintes requisitos de performance para veículos alternativos

[23]:

1) Subida em aclive com inclinação de 6,5 % a velocidade constante de 55 mph (88,5 km/h)

durante 20 minutos;

2) Velocidade máxima de 88,5 mph (136,8 km/h);

3) Aceleração de 0 a 60 mph (96,6 km/h) em até 12 segundos.

Para o primeiro requisito utiliza-se os critérios propostos por Ahluwalia et al. [24].

Segundo os autores a célula a combustível deve ser capaz atender sozinha aos requisitos de

potência do veículo, nesses requisitos se inclui a subida em aclives. Dessa forma o teste de

subida em aclive é realizado utilizando-se apenas a célula a combustível.

Conforme mencionado na seção 4.2, a célula a combustível não consegue responder

rapidamente a variações de potência, por esse motivo os testes 2 e 3 utilizam a bateria e a célula

a combustível conjuntamente.

4.4 Ciclo de Condução

O ciclo de condução é uma representação das condições de direção de um veículo em

um trajeto. São fundamentais para determinação do consumo de combustível e emissão de

poluentes.

A Agência de Protação Ambiental dos Estados Unidos (“U.S. Enviromental Protection

Agency” - EPA) define os principais ciclos utilizados. Abaixo listam-se os três ciclos utilizados

nesse estudo:

a) O ciclo “Urban Dynamometer Driving Cycle” (UDDS) é utilizado para representar a direção

de um veículo leve na cidade. Em 1369 segundos percorre-se 7,45 milhas (12 km) com uma

velocidade média de 19,59 mph (31,53 km/h). A figura 4.4 mostra o perfil de velocidade do

ciclo:

50

Figura 4.4 – Perfil de velocidade ciclo UDDS [25] 12

b) O ciclo “Highway Fuel Economy Test” (HWFET) é utilizado para representar a direção de

um veículo leve na estrada. Em 765 segundos percorre-se 10,26 milhas (16,51 km) com uma

velocidade média de 48,3 mph (77,33 km/h). A figura 4.5 mostra o perfil de velocidade do

ciclo:

Figura 4.5 – Perfil de velocidade ciclo HWFET [25]13

c) Ciclo Combinado

O ciclo combinado é composto por uma ponderação de 55% do ciclo UDDS e 45% do

ciclo HWFET.

O consumo do ciclo combinado é dado por:

51

𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝑂𝑀𝐵 =

1

0,55

𝑀𝑃𝐺𝑒𝑈𝐷𝐷𝑆+

0,45𝑀𝑃𝐺𝑒𝐻𝑊𝐹𝐸𝑇

(4.8)

- MPGeCOMB é o consumo no ciclo combinado;

- MPGeUDDS é o consumo no ciclo UDDS;

- MPGeHWFET é o consumo no ciclo HWFET.

Neste estudo os custos do veículo serão baseados no consumo do ciclo combinado.

52

Capítulo 5

5. Softwares

Este capítulo descreve o funcionamento do Advisor (software utilizado nas simulações)

entrando-se em mais detalhes de seu funcionamento. Também se discorre brevemente sobre o

FASTSim (software utilizado como base de dados para o estudo).

5.1 FastSim

O “Future Technology Systems Technology Simulator” (FASTSim) é um software

desenvolvido pela NREL e pelo DOE para a análise de sistemas automotivos, a última versão

disponível foi lançada em dezembro de 2018.

O FASTSim permite de uma maneira simples e rápida comparar diferentes powertrains

e estimar impacto de modificações do sistema na eficiência, performance e custo do veículo. A

base de dados do FASTSim possui veículos com diferentes powertrains como convencionais e

elétricos (a bateria, a célula a combustível, híbrido e plug-in) [26].

Nesse estudo utiliza-se o FASTSim apenas para estimar-se alguns dados de difícil obtenção do

veículo.

5.2 Advisor

O Advanced Vehicle Simulator (Advisor) é um software desenvolvido pela NREL que

funciona no ambiente do Simulink (Matlab). O software faz uma rápida análise da performance

e consumo de veículos convencionais e elétricos (a bateria, a célula a combustível, híbrido e

plug-in). Nesse estudo o Advisor é utilizado para a análise da performance dos veículos

estudados.

5.2.1 Interface

O Advisor possui três telas principais de interface:

a) Primeira tela:

53

Na primeira tela configura-se o veículo a ser simulado. A tela é dividida em dois lados,

no lado esquerdo é possível visualizar os parâmetros do veículo e no lado direito altera-se as

configurações do modelo. A figura 5.1 ilustra a primeira tela.

Figura 5.1 – Primeira tela do Advisor 14

Abaixo descreve-se brevemente os principais itens da tela a direita:

“Drivetrain Config”: Define a configuração do powertrain veículo.

“Vehicle”: Define a carroceria do veículo.

“Fuel Converter”: Define o tipo de dispositivo que converte a energia química do

combustível em energia para tracionar as rodas. Pode ser um motor a combustão ou uma

a célula a combustível. A direita dessa opção é possível alterar a potência máxima e

eficiência máxima do dispositivo.

“Exhaust Aftertreat”: Define o tipo de sistema de exaustão e tratamento dos gases do

veículo.

“Energy Storage”: Define o tipo de sistema de armazenamento de energia do veículo.

A direita dessa opção é possível alterar o número de módulos da bateria.

54

“Motor”: É o tipo de motor elétrico que o veículo utiliza para tracionar as rodas. A

direita dessa opção é possível alterar a potência máxima e eficiência máxima do motor.

“Transmission”: É o modelo de transmissão que converte o torque do motor para as

rodas;

“Wheel Axle”: Define o modelo do sistema de tração do veículo composto de roda e

eixo.

“Acessory”: É o modelo dos acessórios que o motor sustenta. Pode ser de potência

constante ou variável.

“Powertrain Control”: É o tipo de controle do motor e da embreagem.

“Traction Control”: É o tipo de tração do veículo, dianteiro, traseiro ou nas quatro

rodas.

Na parte inferior da primeira tela há a região “variable list”, nessa região é possível alterar-

se as variáveis de cada um dos componentes do veículo citados anteriormente. Basta selecionar

a variável desejada, clicar em “edit var.” e alterar o seu valor.

b) Segunda Tela:

A figura 5.2 ilustra a segunda tela, nessa tela configura-se os parâmetros do teste a ser feito:

Condições iniciais: Selecionando o botão “Initial Conditions” no retângulo verde

configura-se o estado de carga inicial da bateria, temperatura do ambiente e dos

componentes do veículo. A figura 5.3 ilustra a caixa de diálogo.

Ciclo: No retângulo verde seleciona-se o ciclo a ser percorrido pela caixa de seleção.

O número de ciclos é definido em “# of cycles”.

Teste de aceleração: Selecionando o botão “Accel Options” no retângulo amarelo

configura-se os intervalos de aceleração e quais fontes de energia serão utilizados do

teste de aceleração. A figura 5.4 ilustra a caixa de diálogo.

Teste de inclinação: Selecionando o botão “Grade Options” no retângulo amarelo

configura-se o tempo do teste, velocidade do veículo, quais fontes de energia são

utilizadas no teste de inclinação. A figura 5.5 ilustra a caixa de diálogo.

55

Figura 5.2 – Segunda tela do Advisor 15

Figura 5.3: Configuração das condições iniciais16

56

Figura 5.4 Configuração do teste de aceleração 17

57

Figura 5.5 – Configuração do teste de inclinação 18

Os testes de aceleração e inclinação são configurados para avaliar-se os limites de

hibridização descritos na seção 4.4.2.

c) Terceira tela:

A figura 5.6 ilustra a terceira tela, na qual observa-se os resultados da simulação. No

lado esquerdo são mostradas até quatro telas com variáveis do veículo. As simulações realizadas

apresentam a mesma tela em todas as simulações para se manter a uniformidade:

58

Figura 5.6 – Tela de resultados da simulação 19

Primeira tela: Velocidade do veículo em mph ao longo do tempo.

Segunda tela: Estado de carga da bateria ao longo do tempo.

Terceira tela: Potência entregue em kW pela célula a combustível ao longo do tempo.

Quarta tela: Consumo de hidrogênio em litros ao longo do tempo;

O retângulo bege à direita mostra o consumo de gasolina equivalente (MPGe) na variável

“Gasoline Equivalent”.

O retângulo amarelo à direita detalha o resultado dos testes de aceleração e de subida em

pista inclinada.

59

Capítulo 6

6 Hyundai Nexo

Nesse capítulo descreve-se o Hyundai Nexo, modela-se o veículo no Advisor e analisa-

se a validade do modelo.

6.1 Descrição

Em 2013 a Hyundai lançou o Hyundai ix35, um veículo elétrico híbrido à célula a

combustível (VEHCC) que teve seu projeto adaptado ao de sua versão a combustão. Esse

modelo foi produzido até 2017, até que em 2018 a Hyundai lança o Nexo como seu sucessor.

O Nexo não foi uma adaptação de um projeto de um veículo anterior, mas sim resultado de um

projeto inovador.

O Nexo está disponível para venda e locação na Califórnia (EUA), alguns países da

Europa, Japão e Coreia do Sul. Devido ao alto custo de aquisição e elevado custo do hidrogênio,

o governo americano oferece US$ 7.500 dólares de incentivo para a compra do Nexo e o

governo da Califórnia oferece US$ 5.000. A Hyundai oferece US$ 13.000 para compra de

combustível ou 3 anos grátis de combustível (o que ocorrer primeiro) [7].

O veículo possui a versão Blue e Limited, ambos têm a mesma configuração de

powertrain. A diferença está no peso e no preço, a versão Limited é um modelo mais luxuoso

contando com mais acessórios, por isso é mais caro e mais pesado. O modelo de estudo utilizado

é versão Blue por ser mais barato e mais leve.

O Nexo tem autonomia de 380 milhas (611,5 km) e leva apenas 5 minutos para abastecer

totalmente seu tanque de 156,6 L.

A tabela 6.1 resume os dados de performance do Hyundai Nexo.

60

Tabela 6.1- Dados de Performance do Hyundai [27] 5

Dados de Performance

Consumo Ciclo UDDS 65 MPGe

Consumo Ciclo HWFET 58 MPGe

Consumo Ciclo Combinado 61 MPGe

Tempo de aceleração de 0 a 100 km/h 9,2 s

Tempo de aceleração de 80 a 120 km/h 7,4 s

Velocidade máxima 179 km/h

Autonomia 611,5 km

Tempo de abastecimento [s] 300

6.2 Dados de entrada

Nessa seção detalha-se os dados do Hyundai Nexo, segundo os dados disponíveis pela

Hyundai [27], separados por área e detalhando-se as hipóteses para os dados faltantes.

6.2.1 Bateria

O Hyundai Nexo utiliza um banco de baterias de Íon Lítio, com 40 kW de Potência,

1,56 kWh de Energia e Voltagem de 240 V. A tabela 6.2 resume os valores reais descritos

anteriormente e valores estimados da bateria:

Tabela 6.2- valores reais e estimados da bateira do Hyundai Nexo 6

Bateria

Tipo Íon-lítio

Voltagem (V) 240

Voltagem por célula (V) 3,75

Células 64

Capacidade [Ah] 6,5

Massa [kg] 33

Energia [kWh] 1,56

Densidade energética da célula [Wh/célula] 24,4

Potência[kW] 40,0

Densidade de potência da célula [W/célula] 625

61

Não há informação disponível a respeito do número de células, massa por célula,

capacidade da célula e voltagem da célula do Hyundai Nexo. A exceção da massa por célula,

os dados ausentes estão disponíveis para o Hyundai Ioniq híbrido [28] e Kia Niro híbrido [29].

Os dois veículos possuem o mesmo tipo de bateria, potência, energia e voltagem que o Nexo,

dessa forma assume-se os dados ausentes do Nexo como os do Kia Niro e do Hyundai Ioniq.

A massa da célula é calculada dividindo-se a massa total da bateria pelo número de células.

6.2.2 Sistema de Célula a Combustível e Tanque

O Nexo utiliza a célula a combustível de membrana polimérica com 95 kW de Potência, o

sistema de célula a combustível é fabricado pela própria Hyundai, tem massa de 89 kg e

eficiência máxima de 60% [30]. Retira-se do modelo do FASTSim o tempo para a célula a

combustível atingir a potência máxima, 5s.

A tabela 6.3 resume os valores reais e estimados do sistema de célula a combustível e

tanque:

Tabela 6.3- valores reais e estimados da célula a combustível e do tanque do Hyundai Nexo 7

Sistema de Célula a Combustível e Tanque

Tipo Membrana Polimérica

Potência [kW] 95

Tempo para atingir a potência máxima [s] 5

Massa do Sistema de célula a combustível

[kg] 89

Eficiência Máxima 60%

Capacidade do tanque [L] 156,6

Capacidade do Tanque [kg] 6,3

Massa do tanque [kg] 112

Massa do hidrogênio [kg] 6,3

Pressão [MPa] 70

Densidade do hidrogênio [g/L] 40,2

62

O Nexo possui 3 tanques, com volume total de 156,6 L para armazenar 6,3 kg de hidrogênio

a 10.000 psi (70 MPa). Não se tem informação da massa do tanque. Para ter-se um valor

razoável, aproxima-se o valor da massa do tanque por volume do Toyota Mirai (87,5 kg em

122,4 L) para o volume do Nexo, totalizando 112 kg.

Posteriormente, será necessário colocar o valor de densidade do hidrogênio armazenado no

Advisor, isso ocorre devido aos diferentes tipos de pressão de armazenamento do hidrogênio

disponíveis. A densidade do hidrogênio é obtida simplesmente dividindo-se a massa total de

hidrogênio pelo volume total do tanque. O resultado é 40,2 g/L.

6.2.3 Motor

O Hyundai Nexo utiliza um motor elétrico de imã permanente de corrente alternada

síncrono com 120 kW de potência máxima e 395 N.m de torque máximo.

6.2.4 Veículo

A tabela 6.4 resume os principais dados do veículo:

Tabela 6.4 - valores reais do Hyundai Nexo [27] 8

Veículo

Coeficiente de Arrasto 0,33

Área Frontal* 3,02 m²

Massa sem passageiros 1822 kg

Massa da carga 136 kg

Comprimento 4670 mm

Largura 1860 mm

Altura 1630 mm

Distância entre eixos 2790 mm

*A área frontal foi obtido do modelo do Hyundai IX35 no FASTSim.

6.2.5 Transmissão

O Veículo possui tração dianteira e um sistema de transmissão com velocidade única.

63

6.2.6 Roda

Os dados da tabela 6.5 foram retirados do modelo do Hyundai ix35 no FASTSim:

Tabela 6.5 – Dados estimados para o Hyundai Nexo 9

Roda

Raio do pneu 351 mm

Momento de inércia 3,26 kg.m²

Coeficiente de rolamento 0,007

Coeficiente de atrito da roda 0,7

6.2.7 Estratégia de controle da célula a combustível e do

banco de baterias

Utiliza-se o o banco de baterias no modo CS, com o estado de carga máximo (SOCmáx)

de 0,8 e estado de carga mínimo (SOCmín) de 0,4. A célula a combustível só é utilizada quando

se atinge uma eficiência de 50% para economia de combustível. A tabela 6.6 resume a estratégia

de controle adotada para o Hyundai Nexo.

Tabela 6.6 – Estratégia de controle para o Hyundai Nexo 10

Estratégia de Controle

Modo de operação Charge Sustaining

SOCmáx 0,8

SOCmín 0,4

Eficiência mínima para

ativação da célula 50%

Os valores de SOCmáx e SOCmín foram retirados da base de dados do FASTSim.

64

6.3 Modelagem no Advisor

A partir dos dados apresentados na seção anterior modela-se o veículo no Advisor. A

figura 6.1 representa a tela inicial do modelo final no Advisor.

Figura 6.1 – Tela inicial da configuração final do Hyundai Nexo 20

Segue a abaixo a justificativa para cada escolha:

a) Drivetrain Configuration: Escolhe-se a opção “fuel_cell” porque é a configuração de um

veículo híbrido a célula a combustível.

b) Vehicle: Escolhe-se a opção “VEH_smallSUV” porque modela os dados do veículo com o de

um SUV pequeno (mesma classificação do Hyundai Nexo). Isso é especialmente útil na

estimativa de dados não disponíveis.

c) Fuel Converter: Escolhe-se a opção “FC_ANHL50H2” por ser o modelo de célula a

combustível a hidrogênio. Por não possuir as características da célula do Hyundai Nexo

modificações serão realizadas na subseção 6.3.4.

65

d) Exhaust Aftertreat: Escolhe-se a opção “EX_FUELCELL” porque é a configuração original

dos veículos a célula a combustível.

e) Energy Storage: Escolhe-se a opção “ESS_LI7_temp” por ser a única opção que retrata uma

bateria de íon-lítion. Por não possuir as características da bateria de íon lítion do Hyundai Nexo

modificações são realizadas na subseção 6.3.3.

f) Motor: Escolhe-se a opção “MC_PM100_UQM” por retratar um motor elétrica de imã

permanentes com a maior potência disponível. Alterou-se a potência do motor de 100kW para

120kW.

g) Transmission: Escolhe-se a opção “TX_1SPD_IDEAL” por retratar uma transmissão de uma

velocidade única do veículo. Seleciona-se a opção “front wheel drive” para configurar-se a

tração dianteira.

h) Wheel/Axle: Escolhe-se a opção “WH_SUV” por retratar as características de um SUV

pequeno.

i) Acessory: Escolhe-se a opção “ACC_HYBRID” por representar os requisitos de potência dos

acessórios em um veículo híbrido.

j) Powertrain Control: Escolhe-se a opção “PTC_FUELCELL” por ser a opção padrão de

controle de powertrain de um veículo a célula a combustível.

6.3.1 Veículo

As seguintes variáveis do veículo são alteradas na área “variable list” (localizada na

parte inferior da tela inicial de configuração):

a) Coeficiente de Arrasto: Altera-se a variável “veh_cd” para 0,33;

b) Área frontal: Altera-se a variável “veh_FA” para 3,02;

c) Massa da Carga: Altera-se a variável “veh_cargo_mass” para 136kg;

d) Massa do veículo com a carga: Altera-se a variável “veh_mass” para 1947 kg (massa do

veículo somada a massa da carga)

e) Distância entre eixos: Altera-se a variável “veh_wheelbase” para 2,62m.

66

6.3.2 Roda

As seguintes variáveis do veículo são alteradas na área variable list:

a) Raio do Pneu: A variável “wh_radius” é alterada para 0,313 m;

b) Inércia da Roda: A variável “wh_inertia” é alterada para 3,26 kg.m².

c) Coeficiente de rolamento: A variável “wh_1st_rrc” é alterada para 0,007.

6.3.3 Banco de baterias

A bateria de íon-lítio do Advisor possui características de densidade de potência,

densidade de energia, capacidade e densidade mássica diferentes da bateria do Hyundai Nexo.

Nessa seção explica-se as diferenças e como se alterar a as características da bateria do Advisor

para a do Hyundai Nexo.

As características da bateria são dependentes da temperatura de atuação, o Advisor

interpola essas características a 0°C, 25°C e 41°C para a bateria de Íon Lítio. A figura 6.2 ilustra

o efeito da temperatura na potência da bateria.

Figura 6.2 – Potência da bateria em função do SOC para diferentes temperaturas 21

As figuras 6.3 e 6.4 mostram a temperatura da bateria ao longo de 5 ciclos UDDS e

HFWET, respectivamente. É notório que após a temperatura se estabilizar a bateria atua mais

próximo dos 41°C do que as demais temperaturas, por isso as características da bateria são

avaliadas nessa temperatura.

67

Figura 6.3 – Temperatura da bateria ao longo de 5 ciclos UDDS 22

Figura 6.4 – Temperatura da bateria ao longo de 5 ciclos HFWET 23

Um banco de baterias é formado por uma associação de módulos em série ou em

paralelo. Um módulo é uma associação de células em série ou em paralelo. Uma associação de

células tem as mesmas propriedades elétricas do que uma associação de resistores. Ou seja,

uma associação de células em série tem a voltagem igual a soma das voltagens das células, a

corrente da associação é dada pela soma das correntes das células e a resistência da associação

é dada pela soma das resistências em série.

68

O Advisor altera as propriedades do banco de baterias pelo módulo da bateria, ou seja,

por uma associação de células. Analisando-se o arquivo de texto da bateria do Advisor, nota-se

que as variáveis da massa e da voltagem do módulo são explicitamente multiplicadas por 3.

Esse efeito é o equivalente a associar-se 3 células em série no módulo. Portanto, conclui-se que

o módulo da bateria do Advisor é composto por 3 células em série. A figura 6.5 mostra a parte

do arquivo de texto da bateria que contém a variável “ess_voc” (voltagem do módulo) e

“ess_module_mass” (massa do módulo) multiplicados por 3.

Figura 6.5 – Arquivo de texto da bateria 24

Os dados da bateria do Nexo estão disponíveis para uma célula. Para facilitar a

comparação coloca-se o módulo da bateria do Advisor também com 1 célula, ou seja, as

variáveis não são mais multiplicadas por 3. A tabela 6.7 mostra as características da bateria do

Advisor com 1 célula por módulo e as características da célula da bateria do Nexo (valores

desejados).

Tabela 6.7 – Características das baterias no Advisor em relação ao Hyundai Nexo 11

Bateria Advisor Hyundai Nexo

Voltagem Nominal 3,57 3,75

Potência por célula [W/célula] 224 625

Energia por célula [Wh/célula] 26,3 24,4

Capacidade da célula [Ah] 7,4 6,5

Massa da célula [kg] 0,378 0,516

Para que o módulo do Advisor tenha as mesmas características da do Nexo é necessário

modificar as seguintes variáveis dos módulos da bateria:

a)“ess_cap_scale”: essa variável altera a massa, a potência e capacidade do módulo do módulo

da bateria proporcionalmente ao fator de escala definido. Ela pode ser alterada na tela de

configuração inicial.

69

b)“ess_module_mass”: essa variável modifica a massa do módulo. Ela pode ser alterada na tela

de configuração inicial.

c)“ess_voc”: é a voltagem de 1 módulo em função do estado de carga e da temperatura do

módulo da bateria. Deve ser alterado no arquivo de texto da bateria. Para alterar o arquivo de

texto da bateria acesse o diretório onde o Advisor foi instalado, abra a pasta “data”, em seguida

abra a pasta “energy_storage” e por fim abra o arquivo de texto “ess_li7_temp”. Após fazer as

alterações salve o arquivo no mesmo diretório e com o mesmo nome.

d)“ess_max_ah_cap”: é a capacidade de 1 módulo da bateria em função do estado de carga e

da temperatura. Deve ser alterado no arquivo de texto da bateria.

Realiza-se o seguinte procedimento para alterar-se o módulo original do Advisor para o

módulo desejado do Hyunda Nexo:

1) No arquivo de texto da bateria a variável “ess_voc” era inicialmente multiplicada por um

fator de 3 obtendo-se uma voltagem de 10,7 V por módulo (3,57 V . 3 = 10,7). Agora multiplica-

se por um fator de 1,05 para ter-se uma voltagem nominal de 3,75V por módulo (3,57 V . 1,05

= 3,75).

2) A potência por módulo com 1 célula precisa aumentar de 224 kW/módulo para 625

kW/módulo, ou seja precisa aumentar 2,79 vezes. Logo, altera-se a variável “ess_cap_scale”

de 1 para 2,79. O efeito colateral disso é o aumento da massa e da capacidade do módulo pelo

mesmo valor. Mas isso pode ser resolvido alterando-se essas duas variáveis individualmente.

3) A capacidade do módulo precisa ir de 20,75 Ah (7,4 Ah aumentado 2,79 vezes) para 6,5 Ah.

Para isso se altera no arquivo de texto da bateria a variável “ess_max_ah_cap”, multiplica-se

a variável por 0,314.

4) A massa do módulo desejada é 0,516 kg. O valor inserido para “ess_module_mass” é 0,185

kg, pois esse valor é multiplicado por 2,79 resultando em 0,516kg.

A tabela 6.8 mostra passo a passo a mudança de valores das variáveis realizada anteriormente.

70

Tabela 6.8 – Passo a Passo da mudança de valores das variáveis da bateria 12

Passo a Passo Pot/célula

[kW/kg]

Capacidade da

célula [Ah]

Massa da

célula [kg]

Voltagem da

Célula [V]

Inicialmente 224 7,4 0,378 3,57

Modificação 1 224 7,4 0,378 3,75

Modificação 2 625 20,64 1,04 3,75

Modificação 3 625 6,5 1,04 3,75

Modificação 4 625 6,5 0,516 3,75

Seguindo-se esses passos consegue-se obter um módulo composto de uma célula com

as características desejadas conforme na tabela 6.7. Agora basta selecionar o número de

modulos da bateria na tela inicial como 64.

A figura 6.2 mostrada anteriormente ilustra a curva de potência desejada, a figura 6.1

mostrada anteriormente ilustra a massa, voltagem e número de modos desejados da bateria.

6.3.4 Sistema de Célula a Combustível e Tanque

As características da célula a combustível descritas na tabela 6.3 são utilizadas para

modelar-se a célula a combustível no Advisor. São realizadas as seguintes modificações nas

características da célula:

a) Potência Máxima da célula: Na tela inicial de configuração altera-se a potência máxima de

50 kW para 95 kW. Isso é feito alterando-se em “variable list” o valor da variável

“fc_max_pwr” de 50.000 W para 95.000 W.

b) Taxa de crescimento da potência: Em “variable list” altera-se a variável

“cs_max_pwr_rise_rate” para 19.000 W/s. Dessa forma a célula a combustível atinge em 5s a

sua potência máxima de 95kW.

c) Massa do sistema de célula a combustível: O Advisor varia a massa do sistema de célula a

combustível proporcionalmente a sua potência tendo como base o valor da massa do sistema

para 50 kW (valor padrão do software). Dessa forma, para se ter a massa de 89 kg do sistema a

71

95kW, utiliza-se a massa que o sistema teria a 50kW (46,8 kg). Em “variable list” altera-se o

valor da variável “fc_base_mass” para 46,8 kg.

O sistema de armazenamento de combustível tem as seguintes variáveis modificadas na área

“variable list”:

a) Massa do tanque e combustível: Altera-se a variável “fc_mass” para 118 kg (massa do tanque

somada ao combustível).

b) Densidade do hidrogênio: Altera-se a variável “fc_fuel_den” para 40,2 g/l.

Na tela inicial da figura 6.1, a massa mostrada (206 kg) é a massa do sistema de célula

combustível somada a massa do tanque e do hidrogênio.

6.3.5 Estratégia de controle da célula a combustível do

banco de baterias

Na área “variable list” alteram-se as seguintes variáveis:

a) Estado de Carga Máxima da Bateria: Altera-se a varíavel “cs_hi_soc” para 0,8.

b) Estado de Carga Mínima da Bateria: Altera-se a varíavel “cs_lo_soc” para 0,4.

c) Modo de operação da bateria: Mantém-se a variável “cs_charge_deplete_bool” igual a 0 para

atuação no modo charge sustaining, o valor seleciona o modo charge depleting.

d) Potência mínima para ativação da célula a combustível: Conforme discutido na seção 3.6, a

eficiência da célula a combustível cresce com aumento da potência até se estabilizar em uma

faixa de potência. Para se utilizar a célula a combustível nessa faixa de alta eficiência, acima de

50%, define-se um valor mínimo de potência para sua ativação.

A figura 6.5 mostra a curva de eficiência x potência dessa configuração:

72

Figura 6.5 - Eficiência da Célula a Combustível em função da sua potência 25

Para essa configuração seleciona-se o valor de 10 kW como a potência mínima de

ativação da célula a combustível, então altera-se o valor da variável “cs_min_pwr”para 10.000

W.

6.3.6 Condições iniciais

Na tela de configuração de parâmetros da seleção

a) Temperatura

Segundo a “United States Climate Date” a temperatura em Los Angeles (Califórnia)

oscila entre 10°C e 26°C durante o ano [31]. A tabela 6.8 mostra o consumo do Hyundai Nexo

original simulado a 10°C e 26°C nos ciclos UDDS e HFWET. A diferença foi inferior a 1%

nesses dois extremos, logo conclui-se que a variação nessa faixa não é relevante. Portanto

utiliza-se a configuração original do Advisor a 20ºC como temperatura ambiente do veículo e

dos seus demais componentes.

Tabela 6.9 – Consumo do Hyundai Nexo original em diferentes temperaturas ambiente 13

Temperatura 10°C 26°C Diferença

Ciclo UDDS [MPGE] 58,8 57,4 0,7%

Ciclo HFWET [MPEG] 58,4 57,0 0,7%

b) SOC Inicial

73

Conforme pode-se observar na tabela 6.9, nota-se que o consumo é muito sensível ao

estado de carga inicial, pois o modo CD tem grande influência para a curta distância de um

ciclo:

Tabela 6.10 – Consumo para diferentes SOC’s nos ciclos UDDS e HFWET 14

SOC Inicial UDDS [MPGE] HFWET [MPGE] Combinado [MPGE]

0,8 72,6 65,6 69,5

0,6 63,8 59,8 62,0

0,4 56,2 55,4 55,8

O VEHCC só pode ter sua bateria carregada pela energia regenerativa dos freios e pela

energia da célula a combustível, ambos dependem do estilo de direção e o segundo da estratégia

de controle do powertrain. Para um determinado ciclo o comportamento do estado de carga da

bateria se estabiliza após um determinado número de ciclos, pois seu estilo de direção e

estratégia de controle são repetidos a cada ciclo, esse comportamento é visível nas figuras 6.6

e 6.7. Assim o valor mais adequado para estado inicial de carga da bateria para esse ciclo

específico é o seu valor mais provável nesse ciclo, ou seja, a média do estado de carga nesse

ciclo após sua estabilização.

Figura 6.6 - Estado de carga para 20 ciclos UDDS 26

74

Figura 6.7 - Estado de carga para 20 ciclos HFWET 27

Neste trabalho o estado de carga inicial da bateria é definido como a média do estado

de carga ao longo de 20 ciclos. Isto é feito porque o estado de carga da bateria se estabiliza

muito antes de se atingir 20 ciclos, dessa forma ao se calcular o SOC médio do ciclo dilui-se o

efeito transitório do valor inicial do SOC. Para o ciclo UDDS o SOC médio é 0,461 e para o

ciclo HFWET o SOC médio é 0,511.

6.4 Validação

Para validar-se a modelagem do Hyundai Nexo compara-se os resultados da simulação

para um ciclo dos ciclos padrões (UDDS e HFWET) com os dados reais do Hyundai Nexo.

Utilizando-se os valores médios de SOC de cada ciclo chega-se a um diferença relativa

de 5% para o consumo do ciclo combinado comparado ao valor real. Os dados de aceleração e

velocidade máxima tiveram uma grande variação em relação aos dados reais, mas isso não

compromete a modelagem pois apenas os dados de consumo devem ser precisos, já que estes

serão utilizados para cálculos econômicos posteriormente. Dessa forma pode-se validar a

modelagem do veículo. Segue abaixo a tabela com os resultados das simulações e as figuras

com os resultados para cada ciclo.

75

Tabela 6.11 - Comparação dos valores simulados para 1 ciclo e dados reais 15

Dado Simulação Real Diferença

Relativa

UDDS [MPGE] 58,6 65 10%

SOC Inicial 0,461 - -

HFWET [MPEG] 56,5 58 3%

SOC Inicial 0,511 - -

Combinado [MPGE] 57,6 61,0 6%

Aceleração 0-100 km/h [s] 11,3 9,2 23%

Aceleração 80-120 km/h [s] 9,4 7,4 26%

Velocidade máxima [km/h] 157,2 179 12%

A figura 6.8 mostra a tela de resultados para 1 ciclo UDDS e a figura 6.9 mostra o

resultado para 1 ciclo HWFET.

Figura 6.8 - Resultados da simulação para 1 ciclo UDDS 28

76

Figura 6.9 - Resultados da Simulação para um ciclo HFWET 29

77

Capítulo 7

7 Análise do Veículo elétrico híbrido a célula a

combustível

Nessa seção analisa-se a performance e custos do Hyundai Nexo versão veículo elétrico

híbrido a célula a combustível (VEHCC) para diferentes graus de hibridização. O objetivo dessa

análise é definir o melhor grau de hibridização levando-se em conta a performance e custos.

7.1 Análise de diferentes graus de hibridização

Conforme visto na seção 4.3, para o veículo a célula a combustível o grau de

hibridização é a proporção da potência do banco de baterias em relação a potência total do

sistema (definido pela equação 4.7).

Para a análise da influência do grau de hibridização no desempenho e nos custos do

veículo a potência total do sistema é mantida constante em 135 kW, mesma do Hyundai Nexo

real, altera-se apenas a proporção da potência total do banco de baterias e da célula a

combustível.

A potência total da bateria é modificada pela variação do número de módulos da bateria,

a potência total da célula a combustível é dada pela diferença da potência total do sistema e do

novo valor da potência total da bateria.

Os graus de hibridização são validados conforme as restrições descritas na subseção

4.3.2:

1) Utilizando-se somente a célula a combustível para acionamento do motor, o veículo deve ser

capaz de subir aclives com inclinação de 6,5 % a velocidade constante de 55 mph (88,5 km/h)

durante 20 minutos;

2) Utilizando-se a célula de combustível e o banco de baterias para o acionamento do motor, o

veículo deve atingir a velocidade máxima de 88,5 mph (136,8 km/h);

78

3) Utilizando-se a célula de combustível e o banco de baterias para o acionamento do motor, o

veículo deve acelerar de 0 a 60 mph (96,6 km/h) em até 12 segundos.

A tabela 7.1 detalha os diferentes graus de hibridização testados e seus resultados de

performance obtidos no Advisor. As configurações de 2 a 7 são válidas pois satisfazem as

restrições de hibridização. A configuração 1 é invalida porque ultrapassou o tempo máximo de

12 segundos para a aceleração e a configuração 8 não conseguiu manter a inclinação mínima

(6,5 %). Essas duas configurações não serão consideradas nas próximas análises pois não

satisfazem as restrições de hibridização.

Tabela 7.1 – Dados dos diferentes graus de hibridização da configuração híbrida16

Configuração 1 2 3

(Original) 4 5 6 7 8

Grau de

Hibridização 25,0% 25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2% 61,6% 62,1%

Tempo 0-60

mph (0 a 96,6

km/h)

12,1 11,9 10,5 9,5 9,2 8,8 8,7 8,7

Inclinação

máxima (%) 12,7 12,9 15,2 12,4 9,6 6,8 6,5 6,4

Massa total do

veículo [kg] 1950,6 1950,7 1950,0 1948,5 1946,9 1945,4 1945,2 1945,1

A figura 7.1 mostra a inclinação máxima que o veículo consegue subir à velocidade

constante de 55 mph (88,5 km/h) durante 20 minutos para diferentes graus de hibridização.

79

Figura 7.1 – Inclinação máxima sustentada pelo veículo para diferentes graus de hibridização 30

Analisando-se a figura 7.1 observa-se uma redução da inclinação máxima conforme se

afasta do grau de hibridização da configuração original (GH=29,6%).

A figura 7.2 mostra o comportamento do tempo de aceleração do veículo de 0 a 60 mph

(0 a 96,6 km/h) com a variação do grau de hibridização.

12,9

15,2

12,4

9,6

6,8 6,5

0

2

4

6

8

10

12

14

16

25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2% 61,6%

Grau de Hibridização

Inclinação máxima (%)

80

Figura 7.2 – Tempo de aceleração para diferentes graus de hibridização 31

Examinando-se a figura 7.2 nota-se que conforme se aumenta o grau de hibridização,

obtém-se menores tempos de aceleração. Conforme já discutido na subseção 4.2, a célula a

combustível não é capaz de responder rapidamente a transitórios de potência, mas as baterias

conseguem. Portanto, ao se aumentar o grau de hibridização é natural que o veículo possua

melhor resposta às acelerações.

A tabela 7.2 discrimina a massa de cada componente do sistema de powertrain para

configurações com diferentes graus de hibridização.

12,0

10,9

9,59,2

8,8 8,7

0,0

1,5

3,0

4,5

6,0

7,5

9,0

10,5

12,0

13,5

25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2% 61,6%


Tempo 0-60 mph [s]

81

Tabela 7.2 – Massa do powertrain e veículo para configurações com diferentes graus de hibridização17

Configuração 2 3 (Original) 4 5 6 7

Grau de Hibridização 25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2% 61,6%

Massa da bateria [kg] 28,4 33,0 44,4 55,7 67,1 68,6

Massa do sist. Cel. Comb.

[kg] 94,2 89,0 76,1 63,2 50,3 48,5

Massa do tanque [kg] 111,9 111,9 111,9 111,9 111,9 111,9

Massa do Combustível [kg] 6,3 6,3 6,3 6,3 6,3 6,3

Massa Sist. Cel. Comb. +

Tanque + Combustível [kg] 240,8 240,2 238,7 237,1 235,6 235,3

Massa total do veículo [kg] 1814,6 1814,0 1812,5 1810,9 1810,4 1809,2

Averiguando-se a tabela 7.2 conclui-se que a massa total do veículo não sofre grandes

modificações com o aumento do grau de hibridização. A redução na massa do sistema de célula

a combustível é praticamente compensada pelo ganho de massa da bateria. Há uma redução de

massa de 5 kg do maior grau de hibridização em relação à configuração original. A figura 7.3

ilustra essa tendência.

Figura 7.3 – Massa do powertrain para configurações com diferentes graus de hibridização 32

240,9 240,8 240,2 238,7 237,1 235,6

0

50

100

150

200

250

25,0% 25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2%

Mas

sa [

kg]


Massa da bateria [kg] Massa do sist. Cel. Comb. [kg]

Massa do tanque [kg] Massa do Combustível [kg]

82

A tabela 7.3 resume os principais dados das configurações do Nexo VEHCC estudados neste

capítulo:

Tabela 7.3 Principais dados do Nexo VEHCC para diferentes graus de hibridização 18

Configuração 2 3

(Original) 4 5 6 7


Voltagem do Banco de

Baterias (V) 206,25 240 322,5 405 487,5 498,75

Número de Células do

Banco de Baterias 55 64 86 108 130 133

Energia do Banco De

Baterias [kWh] 1,34 1,56 2,10 2,64 3,17 3,25

Potência do Banco de

Baterias [kW] 34,4 40,0 53,8 67,5 81,3 83,2

Potência do Sistema de

Célula Combustível [kW] 100,6 95 81,2 67,5 53,7 51,8

7.1.1 Configuração dos parâmetros da simulação

Neste item configuram-se os parâmetros da simulação (condições iniciais e dados do

ciclo) contidos na segunda tela do Advisor.

1) Condições Iniciais

Mantém-se as mesmas condições iniciais da subseção 6.3.6:

- Temperatura ambiente e temperatura inicial dos componentes do veículo como 20º C;

- Estado de carga inicial da bateria como a média do estado de carga ao longo de 20 ciclos.

A tabela 7.4 detalha o estado de carga inicial das configurações com diferentes graus de

hibridização. As configurações 1 e 8 não são incluídas por não atenderem aos requisitos de

hibridização impostos (tabela 7.1).

83

Tabela 7.4 – SOC Inicial para os diferentes graus de hibridização 19


Grau de

hibridização 25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2% 61,2%

SOC Inicial Ciclo

UDDS 0,724 0,461 0,469 0,440 0,510 0,512

SOC Inicial Ciclo

HFWET 0,779 0,511 0,432 0,442 0,453 0,486

2) Dados do ciclo

a) Para o cálculo do consumo do veículo utiliza-se um ciclo padrão conforme foi feito com o

Hyundai Nexo original.

b) Para a análise econômica de custos de combustíveis utiliza-se 5,24 ciclos UDDS e 3,81 ciclos

HWFET. Essa escolha é para obter-se o consumo de hidrogênio para 39 milhas, a distância

diária média percorrida por um americano [33].

7.1.2 Resultados da Simulação

Neste item analisa-se o consumo equivalente de combustível (MPGe) e autonomia do

VEHCC em diferentes graus de hibridização baseado nos resultados obtidos da simulação no

Advisor.

7.1.2.1 Consumo de Combustível A figura 7.8 detalha o consumo equivalente de combustível de todas as configurações

válidas para o ciclo UDDS, HWFET e Combinado.

84

Figura 7.4 - Consumo para diversos graus de hibridização nos ciclos padrão33

A análise da figura 7.4 revela que a configuração com o menor grau de hibridização

apresenta o pior consumo para os três ciclos, enquanto a configuração com o maior grau de

hibridização apresenta o melhor consumo para os três ciclos. Observando-se cada configuração

nota-se que o consumo melhora conforme se aumenta o grau de hibridização, isto é valido para

todos os ciclos.

Para ilustrar o impacto da variação do grau de hibridização em relação à configuração

original, as figuras 7.4 a 7.8 mostram as telas de resultados no ciclo UDDS e HWFET para a

configuração original (GH=29,6%) e para a configuração com maior grau de hibridização

(GH=61,6%). As telas de resultado das demais configurações, são mostradas no apêndice A.

50,6

52,6

54,6

56,6

58,6

60,6

62,6

64,6

66,6

68,6

25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2% 61,6%

Co

nsu

mo

[M

PG

e]


UDDS [MPGe] HWFET [MPGe] Combinado [MPGe]

85

Figura 7.5 - Consumo configuração 3 (GH=29,6%) para 1 ciclo UDDS 34

Figura 7.6 - Consumo configuração 3 (GH=29,6%) para 1 ciclo HFWET 35

86

Figura 7.7 – Consumo configuração 7 (GH=61,6%) para 1 ciclo UDDS 36

Figura 7.8 – Consumo configuração 7 (GH=61,6%) para 1 ciclo HWFET 37

87

Analisando-se as telas de resultado das configurações original (figuras 7.5 e 7.6) e 7

(figuras 7.7 e 7.8), nota-se que a configuração com maior grau de hibridização apresenta

melhora no consumo de 16,9% no ciclo UDDS e de 18,2% no ciclo HFWET em relação a

configuração original. Essa é maior melhora do consumo obtido em relação a configuração

original.

7.1.2.2 Autonomia veicular

A autonomia do veículo é a distância percorrida por este até se esgotar seu combustível.

Para o veículo estudado, a autonomia é a distância percorrida até se consumir 6,3 kg de

hidrogênio.

A partir dos dados de consumo de combustível equivalente calculados no item 7.1.2.1 é

possível se obter a autonomia do veículo. O MPGe diz quantas milhas o veículo consegue

percorrer com 33,44 kWh de combustível. Se em 6,3 kg de hidrogênio tem-se 209,8 kWh (33,33

kWh por kg de hidrogênio), basta fazer a proporção das milhas percorridas com 33,44 kWh

para 209,8 kWh e converter-se as milhas para quilômetros:

𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 =

𝑀𝑃𝐺𝑒 . 209,8 . 1,6093

33,44

(7.1)

Onde:

- MPGe é o consumo de combustível equivalente;

- 209,8 é a energia em kWh contida em 6,3 kg de hidrogênio;

- 33,44 é a energia em kWh contida em 1 galão de gasolina;

- 1,6093 é o fator de conversão de milhas para quilômetros.

A partir da equação 7.1 e dos dados de consumo equivalente de combustível calcula-se

a autonomia do veículo para diferentes graus de hibridização. A tabela 7.5 resume esses dados.

88

Tabela 7.5 – Autonomia dos diferentes graus de hibridização20

Configuração 2 3

(Original) 4 5 6 7


Ciclo UDDS [km] 506,9 588,4 600,0 618,8 644,0 646,6

Ciclo HWFET [km] 591,0 616,9 624,7 642,9 657,9 659,0

Ciclo Combinado [km] 544,8 601,2 611,1 629,7 650,3 651,9

Conclui-se que a autonomia do veículo melhora conforme se aumenta o grau de

hibridização para todos os ciclos. Isso é natural, pois a autonomia é inversamente proporcional

ao consumo do veículo.

7.2 Vida útil

O Hyundai Nexo é um veículo recente e ainda não há dados disponíveis sobre sua vida

útil. Nesse estudo considera-se a vida útil do veículo como a vida útil da célula a combustível,

pois o custo da troca da célula a combustível é maior do que custo do veículo depreciado pelo

tempo de vida útil da célula. Nos parágrafos abaixo justifica-se essa escolha.

O DOE estima uma vida útil de 150.000 milhas (241.395 km) para a célula a

combustível a hidrogênio [32]. Segundo pesquisa realizada por McGuckin e Fucci [33], em

2017 um cidadão americano percorreu em média 42,5 milhas/dia (68,4 km/dia) e uma cidadã

americana percorreu em média 35,6 milhas/dia (57,3 km/dia). Utiliza-se a média desses valores,

39 milhas/dia (62,9 km/dia) como a distância média percorrida por um cidadão americano.

Percorrendo-se 39 milhas diariamente, a célula a combustível tem uma vida útil de 10,5 anos.

Conforme será visto na seção 7.4.4, a célula a combustível corresponde a

aproximadamente 30% do custo do veículo. Utilizando-se a taxa de depreciação do Hyundai

Tucson nos Estados Unidos [34], 20% no primeiro ano e 12% nos anos seguintes, ao final de

89

10 anos o veículo vale 25,6% do seu valor original. Ou seja, a troca da célula custará mais do

que o veículo depreciado.

7.3 Análise Econômica

Nesta seção é feita uma análise dos custos das diferentes configurações obtidas para

selecionar a melhor configuração do ponto de vista econômico.

O custo total do veículo analisado neste item é composto pelo custo de produção dos

seus componentes, a margem de lucro do fabricante, a margem de lucro do revendedor, os

impostos de venda e, ao final, o custo do combustível do usuário. A análise não considera os

custos de manutenção periódicas e aleatórias pois esses teriam um efeito comparativo marginal

no estudo das diferentes configurações [35]. Esta análise de custos segue o mesmo modelo

apresentado no FASTSim [26].

Análise econômica é realizada para o Hyundai Nexo com os custos de energia e de

combustível da Califórnia (EUA). Essa escolha deve-se, principalmente, a grande quantidade

de dados necessários para a simulação que estão disponíveis para a Califórnia.

7.3.1 Custo de aquisição do veículo

Neste item calcula-se o custo de aquisição do VEHCC para diferentes graus de

hibridização e analisa-se a influência do grau de hibridização no custo de aquisição do veículo.

O Custo de aquisição envolve os custos de produção dos componentes do veículo,

impostos de venda, margem do fabricante e margem do revendedor.

Os custos dos componentes são separados pelos diferentes componentes: custos do

motor elétrico, do sistema de célula a combustível, tanque de hidrogênio, banco de baterias e

carroceria:

90

a) Custo do Motor Elétrico: O FASTSim possui uma base de dados dos custos do Hyundai Ix35

(antecessor do Hyundai Nexo). O preço do motor elétrico é dado por uma parcela fixa de US$

425 e por uma parcela dependente da potência do motor de US$ 27,5/kW;

b) Carroceria do Veículo: A base de dados do FASTSim para o Hyundai Ix35 estima o preço

da carroceria do veículo (veículo sem powertrain) como sendo US$ 19.014;

c) Sistema de Célula a Combustível: A base de dados do FASTSim para o Hyundai Ix35 estima

o preço do sistema de célula a combustível como US$ 185/kW;

d) Tanque de Hidrogênio: A base de dados do FASTSim para o Hyundai Ix35 estima o preço

do tanque de hidrogênio como US$ 20/kW;

e) Banco de Baterias: O estudo realizado pela “Bloomberg Energy Finance” em 2018 [36],

estima o preço da bateria de ion-lítio como US$ 176/kWh;

Os impostos de venda são estimados em 8% pela base de dados do FastSim. A margem

do fabricante é assumida 10% e a margem do revendedor é assumida em 15%, valores máximos

do intervalo válido definido por Kochhan [37].

A tabela 7.6 detalha os custos de aquisição para diferentes configurações em função dos

graus de hibridização. A metodologia utilizada para estimar o preço do veículo se mostrou

confiável, visto que o preço de venda do Hyundai Nexo na Califórnia é US$ 58.300 e o valor

calculado pela metodologia utilizada para o Nexo original é US$ 58.295

91

Tabela 7.6 - Custo de Aquisição para configurações com diferentes graus de hibridização 21

Analisando-se os custos de aquisição do veículo na tabela 7.4, nota-se que a

configuração mais cara é a de menor grau de hibridização e a mais barata é a com o maior grau

de hibridização. Observando-se as configurações intermediárias nota-se uma tendência de

queda de custo com o aumento do grau de hibridização. Essa tendência é justificada pelo mais

elevado custo por kW do sistema de célula a combustível em relação ao da bateria, logo é

natural que o aumento do grau de hibridização reduza o custo total do veículo. Há uma diferença

de 17,3% (US$ 10.060) no custo de aquisição do veículo entre a configuração original e a

configuração com maior grau de hibridização

A figura 7.9 ilustra em um gráfico de barras o impacto de cada componente no preço

total do veículo para diferentes graus de hibridização. Na figura fica claro que, conforme se

aumenta o grau de hibridização, a redução no preço do sistema de célula a combustível é bem

mais impactante no custo do veículo do que o aumento do custo do banco de baterias.

Configuração 2 3

(Original) 4 5 6 7

Grau de

Hibridização 25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2% 61,6%

Carroceria US$19.014 US$19.014 US$19.014 US$19.014 US$19.014 US$19.014

Motor

Elétrico US$3.509 US$3.509 US$3.509 US$3.509 US$3.509 US$3.509

Célula

Combustível US$18.611 US$17.575 US$15.025 US$12.479 US$9.934 US$9.587

Tanque US$4.195 US$4.195 US$4.195 US$4.195 US$4.195 US$4.195

Banco de

Baterias US$236 US$274 US$369 US$463 US$558 US$571

Margem do

revendedor US$5.832 US$5.704 US$5.390 US$5.076 US$4.763 US$4.720

Margem do

fabricante US$4.556 US$4.456 US$4.211 US$3.966 US$3.721 US$3.687

Impostos US$3.645 US$3.565 US$3.369 US$3.172 US$2.976 US$2.950

Total US$59.601 US$58.295 US$55.084 US$51.878 US$48.672 US$48.235

92

Figura 7.9 – Custo de aquisição do veículo para configurações diferentes graus de hibridização38

A partir das análises realizadas conclui-se que o custo de aquisição do veículo é reduzido

com o aumento do grau de hibridização porque o sistema de célula a combustível é mais caro

do que o banco de baterias.

7.3.2 Custo de combustível ao usuário

Neste item calcula-se o custo de combustível ao usuário anualmente e por 10,5 anos (vida

útil estimada do veículo) para os diferentes graus de hibridização.

O consumo de combustível do veículo é recalculado no Advisor para a distância de 39

milhas, isso ocorre porque o consumo/km na distância de um ciclo padrão difere em até 5% do

ciclo com 39 milhas. Uma possível causa disso seria o tempo necessário para o veículo atingir

o regime permanente em sua operação. O tempo de 1 ciclo parece ser insuficiente para se atingir

$59.601 $58.296

$55.084

$51.878

$48.673 $48.236

$0

$10.000

$20.000

$30.000

$40.000

$50.000

$60.000

25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2% 61,6%

Pre

ço

Grau de hibridização

Carroceria (Veículo sem powertrain) Motor Elétrico ($425 + $25.7/kW) Célula Combustível ($185/kW)

Tanque ($20/kWh) Banco de Baterias ($176/kWh) Conector ($750)

Margem do revendedor (15%) Margem do fabricante (10%) Impostos (8%)

93

o regime permanente de operação do veículo, enquanto que para o tempo transcorrido na

distância de 39 milhas parece ser suficiente. Essa diferença de 5% é aumentada 3650 vezes ao

se calcular o custo final do combustível (365 dias a cada ano durante 10 anos), por isso o

cuidado de se manter as condições reais. A distância de 39 milhas equivale a 5,24 ciclos UDDS

e 3,81 ciclos HFWET. Esses valores são utilizados para o número de ciclo no Advisor.

Evitou-se utilizar projeções do custo futuro do combustível. Dessa forma utiliza-se o

valor atual do hidrogênio na Califórnia congelado pelo período de 10 anos (vida útil assumida

do veículo), o que leva a uma análise conservadora e desfavorável. De acordo com o relatório

de Abril de 2019 do Departamento de Energia dos Estados Unidos [38], o hidrogênio custa em

média US$ 15,83/GGe (US$ 15,79/kg) nos postos americanos.

O custo anual do combustível é calculado em relação ao consumo anual no ciclo

combinado. O custo é dado pelo preço do hidrogênio multiplicado pela quantidade anual de

hidrogênio consumida nesse ciclo.

As telas de resultado da simulação para 39 milhas estão no apêndice A, os resultados

têm a mesma tendência comentada na subseção 7.2.3, apenas diferem em cerca de 5% no

consumo conforme explicado anteriormente.

A tabela 7.7 detalha o consumo em kWh/100 km, o consumo de hidrogênio e a energia

equivalente em kWh consumida para 39 milhas nos 3 ciclos padrão.

94

Tabela 7.7 - Consumo em kWh/100 km, consumo de hidrogênio e sua energia equivalente em

diferentes GHs para 39 milhas nos 3 ciclos padrão 22



Ciclo UDDS H2

Consumido [kg] 0,780 0,676 0,659 0,654 0,628 0,622

Ciclo UDDS Energia

Total Consumida [kWh] 25,74 22,31 21,75 21,58 20,72 20,53

Ciclo UDDS Consumo

[kWh/100km] 41,0 35,5 34,7 34,4 33,0 32,7

Ciclo HWFET H2

Consumido [kg] 0,669 0,643 0,633 0,615 0,599 0,596

Ciclo HWFET Energia


Ciclo HWFET Consumo

[kWh/00km] 35,2 33,8 33,3 32,3 31,5 31,3

Ciclo Combinado H2

Consumido [kg] 0,730 0,661 0,647 0,636 0,615 0,610

Ciclo Combinado Energia


Ciclo Combinado

Consumo [kWh/100 km] 38,4 34,74 34,0 33,4 32,3 32,1

A tabela 7.8 retrata o custo anual e total (ao longo de 10,5 anos) com combustível para

todas as configurações.

Tabela 7.8 - Consumo anual e total de combustível para diferentes GHs 23


Grau de

Hibridização 25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2% 61,6%

Custo Anual

com

Combustível

US$4.162 US$3.769 US$3.690 US$3.629 US$3.506 US$3.480

Custo Total

com

Combustível

US$43.703 US$39.579 US$38.750 US$38.100 US$36.813 US$36.535

95

Analisando-se a tabela 7.8 observa-se que a configuração com menor grau de

hibridização apresenta o maior custo e a configuração com maior grau de hibridização apresenta

o menor custo. Examinando-se as configurações intermediárias percebe-se uma tendência de

redução de custo com aumento do grau de hibridização. Isto é natural pois, o custo com

combustíveis é diretamente proporcional ao consumo do veículo e, conforme visto no item

7.1.2.1, o consumo é reduzido com o aumento do grau de hibridização. Comparando-se a

configuração original e a configuração com maior grau de hibridização, nota-se uma diferença

de 7,7% (US$ 3.044) no custo de combustível entre a configuração 7 a configuração original.

Portanto, conclui-se que o aumento do grau de hibridização reduz o consumo com

combustíveis devido a melhora no consumo do veículo.

7.3.3 Custo total do veículo

Nesta seção analisa-se o custo total do VEHCC durante sua vida útil para diferentes

graus de hibridização.

A tabela 7.9 mostra o custo total com combustível, custo de aquisição e custo total do

veículo.

Tabela 7.9 – Custos de Aquisição, Combustível e Total do veículo para diferentes GHs24

Configuração 2 3

(Original) 4 5 6 7

Grau de

Hibridização 25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2% 61,6%

Custo Total

com

Combustível

US$43.703 US$39.579 US$38.750 US$38.100 US$36.813 US$36.535

Custo de

Aquisição US$59.601 US$58.296 US$55.084 US$51.878 US$48.673 US$48.236

Custo Total US$103.305 US$97.875 US$93.834 US$89.979 US$85.486 US$84.770

Conforme visto nos itens anteriores, o aumento do grau de hibridização reduz o custo

total com combustível e o custo de aquisição do veículo. Logo, o custo total do veículo também

96

segue a tendência de redução com o aumento do grau de hibridização, conforme mostrado na

tabela 7.9. Há uma diferença de 13,4% (US$ 13.105) no custo total da configuração original

para a configuração com maior grau de hibridização.

A figura 7.10 ilustra o peso de cada componente no custo total do veículo. Nota-se o

alto peso do custo com combustível e do sistema de célula a combustível no custo total do

veículo.

Figura 7.10 - Custo total do veículo para diferentes graus de hibridização 39

7.4 Escolha da melhor configuração

Neste item seleciona-se a melhor configuração de VEHCC baseado nos resultados de

consumo, tempo de aceleração e custo de aquisição e custo com combustíveis do veículo.

$103.305 $97.875

$93.834 $89.979

$85.486 $84.770

$0

$20.000

$40.000

$60.000

$80.000

$100.000

25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2% 61,6%

Pre

ço





Custo Total Comsbutível

97

Na seção 7.2 analisou-se o tempo de aceleração para diferentes graus de hibridização.

Conclui-se, que devido a bateria possuir melhor resposta em transitórios de potência do que a

célula a combustível, gera-se uma tendência de redução do tempo de aceleração conforme se

aumenta o grau de hibridização. Portanto, o veículo com maior grau de hibridização apresentou

o melhor tempo de aceleração.

No item 7.1.2.1 averiguou-se o consumo do veículo para diferentes graus de

hibridização. Notou-se que o consumo melhora conforme aumenta-se o grau de hibridização.

Dessa forma a configuração com maior grau de hibridização apresentou o melhor consumo.

Na subseção 7.4.1 examina-se o custo de aquisição do veículo para diferentes graus de

hibridização. É mostrado que o alto custo do kW do sistema de célula a combustível frente ao

do banco de baterias gera uma tendência de redução de custo de aquisição do veículo com o

aumento do grau de hibridização. Logo, o veículo com maior grau de hibridização tem o menor

custo de aquisição.

Na subseção 7.4.2 estudou-se o custo total do veículo, incluindo-se os gastos com

combustível para diferentes graus de hibridização. Conclui-se que há uma diminuição do

consumo com o aumento do grau de hibridização, o que resulta numa redução do custo com

combustível nos maiores graus de hibridização.

Diante dos fatos expostos, conclui-se que a configuração com maior grau de

hibridização é a melhor configuração de VEHCC.

98

Capítulo 8

8 Análise do veículo elétrico híbrido plug-in a

célula a combustível

Nessa seção analisa-se a performance e custos do Nexo versão veículo elétrico híbrido

plug-in a célula a combustível (VEHPCC) para diferentes graus de hibridização. O objetivo

dessa análise é definir o melhor grau de hibridização levando-se em conta a performance e

custos dessa configuração.

8.1 Definição dos dados do veículo

Conforme mencionado na subseção 4.2.2 as principais diferenças entre a configuração

VEHPCC e VEHCC residem na bateria, estratégia de controle e condições iniciais. Os outros

itens mantêm-se iguais aos da configuração híbrida. Abaixo detalha-se a modelagem desses

itens.

8.1.1 Bateria

Conforme já discutido na seção 4.2, o banco de baterias dos veículos plug-in além de

satisfazer os requisitos do banco de baterias de um veículo híbrido, precisa ser capaz de

conduzir o veículo sem o auxílio de outra fonte de energia por longos períodos. Outra diferença

importante é que o veículo plug-in pode recarregar o banco de baterias através da rede elétrica.

Para simular a versão VEHPCC do Nexo, utilizou-se os dados das baterias do veículo

Kia Niro 2019 plug-in [39]. Essa escolha é devida ao fato do veículo também ser um SUV

pequeno, utilizar uma bateria de íon lítio e pela grande disponibilidade de dados. A tabela 8.1

detalha os dados da bateria do Kia Niro.

99

Tabela 8.1 – Dados da bateria do Kia Niro plug-in [39] 25

Bateria

Tipo Íon-lítio

Voltagem (V) 360


Células 96

Capacidade [Ah] 24,7

Massa [kg] 117

Energia [kWh] 8,9

Energia por célula [Wh/célula] 92,71

Potência [kW] 59

Potência por célula [W/célula] 627,7

8.1.2 Estratégia de Controle do Banco de Baterias e da

Célula a Combustível

Atua-se no modo CD até se atingir o estado de carga de 0,35, nesse momento em diante

atua-se no modo CS. Para utilização da célula a combustível em maiores faixas de eficiência, a

célula a combustível só é ativada em potências ao qual sua eficiência for pelo menos 50%,

mesmo caso do VEHCC.

8.1.3 Condições Iniciais

Para haver o máximo aproveitamento do modo elétrico, o veículo sempre inicia o ciclo

com carga máxima (1,0). As demais condições iniciais são iguais as dos veículos híbridos.

8.1.4 Configuração final

Para comparar-se adequadamente as configurações VEHPCC e VEHCC, a potência

total dos dois sistemas deve ser igual. Por isso, para a configuração VEHPCC a potência

máxima do sistema também é mantida em 135 kW.

A configuração inicial do VEHCC tem o mesmo grau de hibridização do que a

configuração original do Hyundai Nexo (aproximadamente 30%). Para isso utiliza-se 65

100

módulos da bateria (obtendo-se 40 kW de potência) e ajusta-se a potência da célula para 95 kW.

A tabela 8.2 detalha essa configuração.

Tabela 8.2 – Configuração Inicial do Nexo VEHPCC 26

Modelo Nexo VEHPCC

Grau de Hibridização 29,6%

Tipo da bateria Íon Lítio

Número de Células da bateria 65

Capacidade [Ah] 24,7


Voltagem da bateria (V) 243,75

Energia da bateria [kWh] 6,0

Potência da bateria [kW] 40,0

Massa total da bateria [kg] 79,2

Potência da célula combustível

[kW] 95,0

Massa do Sistema de célula

combustível [kg] 89,0

Massa do tanque [kg] 111,9

Massa do Combustível [kg] 6,3

Total [kg] 207,2

Na seção 8.4 configurações com diferentes graus de hibridização serão utilizadas.

8.2 Modelagem no Advisor

A modelagem do VEHPCC no Advisor difere da modelagem do VEHCC apenas na

configuração da bateria, estratégia de controle e condições iniciais.

8.2.1 Banco de baterias

Segue-se um procedimento idêntico ao da subseção 6.3.3, mas aqui o objetivo é

modelar-se a bateria descrita na subseção 8.1.1. Logo, os valores utilizados nas variáveis serão

diferentes. A tabela 8.3 resume a bateria atual no Advisor e a bateria do Nexo VEHPCC a ser

modelada.

101

Tabela 8.3 – Características das baterias do Advisor e do Nexo VEHPCC 27

Bateria Advisor Nexo VEHPCC

Voltagem Nominal 3,57 3,75

Potência por célula [W/célula] 224 627,7

Energia por célula

[Wh/célula] 26,3 92,71

Capacidade da célula [Ah] 7,4 24,7

Massa da célula [kg] 0,378 1,219

A bateria do Advisor será modelada com 1 célula por módulo, pois assim facilita a comparação

com a bateria do Nexo VEHPCC (valores desejados).

É necessário modificar as seguintes variáveis:

1) No arquivo de texto da bateria a variável “ess_voc” era inicialmente multiplicado por um

fator de 3, obtendo-se uma voltagem por módulo de 10,7 V por módulo (3,57 . 3 = 10,7). Agora

é multiplicado por 1,05 para obter-se o valor de 3,75 V por módulo (3,57 . 1,05 = 3,75).

2) A potência por módulo com 1 célula precisa aumentar de 224 kW/módulo para 627,7

kW/módulo, ou seja precisa aumentar 2,80 vezes. Logo, altera-se a variável “ess_cap_scale”

de 1 para 2,80. O efeito colateral disso é o aumento da massa e da capacidade do módulo pelo

esmo valor. Mas isso pode ser resolvido porque pode-se modificar essas variáveis

individualmente.

3) A capacidade do módulo precisa aumentar de 20,72 Ah (7,4 Ah aumentado 2,8 vezes) para

24,7 Ah. Para isso se altera no arquivo de texto da bateria a variável “ess_max_ah_cap”,

multiplica-se a variável por 1,19.

4) A massa do módulo desejada é 1,219 kg. O valor inserido para “ess_module_mass” é 0,420

kg pois esse valor é multiplicado por 2,90 resultando em 1,219kg.

Para facilitar o entendimento a tabela 8.4 resume o passo a passo feito:

102

Tabela 8.4 – Passo a Passo da mudança de valores das variáveis da bateria 28

Passo a Passo Pot/célula

[kW/kg]

Capacidade da

célula [Ah]

Massa da

célula [kg]

Voltagem da

Célula [V]

Inicialmente 224 7,4 0,378 3,57

Modificação 1 224 7,4 0,378 3,75

Modificação 2 627,7 20,72 1,058 3,75

Modificação 3 627,7 24,7 1,058 3,75

Modificação 4 627,7 24,7 1,219 3,75

Seguindo-se esses passos consegue-se obter um módulo composto de uma célula com

as características desejadas conforme na tabela 8.3 Selecionando-se o número de módulos da

bateria na tela inicial como 65, obtém-se os valores da tabela 8.2. A figura 8.1 mostra a tela

inicial da configuração VEHPCC com GH= 30%.

Figura 8.1 – Tela inicial da configuração VEHPCC com GH=30% 40

103

8.2.2 Estratégia de controle do banco de baterias e da

célula a combustível

As seguintes alterações na estratégia de controle, em relação ao VEHCC, são realizadas na área

variable list:

a) Estado de Carga Máxima da Bateria: Altera-se a varíavel “cs_hi_soc” para 1,0;

b) Estado de Carga Mínima da Bateria: Altera-se a varíavel “cs_lo_soc” para 0,35;

c) Modo de operação da bateria: Mantém-se a variável “cs_charge_deplete_bool” igual a

1 para atuação no modo CD.

A célula a combustível continua sendo acionada apenas quando tem eficiência maior que

50%, para o caso de GH=30% isso equivale a potência de 10 kW (“cs_min_pwr”= 10.000 W).

8.2.3 Condições iniciais

As condições iniciais são configuradas da seguinte forma:

a) Temperatura inicial: é mantida nas mesmas condições do que a configuração híbrida;

b) Estado de Carga Inicial:

- Para o cálculo do consumo segundo a norma no modo CS utiliza-se o estado de carga inicial

igual a 0,35, pois esse é o valor mínimo de SOC que a bateria pode atuar;

- Para o cálculo do consumo segundo a norma no modo CD utiliza-se o estado de carga igual

1;

- Para o cálculo do custo com combustíveis utiliza-se o estado de carga inicial como 1, pois se

assume que o veículo é completamente carregado diariamente após seu uso;

c) Número de ciclos:

- Para o cálculo do consumo segundo a norma no modo CD utiliza-se o número mínimo de

ciclos para se atingir o modo CD;

- Para o cálculo do consumo segundo a norma no modo CS utiliza-se 3 ciclos;

- Para o cálculo do custo com combustíveis utiliza-se o número de ciclos equivalente a distância

diária média percorrida por um americano. Ou seja, 39 milhas em cada ciclo equivalendo a 5,24

ciclos para o ciclo UDDS e 3,81 para o Ciclo HFWET.

104

8.3 Nexo versão veículo elétrico híbrido plug-in a

célula a combustível com diferentes GHs

Segue-se a mesma metodologia utilizada na seção 7.2 para a modelagem dos diferentes

graus de hibridização e sua validação também segue as restrições descritas na seção 4.3.1.

A tabela 8.5 detalha os diferentes graus de hibridização testados e seus resultados de

performance obtidos no Advisor.

Tabela 8.5 – Dados dos diferentes graus de hibridização da configuração plug-in29

Configuração 1 2 3 4 5 6 7

Grau de

Hibridização 23,2% 24,1% 29,6% 40,1% 50,1% 60,1% 61,0%

Massa total [kg] 1987,3 1988,6 1996,3 2011,1 2025,2 2039,4 2040,6

Tempo 0-60 mph 12,1 11,9 10,3 9,9 9,3 8,7 8,4

Vel máx. (mph) 97,8 97,8 97 97,1 97,4 97,5 97,3

Inclinação

máxima (%) 11,5 11,6 14,9 9,4 9,3 6,6 6,4

A análise da tabela 8.5 mostra que as configurações de 2 a 6 são válidas pois satisfazem

as restrições de hibridização. A configuração 1 é inválida porque ultrapassou o tempo máximo

de 12 segundos para a aceleração e configuração 7 é inválida pois não atingiu a inclinação

mínima. As configurações 1 e 7 serão excluídas de todas as análises feitas neste trabalho porque

não satisfazem as restrições de hibridização.

A figura 8.2 mostra a inclinação máxima que o veículo consegue subir para diferentes

graus de hibridização. Conforme se afasta da configuração com grau de hibridização igual a

configuração original (configuração 3) a inclinação máxima cai, mesma tendência observada

nos VEHCC.

105

Figura 8.2 – Inclinação máxima para vários graus de hibridização41

A figura 8.3 mostra o tempo de aceleração para os diversos graus de hibridização, nota-

se que conforme se aumenta o grau de hibridização o tempo de aceleração é reduzido. Essa é a

mesma tendência ocorrida nos VEHCC e sua explicação é a mesma citada na seção 7.2.

Figura 8.3 – Tempo de aceleração 0 a 96,6 km/h para vários graus de hibridização 42

11,6

14,9

9,4 9,3

6,6

0

2

4

6

8

10

12

14

16

24,1% 29,6% 40,1% 50,1% 60,1%


Inclinação máxima (%)

11,9

10,39,9

9,38,7

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

24,1% 29,6% 40,1% 50,1% 60,1%


Tempo 0-60 mph [s]

106

A tabela 8.6 detalha a massa dos componentes do powertrain e do veículo para os

diferentes graus de hibridização.

Tabela 8.6 – Massa do powertrain e do veículo para diferentes graus de hibridização 30

Configuração 2 3 4 5 6

Grau de

Hibridização 24,1% 29,6% 40,1% 50,1% 60,1%

Massa do banco de

baterias [kg] 64,6 79,2 107,3 134,1 160,9

Massa do sistema de

célula combustível

[kg]

96,0 89,0 75,8 63,1 50,5

Massa do tanque

[kg] 111,9 111,9 111,9 111,9 111,9

Massa do

Comsbutível [kg] 6,3 6,3 6,3 6,3 6,3

Massa total do

veículo [kg] 1852,6 1860,3 1875,1 1889,2 1903,4

A análise da tabela mostra que conforme se aumenta o grau de hibridização, se aumenta

a massa do powertrain: chega-se a uma diferença de 52 kg entre a configuração 2 (GH=24,1%)

e 7 (GH=60,1%). A justificativa é que, para um aumento do grau de hibridização, o ganho de

massa do banco de baterias é mais significativo do que perda de massa do sistema de célula a

combustível.

A figura 8.4 ilustra a proporção de cada componente do powertrain na massa total do

powertrain.

107

Figura 8.4 - Variação da massa do powertrain para vários graus de hibridização 43

A tabela 8.7 resume os principais dados das diferentes configurações do Nexo VEHPCC

estudados neste capítulo:

Tabela 8.7 – Principais dados das configurações no Nexo VEHPCC estudados 31


Grau de Hibridização 24,1% 29,6% 40,1% 50,1% 60,1%

Voltagem do Banco de Baterias (V) 198,75 243,75 330 412,5 495

Número de Célula do Banco de

Baterias 53 65 88 110 132

Energia do Banco de Baterias [kWh] 4,9 6,0 8,2 10,2 12,2

Potência do Banco de Baterias [kW] 32,6 40,0 54,1 67,6 81,1

Potência do Sistema de Cel. Comb.

[kW] 102,4 95,0 80,9 67,4 53,9

278,8286,5

301,3315,4

329,6

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

24,1% 29,6% 40,1% 50,1% 60,1%

Mas

sa [

kg]

Grau de HibridizaçãoMassa do empilhamento [kg] Massa do tanque [kg]

Massa do Combustível [kg] Massa da bateria [kg]

108

8.4 Resultados da simulação

Nessa seção avalia-se o consumo segundo a norma para diferentes graus de hibridização.

No item 8.4.1 avalia-se o consumo no modo CD, no item 8.4.2 avalia-se o consumo no modo

CS e no item 8.4.3 calcula-se o consumo do ciclo. Ressalta-se que o consumo é calculado de

acordo com as equações apresentadas no item 4.2.2.1 que seguem a norma.

8.4.1 Consumo no modo CD

As figuras 8.5 a 8.9 mostram a tela de resultados para o ciclo UDDS. A análise das

figuras mostra que no modo CD a bateria dos veículos com os dois menores graus de

hibridização não é capaz de sustentar as demandas de potência do motor sem ativar a célula a

combustível. A configuração 2 solicita constantemente a célula a combustível, a configuração

3 solicita apenas em alguns momentos. Nos demais graus de hibridização a bateria consegue

sozinha manter o veículo até atingir seu valor mínimo de estado de carga (SOC=0,35). Isso

ilustra o aumento da potência máxima da bateria conforme se aumenta o grau de hibridização.

Figura 8.5 – MPGeCD no ciclo UDDS com a configuração 2 (GH=24,1%) 44

109



110



111

A tabela 8.8 resume os dados de consumo no modo CD em diferentes graus de

hibridização no ciclo UDDS obtidos da simulação.

Tabela 8.8 – Dados de consumo no modo CD para o ciclo UDDS 32



D [milhas] 22,40 14,90 22,40 22,40 29,8

DCD [milhas] 21,95 13,90 16,70 21,39 25,51

Porcentagem do Ciclo

percorrida no modo CD 98,2% 93,2% 74,6% 95,6% 85,6%

H2 consumido [kg] 0,319 0,021 0,072 0,005 0,039

EHIDROGÊNIO [kWh] 10,63 0,70 2,40 0,17 1,30

SOC Final 0,401 0,351 0,335 0,352 0,359

ERECARGA [kWh] 2,95 3,91 5,43 6,62 6,86

UDDS [MPGECD] 55,1 108,0 95,7 110,4 108,5

A tabela 8.8 discrimina o valor cada variável necessária para o cálculo do consumo no

modo CD e também mostra o valor do consumo calculado na última linha. Recordando-se o

item 4.2.2.1, o consumo equivalente de combustível no modo CD é dado por:

𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝐷 =


𝐸ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔ê𝑛𝑖𝑜 + 𝐸𝑟𝑒𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

(4.5)

Onde:

- D é a distância total percorrida em milhas. Utilizou-se o número mínimo de ciclos para o

veículo, partindo com a bateria totalmente carregada, atinja o modo CS;

- Ehidrogênio é a energia consumida oriunda do hidrogênio em kWh;

- Erecarga é a energia necessária para carregar a bateria em kWh ao fim do teste;

- Egasolina é a energia contida em um galão de gasolina (33,44 kWh).

Analisando-se os dados tabela 8.8, nota-se que a distância que o veículo consegue

percorrer no modo CD (DCD) aumenta conforme se aumenta o grau de hibridização. Isso é

esperado, pois conforme se aumenta o grau de hibridização se aumenta a energia e a potência

disponível do banco de baterias. A configuração 2 é a exceção desse comportamento, pois essa

112

configuração solicita constantemente a célula a combustível para atuar no modo CD e por isso

consegue um valor mais alto.

Repare que a porcentagem do teste percorrida no modo CD varia bastante entre as

configurações, isso ocorre devido a exigência de se utilizar um número inteiro mínimo de ciclos

para que o veículo atinja o modo CD. Dessa forma uma configuração atinge o modo CD

próximo ao final do ciclo (configurações 2,3 e 5) enquanto outras (configurações 4 e 6) atingem

mais distante do fim do ciclo.

Em relação ao consumo, a diferença entre a porcentagem do ciclo percorrida no modo

CD afetou o resultado. Lembrando-se do capítulo 4 que o modo CD é mais eficiente do que o

modo CS, pois o modo CD utiliza majoritariamente o banco de baterias (que possui uma

eficiência máxima de 90%) enquanto o modo CS utiliza majoritariamente a célula a

combustível (que tem uma eficiência máxima de 60%). Como consequência disso ao se

comparar o consumo no modo CD nesses dois casos realiza-se uma comparação injusta, pois

percorre-se porcentagens diferentes do ciclo no modo CD e no modo CS. Por exemplo,

comparar-se o consumo da configuração 4 e 3 não é adequado pois há uma diferença quase de

20% da proporção do ciclo percorrida no modo CD. Mas comparar a configuração 5 e 3 é

adequado (diferença de apenas 2,4%), nessa comparação o aumento do grau de hibridização

melhorou o consumo.

A tabela 8.9 resume os dados de consumo para o ciclo HWFET:

Tabela 8.9 – Consumo para o ciclo HWFET no modo CD 33



D [milhas] 41,00 14,90 20,50 20,50 30,80

DCD [milhas] 33,13 13,92 16,22 20,41 24,97

Porcentagem do Ciclo

percorrida no modo CD 80,4% 93,4% 79,12% 99,6% 81,1%

H2 consumido [kg] 0,65 0,03 0,08 0,00 0,08

EHIDROGÊNIO [kWh] 21,65 1,00 2,66 0,00 2,66

SOC Final 0,49 0,336 0,369 0,353 0,336

ERECARGA [kWh] 2,51 4,00 5,15 6,60 8,13

UDDS [MPGECD] 56,5 99,6 88,1 103,8 96,9

113

A conclusão das análises realizadas para o ciclo UDDS são as mesmas para o ciclo

HWFET, pois a natureza dos resultados é a mesma.

8.4.2 Consumo no modo CS

As figuras 8.10 a 8.15 mostram a tela de resultados para a simulação de 3 ciclos UDDS.

É interessante notar que que o estado de carga da bateria do veículo plug-in desempenha de

forma bem parecida ao veículo híbrido. Chega-se inclusive a ter valores de consumo bem

próximos.

Figura 8.10 – MPGeCS no ciclo UDDS para a configuração 2 (GH=24,1%) 49

114



115

Figura 8.13 – MPGeCS no ciclo UDDS com a configuração 5 (GH=50,2%) 52

Figura 8.14 – MPGeCS no ciclo UDDS com a configuração 6 (GH=60,1%) 53

116

A tabela 8.10 discrimina os resultados obtidos da simulação para o ciclo UDDS, na

última linha é dado o valor do consumo equivalente de combustível no modo CS calculado pela

equação 4.3.

Recordando-se da seção 4.2.2.1, o consumo no modo CS é dado por:

𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝑆 =

𝐷𝐶𝑆. 𝐸𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎


(4.3)

Onde:

- DCS é a distância percorrida no modo CS em milhas.

Tabela 8.10 – Consumo no modo CS no ciclo UDDS 34



DCS [milhas] 22,40 22,40 22,40 22,40 22,40

H2 Consumido [kg] 0,429 0,378 0,370 0,356 0,348

Energia Consumida do

Hidrogênio [kWh] 14,29 12,58 12,32 11,86 11,59

UDDS [MPGCS] 51,6 58,4 59,7 62,0 63,5

A análise da tabela mostra que o consumo melhora conforme se aumenta o grau de

hibridização. Esse efeito é bem parecido ao ocorrido nos VEHCC.

A tabela 8.11 faz a mesma análise da tabela 8.7 só que para o ciclo HWFET.

Tabela 8.11 – Consumo no modo CS no ciclo HWFET 35



DCS [milhas] 30,80 30,80 30,80 30,80 30,80

H2 [kg] 0,56 0,499 0,478 0,475 0,449

HWFET [MPGECS] 55,1 62,0 64,7 65,1 68,9

A análise dos resultados da tabela revela a mesma tendência que a da tabela 8.7, redução

do consumo com o aumento do grau de hibridização.

117

8.4.3 Consumo do Ciclo

A partir do consumo no modo CD e no modo CS obtidos nos itens anteriores é possível

se calcular o consumo para cada ciclo através da equação 4.6:

𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂 =

1

𝑈𝐹𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝐷

+ 1 − 𝑈𝐹𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝑆

(4.6)

Onde:

- UF é o fato de utilidade, ele é obtido utilizando-se o valor da autonomia elétrica (DCD) no

gráfico do fator de utilidade (figura 4.3).

A tabela 8.12 detalha os valores para o cálculo do consumo no ciclo, o valor do consumo

no ciclo, para os três ciclos estudados (UDDS, HFWET e Combinado). O consumo no ciclo

combinado é obtido ponderando-se os valores do ciclo UDDS e HFWET (equação 4.8).

Tabela 8.12 – Dados de consumo dos 3 ciclos para diferentes graus de hibridização 36



UDDS [MPGeCD] 55,1 108,0 95,7 110,4 108,5

UDDS [MPGECS] 51,6 58,4 59,7 62,0 63,5

UF 0,33 0,22 0,27 0,33 0,38

UDDS [MPGe] 53,3 67,3 67,4 73,6 76,4

HWFET [MPGECD] 56,5 99,6 88,1 103,8 96,9

HWFET [MPGECS] 55,1 62,0 64,7 65,1 68,9

UF 0,45 0,22 0,32 0,33 0,36

HWFET [MPGe] 55,8 67,6 70,7 74,3 76,9

Combinado [MPGe] 54,4 67,4 68,9 73,9 76,6

A análise dos resultados da tabela 8.12 mostra que o consumo do veículo é reduzido

conforme se aumenta o grau de hibridização para todos os ciclos.

118

Figura 8.15 – Consumo de combustível equivalente nos 3 ciclos para diferentes graus de hibridização 54

8.4.4 Autonomia e Autonomia Elétrica

A autonomia elétrica do veículo é o quanto o veículo consegue andar no modo CD, ou

seja, é a distância DCD calculada no item 8.4.1. A tabela 8.13 detalha a autonomia elétrica para

diferentes graus de hibridização:

Tabela 8.13 – Autonomia e autonomia elétrica dos diferentes graus de hibridização37



Energia do Banco de Baterias

[kWh] 4,9 6,0 8,2 10,2 12,2

Potência do Banco de

Baterias [kW] 32,6 40,0 54,1 67,6 81,1

Autonomia elétrica Ciclo

UDDS [km] 35,3 21,5 25,9 34,1 41,1


HWFET [km] 53,3 22,8 26,1 33,1 40,2


Combinado [km] 43,4 22,1 26,0 33,7 40,7

52

57

62

67

72

77

24,10% 29,60% 40,10% 50,10% 60,10%

Co

nsu

mo

[M

PG

e]


UDDS [MPGe] HWFET [MPGe] Combinado [MPGe]

119

A análise da tabela 8.13 mostra que conforme se aumenta o grau de hibridização, se

aumenta a autonomia elétrica do veículo. Isso é esperado, pois a bateria terá uma quantidade

maior de energia disponível conforme se aumenta o grau de hibridização. A exceção é a

configuração 2 que, por não ter potência suficiente, utiliza a célula a combustível

constantemente no seu modo CD, e por isso apresenta um valor mais alto de autonomia elétrica.

A autonomia do veículo VEHPCC é dada pela distância que o veículo consegue

percorrer até o seu banco de baterias atingir SOC =0,35 e o seu tanque de hidrogênio esvaziar.

O banco de baterias só atua até SOC=0,35 porque operar abaixo desse SOC é danoso para

bateria [22]. Logo, a autonomia do veículo é dada pela autonomia elétrica somada ao que o

veículo consegue percorrer no modo CS com o que há disponível de hidrogênio após o modo

CD:

𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 = 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎𝐸𝐿É𝑇𝑅𝐼𝐶𝐴 +

𝑀𝑃𝐺𝑒𝐶𝑆 . 𝐸𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛í𝑣𝑒𝑙 . 1,6093

33,44

(8.1)

- MPGeCS é o consumo de combustível equivalente no modo CS;

- EDisponível é a energia em kWh contida no hidrogênio que sobrou após o modo CD;

- 33,44 é a energia em kWh contida em 1 galão de gasolina;

- 1,6093 é o fator de conversão de milhas para quilômetros.

A tabela 8.14 detalha a autonomia para diferentes graus de hibridização:

Tabela 8.14 – Autonomia do veículo para diferentes graus de hibridização 38



Energia Disponível Ciclo

UDDS [kWh] 199,2 209,1 207,4 209,6 208,5

Autonomia Ciclo UDDS [km] 532,0 611,7 624,3 662,2 681,0

Energia Disponível Ciclo

HFWET [kWh] 188,2 208,8 207,2 209,8 207,2

Autonomia Ciclo HWFET

[km] 554,3 648,4 673,8 693,2 729,9

Autonomia Ciclo Combinado

[km] 542,0 628,6 646,6 676,6 703,0

120

A análise da tabela 8.14 revela que autonomia do veículo melhora conforme se aumenta

o grau de hibridização. Há uma diferença de 11,8% (74,4 km) entre a configuração 3 e 6.

É interessante notar que a autonomia da configuração 2 é consideravelmente menor do

que a das demais configurações. Isso é devido em grande parte por essa configuração usar

bastante a célula a combustível no modo CD, o que reduz a quantidade de hidrogênio disponível

no modo CS e por conseguinte reduz a sua autonomia.

8.5 Análise Econômica

Este item tem por objetivo comparar os custos das diferentes configurações de VEHPCC

estudadas nos itens anteriores para selecionar a melhor configuração do ponto de vista

econômico. Utilizam-se as mesmas hipóteses feitas na seção 7.4 para o cálculo do custo total

do veículo, ou seja, o custo total do veículo é dado pelo seu custo de aquisição e custo com

combustíveis baseados para o Hyundai Nexo na Califórnia. Não se leva em consideração o

custo com manutenção.

8.5.1 Custos de Aquisição

Segue-se a mesma metodologia utilizada na seção 7.4.1 para modelagem dos custos de

aquisição. Para o VEHPCC é necessário incluir nos custos o conector (ou plug) necessário para

a recarga da bateria na rede. Estima-se que o custo desse componente seja US$ 750 baseado

na base de dados do FASTSim para o Hyundai ix35.

A tabela 8.15 detalha os custos de aquisição para diferentes configurações.

121

Tabela 8.15 - Custo de aquisição para diferentes graus de hibridização 39


Grau de

Hibridização 24,1% 29,6% 40,1% 50,1% 60,1%

Carroceria US$19.074 US$19.074 US$19.074 US$19.074 US$19.074

Motor

Elétrico US$3.509 US$3.509 US$3.509 US$3.509 US$3.509

Célula

Combustível US$18.947 US$17.583 US$14.967 US$12.465 US$9.963

Tanque US$4.196 US$4.196 US$4.196 US$4.196 US$4.196

Bateria de

Lítio US$865 US$1.061 US$1.437 US$1.796 US$2.155

Conector US$750 US$750 US$750 US$750 US$750

Margem do

revendedor US$7.101 US$6.926 US$6.590 US$6.268 US$5.947

Margem do

fabricante US$4.734 US$4.617 US$4.393 US$4.179 US$3.965

Impostos US$3.787 US$3.694 US$3.515 US$3.343 US$3.172

Total US$62.964 US$61.410 US$58.430 US$55.580 US$52.730

Analisando-se os custos de aquisição do veículo na tabela 8.15, nota-se uma redução de

custo conforme se aumenta o grau de hibridização. A justificativa é que a redução da potência

do sistema de célula a combustível é mais impactante nos custos do veículo do que o aumento

da potência da bateria. Há uma diferença de 14,1% (US$ 8.680) no custo de aquisição da

configuração 3 (GH=29,6%) e a configuração 6 (GH=60,1%).

A figura 8.16 ilustra o peso de cada componente no custo de aquisição do veículo.

122

Figura 8.16 – Custo de aquisição do veículo para diferentes graus de hibridização 55

O exame da figura 8.16 revela que o sistema de célula a combustível é muito mais

impactante no preço do veículo do que o banco de baterias.

8.5.2 Custos de combustível ao usuário

Utiliza-se a mesma metodologia da seção 7.4.3 para composição dos custos com

combustível, apenas inclui-se o preço da eletricidade na Califórnia (0,193 US$/ kWh) baseado no

relatório de abril de 2019 da EIA [30].

As figuras 8.17 a 8.21 detalham a tela de resultado das simulações das configurações

estudadas para 39 milhas no ciclo UDDS. Os resultados para o ciclo HFWET apresentaram a

mesma tendência do ciclo UDDS e, por economia de espaço, as figuras com as telas de resultado

do ciclo HWFET são mostradas no apêndice B.

$62.964$61.410

$58.430$55.580

$52.730

$0

$10.000

$20.000

$30.000

$40.000

$50.000

$60.000

24,1% 29,6% 40,1% 50,1% 60,1%

Pre

ço





123

Figura 8.17 – Simulação de 5.24 ciclos UDDS para a configuração com GH=24,1% 56

Figura 8.18 – Simulação de 5.24 ciclos UDDS para a configuração com GH=29,6%57

124

Figura 8.19 – Simulação de 5.24 ciclos UDDS para a configuração com GH=40,1% 58


125


A tabela 8.16 discrimina a energia elétrica e a energia do hidrogênio consumido ao final

de 39 milhas em cada ciclo para os diferentes graus de hibridização.

Tabela 8.16 – Detalhes do consumo diário para diferentes graus de hibridização 40



Ciclo UDDS Energia p/ carregar BB [kWh] 3,03 3,92 5,27 6,62 7,81

Ciclo UDDS Hidrogênio Consumido [kg] 0,704 0,501 0,408 0,316 0,221

Ciclo UDDS Energia Total Cons. [kWh] 24,77 20,61 18,86 17,14 15,17

Ciclo HWFET Energia p/ carregar BB [kWh] 2,49 4,00 5,41 6,91 8,13

Ciclo HWFET Hidrogênio Consumido [kg] 0,66 0,46 0,367 0,292 0,220

Ciclo HWFET Energia Total Cons. [kWh] 23,18 19,32 17,63 16,47 15,46

Ciclo Combinado Energia p/ carregar BB [kWh] 12,81 14,28 16,73 21,18 25,63

Ciclo Combinado Hidrogênio Consumido [kg] 1,12 1,80 2,44 3,11 3,66

Ciclo Combinado Energia Total Cons. [kWh] 24,06 20,03 18,31 16,84 15,30

126

A análise da tabela 8.16 mostra que o veículo se torna mais econômico conforme se

aumenta o grau de hibridização. Há uma diferença de 20% (3,86 kWh) na energia consumida

entre a configuração 3 (GH=29,6%,) e a configuração 6 (GH=60,1%) para 39 milhas no ciclo

combinado. Pode-se atribuir a redução de consumo devido a maior distância percorrida no

modo CD (modo mais eficiente que o modo CS) da configuração 6 (40,2 km) em relação as

demais configurações.

O custo anual do combustível é calculado em relação ao ciclo combinado. O custo é

dado pelo consumo anual de hidrogênio e de energia elétrica multiplicados pelos seus

respectivos preços. O custo total de combustível é o custo anual extrapolado para 10,5 anos

(vida útil do veículo).

A tabela 8.17 retrata o custo anual e custo total de combustível calculados a partir do

consumo do ciclo combinado para todas as configurações.

Tabela 8.17 - Consumo anual e custo total de combustível para diferentes graus de hibridização41


Grau de

Hibridização 24,1% 29,6% 40,1% 50,1% 60,1%

Custo Anual de


Custo Total de


Analisando-se a tabela 8.17 nota-se uma expressiva redução no custo do combustível

consumido pelo veículo conforme se aumenta o grau de hibridização. Isso é natural, pois

conforme visto na tabela 8.16, o consumo do veículo cai com o aumento do grau de

hibridização. Comparando-se as configurações 3 e 7, nota-se uma queda de 40% (US$ 12.729)

no consumo com combustível ao longo da vida útil do veículo.

8.5.3 Custo total do veículo

Nesta seção analisa-se o Custo total do VEHPCC durante sua vida útil para diferentes

graus de hibridização. O custo total é composto pelo custo de aquisição e pelo custo com

combustível ao longo da vida útil do veículo. A tabela 8.18 mostra o custo total com

combustível, custo de aquisição e custo total do veículo.

127

Tabela 8.18 – Custos de Aquisição, Combustível e Total do veículo para diferentes GHs 42


Grau de

Hibridização 25,5% 29,6% 39,8% 50,0% 60,2%

Custo de

Aquisição US$62.964 US$61.410 US$58.430 US$55.580 US$52.730

Custo Total

com

Combustível

US$40.294 US$31.816 US$27.267 US$23.207 US$19.087

Custo Total US$103.258 US$93.226 US$85.697 US$78.787 US$71.817

Conforme visto nos itens anteriores, o aumento do grau de hibridização reduz o custo

total com combustível e o custo de aquisição do veículo. Portanto, o custo total do veículo

também segue a tendência de redução com o aumento do grau de hibridização (conforme

mostrado na tabela 8.18). Há uma diferença de 23,0% (US$ 21.409) no custo total da

configuração 3 para a configuração com maior grau de hibridização (6).

A figura 8.22 ilustra a proporção de cada componente no custo total do veículo ao longo

de sua vida útil. Observa-se o alto peso do custo total com combustível e do sistema de célula

a combustível no custo total do veículo.

128

Figura 8.22 – Custo total do veículo para diferentes graus de hibridização 61

8.6 Seleção do melhor veículo plug-in

Neste item seleciona-se a melhor configuração de VEHPCC baseado nos resultados de

consumo, tempo de aceleração e custo de aquisição e custo com combustíveis do veículo.

Na seção 8.3 analisou-se o tempo de aceleração para diferentes graus de hibridização.

Conclui-se que devido a bateria possuir melhor resposta em transitórios de potência do que a

célula a combustível, gera-se uma tendência de redução do tempo de aceleração conforme se

aumenta o grau de hibridização. Portanto, o veículo com maior grau de hibridização apresentou

o melhor tempo de aceleração.

$103.258

$93.226

$85.697

$78.788

$71.818

$0

$20.000

$40.000

$60.000

$80.000

$100.000

24,1% 29,6% 40,1% 50,1% 60,1%

Pre

ço





Custo Total Comsbutível

129

Na seção 8.4 averigua-se o consumo do veículo para diferentes graus de hibridização.

Notou-se que o consumo melhora conforme aumenta-se o grau de hibridização. Dessa forma a

configuração com maior grau de hibridização apresentou o melhor consumo.

Na subseção 8.5.1 examina-se o custo de aquisição do veículo para diferentes graus de

hibridização. É mostrado que o alto custo do sistema de célula a combustível frente ao do banco

de baterias gera uma tendência de redução de custo de aquisição do VEHPCC com o aumento

do grau de hibridização. Logo, o VEHPCC com maior grau de hibridização tem o menor custo

de aquisição.

Na subseção 8.5.2 estuda-se o custo com combustível do VEHPCC para diferentes graus

de hibridização. Conclui-se que a melhora do consumo em maiores graus hibridização leva uma

redução do custo com combustíveis nos maiores graus de hibridização. Assim, a configuração

com maior grau de hibridização possui o menor custo com combustíveis.

Pelos fatos expostos anteriormente conclui-se que a configuração com maior grau de

hibridização é a melhor configuração de VEHPCC.

8.7 Comparação energética do veículo elétrico

híbrido a célula a combustível e do veículo elétrico

híbrido plug-in a célula a combustível

Neste item analisa-se o consumo energético da versão VEHCC e VEHPCC para 39

milhas (62,76 km) no ciclo combinado. A figura 8.23 detalha o consumo em kWh/100km das

duas configurações para diferentes graus de hibridização.

130

Figura 8.23 – Comparação do consumo kWh/100 km para as duas configurações 62

Conforme discutido no item 4.2.2.2, a atuação no modo CD é mais eficiente do que a

atuação no modo CS, pois no modo CD se utiliza majoritariamente o banco de baterias

(eficiência máxima de 90%) enquanto que no modo CS se utiliza majoritariamente o sistema

de célula a combustível (eficiência máxima de 60%). Como os VEHPCC podem percorrer

maiores distâncias no modo CD do que os VEHCC, é esperado que o consumo energético do

VEHPCC seja menor do que o do VEHCC. Isso é exatamente o que é mostrado na figura 8.23,

a exceção da configuração com GH=25% que utilizou constantemente o sistema de célula a

combustível no modo CD, todos os VEHPCC consumiram menos energia do que o VEHCC.

Para as configurações com GH=60% há uma diferença de 24,0% (7,7 kWh) de consumo entre

o VEHPCC e VEHCC.

38,4

34,8 34,0 33,532,1

38,4

31,9

29,2

26,8

24,4

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

25% 30% 40% 50% 60%

Co

nsu

mo

[kW

h/1

00 k

m]


Consumo Energético no percurso diário

VEHCC VEHPCC

131

Capítulo 9

9 Análise econômica com veículos reais

Neste capítulo compara-se economicamente veículos a célula a combustível com

veículos a combustão interna e elétricos do mesmo segmento. A comparação é realizada em

diferentes cenários econômicos para demonstrar a evolução da competitividade do veículo a

célula a combustível conforme se aumenta seu nível de produção e se obtém preços mais

competitivos do hidrogênio.

9.1 Seleção dos veículos de comparação

Seleciona-se três veículos a célula a combustível, um elétrico e um a combustão para a

comparação.

Para os veículos a célula a combustível, foram selecionados os seguintes modelos:

a) Hyundai Nexo original: deseja-se comparar a versão disponível no mercado com os demais

veículos;

b) Melhor Nexo VEHCC: deseja-se analisar o efeito da hibridização no custo total do Nexo

comparado a outros modelos;

c) Melhor Nexo VEHPCC: deseja-se avaliar o impacto financeiro da mudança no powertrain

do Nexo com os demais modelos.

O Hyundai Nexo está disponível a venda por US$ 58.300 na Califórnia. O governo

americano e o governo da Califórnia oferecem, respectivamente, subvenção de US$ 7.500 e

US$ 5.000 para a compra do Nexo. Além disso, a Hyundai oferece aos consumidores

combustível gratuitamente durante 3 anos ou US$ 13.000 para compra de combustível, o que

ocorrer primeiro [7].

O veículo a combustão selecionado é o modelo 2019 do Hyundai Tucson 2.0 L com

tração dianteira, o modelo está disponível por US$ 25.599. Selecionou-se esse modelo por ser

um SUV da mesma categoria do que o Nexo e ter a mesma potência máxima do motor (120kW),

o modelo apresenta consumo de 26 MPG no ciclo combinado [41].

132

Como padrão de comparação para o veículo elétrico a bateria, selecionou-se a versão

elétrica do Hyundai Kona. Essa escolha foi feita pelo veículo ser um SUV da mesma categoria

que o Hyundai Nexo. O Hyundai Kona apresenta um consumo de combustível equivalente de

120 MPGe no ciclo combinado, custa US$ 37.945 e pode receber até US$ 10.800 em

subvenções [9]. O governo americano oferece US$ 7.500 de subvenção, o governo da Califórnia

oferece US$ 2.500 de subvenção, e a “Pacific Gas and Electric Company” (concessionária de

distribuição de energia elétrica na Califórnia) oferece US$ 800 em subvenção para pessoas

físicas que comprarem um veículo elétrico.

9.2 Cenários de Comparação

O estudo realizado por S. Thompson et. Al [42] mostra que os custos de produção do

sistema de célula a combustível são inversamente proporcionais ao número de unidades

fabricadas anualmente. Isso ocorre porque as economias de escala geradas no aumento da

produção reduzem o custo total do sistema. O autor estima que para 100.000 unidades

fabricadas ao ano tem-se um custo de US$ 59/kW para o sistema de célula a combustível e que

para 500.000 unidades ao ano tem-se um custo de 53 US$/kW.

Um estudo mais recente realizado pelo DOE em 2019 [10], revela a mesma tendência

dos resultados de Thompson, mas com valores mais atualizados. Este estudo também faz

estimativas para o custo do tanque do sistema de célula a combustível e do preço do hidrogênio

ao consumidor. O preço do hidrogênio depende do processo de sua produção, que pode ser por

eletrólise ou por reforma de hidrocarbonetos. Seleciona-se o preço da produção por eletrólise

porque, se a fonte de energia utilizada nesse processo for renovável, o processo é livre de

emissões de CO2 do poço a roda. Ainda nesse estudo se estima o melhor preço possível do

sistema de célula a combustível, do tanque e do hidrogênio. Estes valores refletem o custo com

a tecnologia de veículos a célula a combustível estabelecida e com a produção, distribuição e

armazenamento de hidrogênio desenvolvidas. Nesse estudo do DOE estima-se que esse cenário

ocorrerá em 2030, dessa forma essa circunstância será referida como cenário de 2030.

A tabela 9.1 resume o custo do sistema de célula a combustível, do tanque e do

hidrogênio para os quatro cenários:

1) Cenário com custos de 2019;

133

2) Cenário com custos de 100.000 unidades de veículos a célula a combustível produzidas ao

ano;

3) Cenário com custos de 500.000 unidades de veículos a célula a combustível produzidas ao

ano;

4) Cenário com custos de 2030, esse cenário utiliza os custos previstos pelo DOE quando a

tecnologia do sistema de célula a combustível, tanque e produção de hidrogênio estiverem bem

desenvolvidos economicamente

Tabela 9.1 – Preço do sistema de célula a combustível, tanque e hidrogênio por cenários 43

Cenário 2019 100.000

unidades/anoc

500.00

unidades/anoc 2030c

Preço do sistema de

célula combustível

[U$/kW]

185,0a 50,0 45,0 30,0

Preço do tanque

[US$/kWh] 20,0a 17,0 15,0 8,0

Preço do hidrogênio

[US$/kg] 15,79b 10,0 10,0 3,98

a Fonte: Base de Dados do FASTSim para o IX35. b Fonte: Relatório EIA, abril de 2019 [30]. c Fonte: Estudo do DOE, 2019 [10].

Conforme mostrado na tabela 9.1, há quatro cenários possíveis de comparação em que

se evolui gradativamente até que a tecnologia do sistema de célula a combustível esteja

estabelecida. Nesse trabalho é feito uma análise econômica dos cinco veículos citados

anteriormente para o cenário atual, para o cenário de 500.000 unidades produzidas ao ano e

para o cenário de 2030 previsto pelo DOE. O cenário de 100.000 unidades ao ano não foi

incluído porque apresenta valores muito próximos ao cenário de 500.000 unidades ao ano (10%

de diferença) o que tornaria a análise repetitiva.

9.3 Comparação no atual cenário de produção

Nessa seção compara-se o custo total dos veículos para o atual nível de produção de

veículos a célula a combustível e com os preços atuais dos combustíveis.

9.3.1 Custo de aquisição do veículo

A tabela 9.2 detalha os custos de aquisição das 3 versões do Nexo (Original, melhor

VEHCC e melhor VEHPCC) em dólar e valor convertido em real. O custo do Nexo original é

134

o custo calculado pela modelagem realizada no item 7.4.1, pois chegou-se muito próximo do

custo real US$ 58.300 e também porque é possível analisar o impacto do custo de cada

componente.

Tabela 9.2 – Custo de aquisição das 3 versões do Nexo44

Veículo Nexo Original Melhor Nexo VEHCC Melhor Nexo

VEHPCC

Carroceria US$19.014 R$71.493 US$19.014 R$71.493 US$19.074 R$71.718

Motor

Elétrico US$3.509 R$13.194 US$3.509 R$13.194 US$3.509 R$13.194

Célula

Combustível US$17.575 R$66.082 US$9.587 R$36.047 US$9.963 R$37.461

Tanque US$4.196 R$15.777 US$4.196 R$15.777 US$4.196 R$15.777

Bateria de

Lítio US$275 R$1.034 US$571 R$2.147 US$2.155 R$8.103

Conector US$0 R$0 US$0 R$0 US$750 R$2.820

Margem do

revendedor US$5.705 R$21.451 US$4.720 R$17.747 US$5.947 R$22.361

Margem do

fabricante US$4.457 R$16.758 US$3.688 R$13.867 US$3.965 R$14.908

Impostos US$3.565 R$13.404 US$2.950 R$11.092 US$3.172 R$11.927

Total US$58.296 R$219.193 US$48.236 R$181.367 US$52.730 R$198.265

Cotação 1US$= R$3,76 em 24/07/2019.

Comparando-se os custos de aquisição dos veículos a célula a combustível nota-se que,

para o nível atual de produção, o aumento do grau de hibridização reduz consideravelmente seu

custo. Em relação ao Nexo Original, chega-se a uma economia de 17,3% (US$ 10.500) para o

VEHCC e 9,6% (US$ 5.596) para o VEHPCC.

A tabela 9.3 discrimina o custo de aquisição dos cinco veículos.

135

Tabela 9.3 – Comparação entre o custo de aquisição de todas as configurações 45

Veículo Nexo

Original

Melhor

Nexo

VEHCC

Melhor

Nexo

VEHPCC

Tucson Kona

Custo Total em Dólares US$58.296 US$48.236 US$52.730 US$25.599 US$37.945

Custo Total em Reais R$219.193 R$181.367 R$198.265 R$96.252 R$142.673

Razão do preço do

veículo e do Tucson 2,27 1,89 2,06 - 1,48

Comparando-se o custo total de aquisição dos veículos, nota-se que apesar da melhora

do preço com a hibridização, o melhor VEHCC ainda é 1,89 vezes o preço do veículo a

combustão. O melhor VEHPCC é ainda mais caro, 2,06 vezes, enquanto o veículo elétrico

custa 1,48 vezes.

9.3.2 Custo do combustível

Utiliza-se a mesma metodologia da subseção 8.5.2 para o cálculo do custo do

combustível, apenas adiciona-se a metodologia o valor médio da gasolina na Califórnia

congelado pelo período de 10,5 anos. Segundo a EIA, em 27/05/2019 a gasolina na Califórnia

custava em média US$ 3,95/galão (US$ 0,87/L) [43].

A tabela 9.4 resume o preço dos combustíveis atuais nas unidades convencionais e por

galão de gasolina equivalente (GGe), custo para 33,44 kWh de energia, assim compara-se os

custos dos combustíveis para a mesma quantidade de energia.

Tabela 9.4 – Custo dos combustíveis utilizados 46

Combustível Preço Preço

Razão do

Preço Combustível

e Preço Gasolina

Hidrogênioa 15,79 U$/kg 15,83 US$/GGe 4,0

Energia Elétricab 0,19 US$/kWh 6,35 US$/ GGe 1,6

Gasolinac 3,95 US$/galão 3,95 US$/GGe -

a Fonte: Relatório DOE, abril 2019 [38]

b Fonte: Relatório EIA, abril de 2019 [30]

c Fonte: Relatório EIA, abril de 2019 [43]

Observando-se a tabela 9.4 nota-se que a gasolina é o combustível mais barato, seguido

pela energia elétrica que custa 1,6 vezes o valor da gasolina e pelo hidrogênio que custa 4 vezes.

136

Ressalta-se que estes valores são válidos para a Califórnia, sendo bastante diferentes para o

caso brasileiro.

A tabela 9.5 resume os custos de combustível ao longo de 10,5 anos (vida útil estimada do

Nexo).

Tabela 9.5 - Comparação do custo dos combustíveis ao longo de 10 anos47

Veículo Nexo

Original

Melhor

Nexo

VEHCC

Melhor

Nexo

VEHPCC

Tucson Kona

Consumo no Ciclo

Combinado [MPGe] 59,2 65,4 79,4 26 MPG 120

Razão do consumo do

veículo em relação ao

consumo do Tucson

2,28 2,52 3,05 - 4,62

Custo anual de

Combustível US$3.750 US$3.441 US$1.828 US$2.160 US$773

Custo Total de

Combustivel US$39.579 US$36.535 US$19.087 US$22.679 US$8.112

Diferença total para o

Tucson US$16.900 US$13.856 -$US3.592 -

-

US$14.567

Razão do custo total

de combustível do

veículo em relação

ao do Tucson

2,05 1,59 0,85 - 0,36

Os VEHCC percorrem distâncias maiores do que Tucson para a mesma quantidade de

energia (até 2,52 vezes), mas como hidrogênio custa em torno de 4 vezes o preço da gasolina acabam

tendo maior custo com combustível do que o Tucson. O melhor Nexo VEHCC gasta 1,59 mais com

combustível do que o Tucson e o Nexo original gasta 2,05 vezes mais.

O melhor Nexo VEHPCC gasta 15% a menos com combustível do que o Tucson. Isso ocorre

porque o veículo consegue percorrer distâncias 3 vezes maiores com a mesma quantidade de energia

do que o Tucson e utiliza mais a energia elétrica (1,6 vezes o preço da gasolina) do que o hidrogênio

que é (4 vezes o preço da gasolina). Dessa forma é possível reduzir-se os custos com combustível a

ponto de se tornar mais barato do que o Tucson.

O Kona percorre distância 4,6 vezes maiores do que o Tucson para a mesma quantidade de

energia e utiliza apenas energia elétrica, consequentemente seu custo anual com combustível é 74%

menor do que o do Tucson.

137

9.3.3 Custo total sem isenções

Os veículos a célula a combustível e elétricos a bateria recebem incentivos do governo

americano para que se tornem mais competitivos no mercado. Nessa seção analisa-se o custo

total do veículo sem as isenções para mostrar a diferença real de preço entre os veículos sem

esse benefício. A tabela 9.6 detalha o custo total do veículo ao final de 10,5 anos.

Tabela 9.6 – Custo total dos veículos ao fim de 10,5 anos 48

Veículo Nexo Original Melhor Nexo VEHCC Melhor Nexo

VEHPCC Tucson Kona

Custo total de

Combustivel US$39.579 R$142.484 US$36.535 R$137.372 US$19.087 R$71.767 US$22.679 R$85.273 US$8.112 R$30.501

Custo de

aquisição US$58.296 R$209.866 US$48.236 R$181.367 US$52.730 R$198.265 US$25.599 R$96.252 US$37.945 R$142.673

Custo total US$97.875 R$ 352.350 US$84.771 R$318.739 US$71.817 R$270.032 US$48.278 R$181.525 US$46.057 R$173.174

Diferença

entre o custo

total do

veículo e do

Tucson

US$49.597 R$178.549 US$36.493 R$137.214 US$23.539 R$88.507 - - -US$2.221 -R$8.351

Razão entre

o custo total

do veículo e

do Tucson

2,03 1,75 1,50 - 0,96

24/07/2019.

Analisando-se os custos da tabela 9.6, observa-se que O Nexo original custa o dobro do

Tucson enquanto o melhor Nexo VEHCC custa 1,75 vezes o Tucson ao longo de 10,5 anos.

Isto mostra que atualmente o veículo elétrico híbrido a célula a combustível não é

economicamente competitivo com o veículo a combustão interna. Isso é justificado pelo

elevado custo do hidrogênio, do sistema de célula a combustível e do tanque.

O melhor Nexo VEHPCC, devido a economia de combustível, custa 1,5 vezes o valor

do Tucson ao final de 10,5 anos. É menos do que o melhor Nexo VEHHC, mas ainda assim não

é economicamente competitivo com o Tucson.

O Kona é 4% mais barato do que o Tucson ao final de 10,5 anos, isto é devido à grande

economia gerado com combustíveis.

9.3.4 Custo total com subvenções

Nessa seção analisa-se o cenário real com as isenções concedidas aos veículos elétricos

a bateria e aos veículos à célula a combustível.

A tabela 9.7 detalha os custos totais dos veículos com subvenções.

Tabela 9.7 – Custo Total dos veículos com subvenções 49

Veículo Nexo Original Melhor Nexo VEHCC Melhor Nexo VEHPCC Tucson Kona

Custo total de


Custo total de

combustível

com subvenção

US$28.271 R$106.299 US$26.096 R$98.121 US$13.634 R$51.264 US$22.679 R$85.273 US$8.112 R$30.501

Custo de

aquisição US$58.296 R$219.193 US$48.236 R$181.367 US$52.730 R$198.265 US$25.599 R$96.252 US$37.945 R$142.673

Custo de

aquisição com

subvenção

US$45.796 R$172.193 US$35.736 R$134.367 US$40.230 R$151.265 - - US$27.145 R$102.065

Custo total com

isenção US$74.066 R$278.488 US$61.832 R$232.488 US$53.864 R$202.529 US$48.278 R$181.525 US$35.565 R$133.724

Redução

percentual do

custo total

devido a

subvenção

24,3% 27,1% 27,1% - 25,0%

Diferença entre

o custo total do

veículo e do

Tucson

US$25.789 R$ 96.967 US$13.564 R$ 51.001 US$5.586 R$ 21.003 - - -US$12.713 -R$47.801

Razão entre o

custo total do

veículo e do

Tucson

1,53 1,28 1,11 - 0,96

Analisando-se os resultados da tabela 9.7 nota-se o impacto das isenções no custo total

do veículo, há uma redução até 27,1% no custo total do veículo para o caso do melhor Nexo

VEHCC.

Em relação aos VEHCC, o custo total do Nexo original foi de 2 para 1,53 vezes o preço

do Tucson e a melhor configuração do Nexo VEHCC foi de 1,75 para 1,28 vezes o valor do

Tucson. É notório o impacto dos incentivos, mas ainda assim o veículo elétrico híbrido à célula

combustível não é economicamente competitivo com o Tucson.

O melhor Nexo VEHPCC foi de 1,5 para 1,11 vezes o preço do Tucson. As subvenções

tornaram o veículo mais atrativo economicamente, mas não a ponto de torná-lo mais barato do

que o Tucson.

O Kona se tornou ainda mais atrativo em relação ao Tucson com as subvenções, seu

custo total foi de 0,96 para 0,74 vezes o valor do Tucson.

Conclui-se que para o cenário atual a melhor escolha é o veículo elétrico a bateria,

seguido pelo veículo a combustão. Para os veículos a célula a combustível o melhor Nexo

VEHPCC mostrou-se ser a melhor opção devido a economias no custo de combustível, seguido

pelo melhor Nexo VEHCC. O Nexo original apresentou o pior resultado, por ter a menor

performance e maior composição de componentes de sistema de célula a combustível.

9.4 Cenário com custos de 500.000 unidades

fabricadas ao ano

Nesta seção compara-se o custo dos veículos à célula a combustível com volume de

produção de 500.000 unidades ao ano com os de veículos reais.

Utiliza-se a mesma modelagem feita na seção 9.3, exceto pelos custos do sistema de

célula a combustível, custo do tanque e preço do hidrogênio. Estes custos são relativos ao

volume de produção de 500.000 unidades, conforme mostrado na tabela 9.1.

142

9.4.1 Custo de aquisição

O aumento no volume de produção resulta em uma queda do custo de aquisição para os

veículos a célula a combustível. A tabela 9.8 detalha a composição do custo total dos veículos

a célula a combustível.

Tabela 9.8– Composição do custo total dos veículos a célula combustível para 500.000 unidades/ano50

Veículo Nexo (Original) Melhor Nexo VEHCC Melhor Nexo VEHPCC

Carroceria US$19.014 R$71.493 US$19.014 R$71.493 US$19.074 R$71.718

Motor

Elétrico US$3.509 R$13.194 US$3.509 R$13.194 US$3.509 R$13.194

Célula a

Combustível US$4.275 R$16.074 US$2.332 R$8.768 US$2.423 R$9.110

Tanque US$3.147 R$11.833 US$3.147 R$11.833 US$3.147 R$11.833

Bateria de

Lítio US$275 R$1.034 US$571 R$2.147 US$2.411 R$9.065

Conector US$0 R$0 US$0 R$0 US$750 R$2.820

Margem do

revendedor US$3.868 R$14.544 US$3.657 R$13.750 US$4.697 R$17.661

Margem do

fabricante US$3.022 R$11.363 US$2.857 R$10.742 US$3.131 R$11.773

Impostos US$2.418 R$9.092 US$2.286 R$8.595 US$2.505 R$9.419

Total US$39.527 R$148.622 US$37.374 R$140.526 US$41.648 R$156.596

Redução de

custo total em

relação ao

cenário de

2019

US$18.773 R$70.586 US$10.862 R$40.841 US$11.082 R$41.668

Redução

percentual

do custo total

em relação

ao cenário de

2019

32,2% 22,5% 21,0%

143

Pela tabela 9.8 nota-se uma redução de custos de aquisição de 21,0% até 32,2%. A

maior redução ocorreu no Nexo original por este possuir a maior quantidade de kW no sistema

de célula a combustível.

A tabela 9.9 detalha os preços dos 5 veículos para 500.000 unidades fabricadas ao ano.

Tabela 9.9 – Custo de aquisição das diferentes configurações dos veículos 51

Veículo Nexo

Original

Melhor

Nexo

VEHCC

Melhor

Nexo

VEHPCC

Tucson Kona

Custo de aquisição

em Dólares US$39.527 US$37.374 US$41.648 US$25.599 US$37.945

Custo de Aquisição

em Reais R$148.621 R$140.526 R$156.597 R$96.252 R$146.673

Diferença entre o

custo total do veículo

e do Tucson em

Dólares

US$13.928 US$11.775 US$15.928 - US$12.346

Diferença entre o

custo total do veículo

e do Tucson em Reais

R$ 53.369 R$ 44.274 R$ 59.889 - R$ 46.421

Razão entre o custo

total do veículo e do

Tucson

1,54 1,46 1,62 - 1,48

Comparando-se o custo de aquisição dos veículos na tabela 9.9, nota-se que o melhor

Nexo VEHCC está ligeiramente mais barato do que o veículo elétrico, no entanto ainda é 48%

mais caro do que o veículo a combustão.

O Hyundai Nexo original está mais barato do que o melhor Nexo VEHPCC, esse fato

ilustra o barateamento do sistema de célula a combustível frente ao banco de baterias utilizado

pelo VEHPCC.

A queda de preço dos veículos é devido ao barateamento do sistema de célula a

combustível e do tanque.

9.4.2 Custo do combustível

Segue-se a mesma metodologia da seção 9.3.2, exceto pelo preço do hidrogênio que é

modificado para US$ 10/kg de acordo com o cenário previsto pelo DOE [10].

144

A tabela 9.10 compara o preço dos combustíveis para o GGe (energia contida em galão

de gasolina -33,44 kWh) no cenário de 2019 e para 500.000 unidades:

Tabela 9.10 – Custo dos combustíveis utilizados no Cenário de 2019 e com 500.000 unidades 52

Combustível Cenário 2019:

Preço

Cenário 2019:

Razão do

Preço do

Combustível e

do Preço

Gasolina

Cenário

500.000

unidades:

Preço

Cenário 500.000

unidades:

Razão do

Preço do

Combustível e

Preço da Gasolina

Hidrogênio 14,82 US$/GGea 4,0 10,0 US$/GGeb 2,53

Energia

Elétricac 6,35 US$/GGe 1,6 6,35 US$/GGe 1,6

Gasolinad 3,95 US$/GGe - 3,95 US$/GGe - a Fonte: Relatório DOE, abril 2019 [38] b Fonte: Estudo DOE, 2019 [10] c Fonte: Relatório EIA, abril de 2019 [30] d Fonte: Relatório EIA, abril de 2019 [43]

É interessante notar na tabela 9.10 que o hidrogênio cai de 4 vezes o valor da gasolina

para 2,56 vezes. Isso reduzirá na mesma proporção o custo com combustíveis dos VEHCC e

impactará em menor escala no VEHPCC, já que esse utiliza mais energia elétrica do que

hidrogênio.

A tabela 9.11 detalha o custo com combustíveis dos 5 veículos estudados em 10,5 anos.

Tabela 9.11 – Custo com combustível para o cenário de 500.000 unidades/ano 53

Veículo Nexo

(original)

Melhor

Nexo

VEHCC

Melhor

Nexo

VEHPCC

Tucson Kona

Consumo Ciclo


Razão do consumo

do veículo em

relação ao consumo

do Tucson

2,28 2,52 3,05 - 4,62

Custo anual de

Combustível US$2.413 US$2.202 US$1.382 US$2.160 US$773

Razão do custo

anual de

combustível do

veículo em relação

ao do Tucson

1,12 1,019 0,67 - 0,36

Custo Total com

Combustivel US$25.339 US$23.123 US$15.202 US$22.689 US$8.112

145

9.4.3 Custo total

A tabela 9.12 detalha os custos ao final de 10,5 anos para os cinco veículos estudados.

Tabela 9.12 – Custo total dos veículos ao fim de 10,5 anos no cenário de 500.000 unidades/ano 54


Custo total de


Custo de aquisição US$40.521 R$152.359 US$37.916 R$142.564 US$41.527 R$156.142 US$25.599 R$96.252 US$37.945 R$142.673

Custo total US$64.866 R$243.896 US$60.497 R$227.469 US$56.850 R$213.756 US$48.278 R$181.525 US$46.057 R$173.174

Diferença entre o

custo total do

veículo e do Tucson

US$16.588 R$62.371 US$12.219 R$45.943 US$8.572 R$32.231 - - -US$2.221 -R$ 8.351

Cenário de 2019

sem subvenções:



Tucson

2,03 1,75 1,50 - 0,96

Cenário de 500.000

unidades ao ano:

Razão entre custo

total do veículo e

do Tucson

1,34 1,25 1,18 - 0,96

Analisando-se o custo total do veículo ao final de 10,5 anos na tabela 9.12, observa-se

que os veículos a célula a combustível se tornaram mais competitivos frente ao Tucson. O Nexo

original custa 1,34 vezes o valor do Tucson ao final de 10,5 anos, o melhor Nexo VEHCC custa

1,25 vezes e o melhor Nexo VEHPCC custa 1,18 vezes. Isso é consequência do barateamento

do sistema de célula a combustível, tanque e do hidrogênio. Repare que a diferença entre o

melhor Nexo VEHPCC e melhor Nexo VEHCC reduziu 0,25 vezes o valor do Tucson para 0,07

vezes, isso mostra o efeito do barateamento do hidrogênio frente a energia elétrica.

Apesar das quedas de preço nesse cenário, os veículos à célula a combustível ainda são

mais caros do que o Tucson. Novamente o veículo elétrico é a melhor opção econômica,

seguido pelo Tucson, pelo melhor Nexo VEHPCC, pelo melhor Nexo VEHCC e pelo Nexo

original.

9.5 Cenário de 2030

Nesta seção realiza-se uma análise econômica baseada no estudo realizado pelo DOE

[10], esse estudo estima os preços do sistema de célula a combustível, tanque e hidrogênio

quando a tecnologia de célula a combustível estiver economicamente estabelecida e quando o

hidrogênio estiver disponível ao consumidor a preços competitivos, o DOE estima que isto

aconteça em 2030. A tabela 9.13 resume os valores atuais do sistema de célula a combustível,

tanque e hidrogênio no momento atual e para o cenário previsto em 2030 pelo DOE:

Tabela - 9.13 Comparação dos custos atuais e custos com a tecnologia estabelecida 55

Cenário 2019 2030

Preço do sistema de célula combustível [US$/kW] 185 30

Preço do tanque [US$/kWh] 20 8

Preço do hidrogênio [US$/kg] 15,79 3,93

9.5.1 Custo de aquisição do veículo em 2030

Neste item modela-se de aquisição do veículo baseado nos custos do sistema de célula

a combustível e tanque previstos no estudo do DOE [10].

O estudo do DOE mostra que o componente com maior custo no sistema de célula a

combustível é o catalisador utilizado (platina), este representa 42% do custo total para um

volume de produção de 500.000 unidades fabricadas por ano [44]. Para reduzir o custo do

148

sistema para 30 US$/kW, o DOE coloca como meta reduzir os níveis de metais do grupo da

platina no catalisador. Além disso, também deseja-se aumentar a densidade de potência do

empilhamento de célula a combustível em 29%.

Em relação ao tanque, o estudo mostra que, para um volume de produção de 500.00

unidades por ano, 72% do custo total do tanque é composto da compra e processamento de

compósitos [45]. A substituição da fibra de poliacrilonitrilo convencional pela fibra de

poliacrilonitrilo têxtil reduz em 25% o custo com a compra da fibra. A mudança do processo

de fabricação da fibra de fiação úmida para fiação por fusão reduz em 25% o preço do processo

de fabricação da fibra. Essas duas mudanças são as mais impactantes para a redução do custo

do tanque para 8 US$/kWh. A tabela 9.14 detalha os custos dos veículos a célula a combustível

em 2030:

Tabela 9.14 – Composição dos custos dos veículos a célula a combustível no cenário 2030 56

Veículo Nexo Original Melhor Nexo VEHCC Melhor Nexo VEHPCC

Carroceria US$19.014 R$71.493 US$19.014 R$71.493 US$19.074 R$ 71.718

Motor Elétrico US$3.509 R$13.194 US$3.509 R$13.194 US$3.509 R$ 13.194

Célula

Combustível US$2.850 R$10.716 US$1.555 R$5.847 US$1.615 R$ 6.072

Tanque US$1.678 R$6.309 US$1.678 R$6.309 US$1.678 R$ 6.309

Bateria de Lítio US$275 R$1.034 US$571 R$2.147 US$2.411 R$ 9.065

Plug-in US$0 R$0 US$0 R$0 US$750 R$ 2.820

Margem do

revendedor US$3.498 R$13.152 US$3.370 R$12.671 US$4.355 R$ 16.375

Margem do

fabricante US$2.733 R$10.276 US$2.633 R$9.900 US$2.903 R$ 10.915

Impostos US$2.186 R$8.219 US$2.106 R$7.919 US$2.323 R$ 8.734

Total US$35.742 R$134.390 US$34.336 R$129.103 US$38.620 R$ 145.211

Redução

percentual do

custo total em

relação ao

cenário de 2019

39,2% 28,8% 26,8%

149

A tabela 9.13 revela que no cenário de 2030, o custo de aquisição dos veículos à célula

combustível são reduzidos em até 39,2% em relação ao cenário atual.

A tabela 9.15 compara os custos dos 5 veículos estudados no cenário de 2030.

Tabela 9.15 – Comparação entre o custo de aquisição de todas as configurações 57

Veículo Nexo

Original

Melhor

Nexo

VEHCC

Melhor

Nexo

VEHPCC

Tucson Kona

Custo de aquisição US$35.742 US$34.336 US$38.620 US$25.599 US$37.945

Diferença entre o custo


Tucson

US$10.143 US$8.737 US$13.021 - US$12.346



Tucson

1,40 1,34 1,51 - 1,48

Observando-se a tabela 9.15, percebe-se que no cenário com a tecnologia do sistema de

célula a combustível estabelecida, os custos do sistema de célula de combustível ficam

otimizados a ponto do Nexo Original estar mais barato do que o Kona. Isso é justificado pela

queda de custo do sistema de célula a combustível e do tanque.

9.5.2 Custo de combustível cenário de 2030

Neste item calcula-se o custo com combustível do veículo ao longo de 10,5 anos, da

mesma forma que nas seções anteriores, mas baseado no custo do hidrogênio previsto pelo DOE

(4 US$/kg) [10].

Para redução de custos do hidrogênio o DOE utiliza estratégias diferentes para o curto

e longo prazo [46]:

a) Para o curto prazo, devido ao baixo volume de hidrogênio requisitado, é mais viável produzir

o hidrogênio na estação onde o veículo é abastecido. As vantagens dessa forma de produção

em relação a produção centralizada (distante da estação de abastecimento) são menores

investimentos com compra de equipamentos e a independência da infraestrutura de transporte

do hidrogênio. As duas formas de produção possíveis são:

150

- Eletrólise: ocorre em pequena escala e utilizando energia da rede com até metade do custo

atual (0,10 US$/kWh);

- Reforma de hidrocarbonetos com captura de carbono: a captura de carbono é obrigatória para

a redução de emissões de CO2.

b) Para o longo prazo, devido ao alto volume de hidrogênio demandado, é economicamente

interessante produzir-se hidrogênio de forma centralizada. A razão disso é a existência de uma

estrutura de distribuição de hidrogênio já desenvolvida e a possibilidade de se gerar economias

de escala com o alto volume de produção. Nesse cenário produz-se hidrogênio paralelamente

nas estações de distribuição (criadas no curto prazo) e nos centros de produção. Os métodos

que se destacam na produção centralizada são:

- Eletrólise: ocorre em grande escala, deve utilizar energia renovável da rede com até metade

do custo atual (0,10 US$ kWh);

- Eletrólise de alta temperatura: utiliza a energia térmica rejeitada de uma usina nuclear;

- Reforma de hidrocarbonetos com captura de carbono;

- Gaseificação da biomassa: tem praticamente zero emissão de carbono.

A tabela 9.16 compara o preço dos combustíveis por GGe (energia equivalente a um

galão de gasolina - 33,44 kWh) no cenário atual e no cenário de 2030.

Tabela 9.16 – Custo dos combustíveis utilizados 58

Combustível Cenário 2019:

Preço

Cenário 2019:

Razão do

Preço do

Combustível e do

Preço Gasolina

Cenário de

2030:

Preço

Cenário de 2030:

Razão do

Preço do

Combustível e

Preço da Gasolina

Hidrogênio 14,82 US$/GGea 4,0 4,0 US$/GGeb 1,01

Energia

Elétricac 6,35 US$/GGe 1,6 6,35 US$/ GGe 1,6

Gasolinad 3,95 US$/GGe - 3,95 US$/GGe - a Fonte: Relatório DOE, abril 2019 [38] b Fonte: Estudo DOE, 2019 [10] c Fonte: Relatório EIA, abril de 2019 [30] d Fonte: Relatório EIA, abril de 2019 [43]

Observando-se a tabela 9.16 nota-se que o preço do hidrogênio reduziu de 4 para 1,01

vezes o preço da gasolina e se tornou mais barato do que a energia elétrica. É importante

ressaltar que o preço da energia elétrica e da gasolina foi mantido igual ao do cenário atual.

151

A tabela 9.17 detalha os custos com combustíveis no cenário de 2030.

Tabela 9.17 – Custo de combustível no cenário de 2030 59

Veículo Nexo

Original

Melhor

Nexo

VEHCC

Melhor

Nexo

VEHPCC

Tucson Kona

Consumo Ciclo


Custo anual de

Combustível US$947 US$864 US$893 US$2.160 US$773

Custo Total de


Razão do custo total de

combustível do veículo

em relação ao do Tucson

0,44 0,40 0,41 - 0,36

A análise da tabela 9.6 mostra que as 3 configurações de veículos à célula a combustível

tem o custo total com combustível expressivamente menor do que o Tucson. O melhor Nexo

VEHCC chega a ter um custo total de combustível de 40% do custo do Tucson e é apenas 12%

mais custoso do que o do Kona.

No cenário de 2030, apesar de o melhor Nexo VEHPCC ser mais eficiente, o seu custo

de combustíveis se torna mais alto do que o do melhor Nexo VEHCC. Isso ocorre porque, de

acordo com as hipóteses realizadas neste trabalho, a energia elétrica é mais cara do que o

hidrogênio nesse cenário.

9.5.3 Custo total do veículo cenário de 2030

Nesse item analisa-se o custo total dos 5 veículos estudados ao longo de 10,5 anos no

cenário de 2030.

A tabela 9.18 detalha o custo total dos veículos ao longo de 10,5 anos no cenário de

2030.

Tabela 9.18 – Custo total dos veículos ao fim de 10,5 anos no cenário de 2030 60


Custo total de

Combustivel US$9.946 R$37.397 US$9.077 R$ 34.130 US$9.377 R$35.258 US$22.679 R$85.273 US$8.112 R$30.501

Custo de

aquisição US$35.742 R$134.390 US$34.436 R$ 129.479 US$38.621 R$145.215 US$25.599 R$96.252 US$37.945 R$142.673

Custo total US$45.689 R$171.791 US$43.513 R$ 163.609 US$47.997 R$180.469 US$48.278 R$181.525 US$46.057 R$173.174

Diferença

entre o custo

total do

veículo e do

Tucson

-US$2.589 -R$9.735 -US$4.765 -R$ 17.916 -US$281 -R$1.057 - - -US$2.221 -R$8.351

Cenário de

2019 sem

subvenções:

Razão entre o

custo total do

veículo e do

Tucson

2,03 1,75 1,50 - 0,96

Cenário de

2030:

Razão entre o

custo total do

veículo e do

Tucson

0,95 0,90 0,99 - 0,96

Analisando-se a tabela 9.18, nota-se que os veículos a célula a combustível se tornaram

mais baratos do que o Tucson no cenário de 2030. Comparando-se o cenário de 2030 com o

cenário de 2019 sem subvenções, todos os veículos a célula se tornaram mais baratos do que o

Tucson ao final de 10,5 anos. A maior queda de preço foi a do Nexo Original, uma queda 2,03

vezes o valor do Tucson para 0,95 vezes o valor do Tucson.

Os VEHCC são a melhor opção econômica, o melhor Nexo VEHCC se tornou o veículo

com o menor custo ao final de 10,5 anos custando 0,9 vezes o valor do Tucson. O Nexo original

é a segunda melhor opção econômica custando 0,95 vezes o Tucson, ligeiramente mais barato

do que o Kona.

O melhor Nexo VEHPCC é a quarta melhor opção em termos econômicos custando

ligeiramente menos do que o Tucson ao final de 10,5 anos.

Esses cálculos mostram que, com o estabelecimento econômico da tecnologia de célula

a combustível e preços reduzidos do hidrogênio, os veículos à célula a combustível se tornam

economicamente competitivos com os veículos a combustão interna e até com os veículos

elétricos.

9.6 Emissões evitadas

A análise completa de emissões de gases de um combustível deve avaliar o caminho do

combustível do poço ao tanque, passando por sua produção, distribuição e seu consumo [4].

Pode-se dividir o percurso do poço a roda em dois caminhos complementares, do poço ao

tanque (produção e distribuição do combustível) e do tanque as rodas (consumo do

combustível).

Segundo a EIA [2], em 2016 emitiu-se 32,3 gigatoneladas de CO2 na atmosfera. Desse

total 7,87 gigatoneladas foram geradas pelo setor de transportes. Um dos grandes responsáveis

pelas emissões de CO2 são os veículos a combustão interna. Uma solução para a redução de

emissões de CO2 é a utilização de veículos com zero emissões, como o veículo elétrico a bateria

e o veículo elétrico a célula a combustível (híbrido ou plug-in), já que esses veículos não

realizam combustão e, portanto, não emitem CO2 em sua operação (emissões do tanque a roda).

No entanto, esses veículos ainda podem ter emissões do poço ao tanque dependendo da origem

energética de seu combustível. Neste trabalho analisa-se apenas as emissões do tanque a roda.

154

A quantidade de CO2 emitida na queima de um combustível depende da quantidade de

carbono presente nesse combustível. Geralmente 99% do carbono de um combustível se torna

CO2 após a sua queima [47]. A EPA estima que a queima de um galão de gasolina (4,54L)

emita 8,88 kg de CO2 na atmosfera e um galão de diesel emita 10,18 kg de CO2 [47]. Logo, a

quantidade de CO2 emitida do tanque a roda de um veículo depende de seu consumo de

combustível.

A equação 9.1 detalha a emissão de CO2 do tanque a roda de um veículo a combustão

interna que usa gasolina [47]:

𝐸𝑚𝑖𝑠𝑠ã𝑜 𝐶𝑂2 =

𝐷 . 8,88

𝑀𝑃𝐺

(9.1)

Onde:

- D é a distância percorrida em milhas.

- MPG é número de milhas que o veículo consegue percorrer com 1 galão de gasolina;

- 8,88 é a massa em kg de CO2 emitida por galão de gasolina consumido.

O Hyundai Tucson percorre 30 milhas (48,3 km) com um 1 galão de gasolina (4,54L)

no ciclo combinado. Se o veículo percorrer a distância diária média de um cidadão americano

[33], 39 milhas (48,3 km), ele emitirá do tanque a roda por dia:

𝐸𝑚𝑖𝑠𝑠ã𝑜 𝐶𝑂2 =

39 . 8,88

30= 11,54 𝑘𝑔 𝐶𝑂2

(9.2)

A tabela 9.19 extrapola os valores de emissão do tanque a roda de CO2 diários para um

ano e para 10,5 anos (vida útil estimada do veículo a célula a combustível neste trabalho) para

o Hyundai Tucson, supondo que se percorra 39 milhas todos os dias:

Tabela 9.19 – Emissões do tanque a roda de CO2 do Hyundai Tucson61

Emissões de CO2

Diária [kg] 11,54

Anual [Ton] 4,21

Ao longo de 10,5 anos [Ton] 44,27

155

Observando-se a tabela 9.18 nota-se que, ao longo de 1 ano, o Tucson emite 4,21

toneladas de CO2 do tanque a roda. Logo, ao se comprar um veículo a célula a combustível ou

elétrico ao invés do Tucson, deixa-se de emitir 4,21 toneladas de CO2 do tanque a roda por ano

na atmosfera.

Enfatiza-se que, para ter-se uma comparação completa, ainda é necessário fazer uma

análise do poço ao tanque dos veículos de modo a saber a emissão total de CO2. O estudo

realizado por Lajunen e Lipman [49] calcula as emissões do poço ao tanque de diferentes tipos

de powertrain de um ônibus, esse estudo é uma referência interessante para aprofundar-se no

assunto pois aborda de forma completa esse tema.

156

Capítulo 10

10 Conclusões

O objetivo do trabalho é analisar a performance e custos do Hyundai Nexo em duas

plataformas veiculares (VEHCC e VEHPCC) para diferentes graus de hibridização (GH).

Posteriormente compara-se o custo do melhor veículo de cada configuração e do Nexo original

com o custo de um veículo elétrico e um veículo a combustão da mesma categoria em diferentes

cenários.

Inicialmente introduz-se o software de simulação veicular utilizado (Advisor),

explicando-se as suas funcionalidades utilizadas neste trabalho.

Posteriormente, modela-se o Nexo no software utilizando-se dados reais e estima-se os

dados faltantes. A modelagem apresenta pequeno desvio no consumo (6%) em relação ao

veículo real, provando a sua validade.

A primeira análise é entender como a variação do GH do Nexo original afeta a

performance e custos do powertrain híbrido. É mostrado que conforme se aumenta o GH

melhora-se o consumo do veículo, tempo de aceleração e custos. Dessa forma, a configuração

do Nexo VEHCC com maior GH é a melhor configuração.

A segunda análise é observar o impacto em custos e performance ao se alterar o

powertrain de híbrido para plug-in em diferentes GHs. É mostrado a mesma tendência

observada nos VEHCC, a melhor configuração de VEHPCC é aquela que possui o maior grau

de hibridização pois tem o menor custo, melhor consumo e tempo de aceleração. Também é

mostrado que, para o mesmo GH, o VEHPCC consome menos energia do que o VEHCC.

Ao fim do trabalho, compara-se os custos do Nexo original, melhor Nexo VEHCC e

melhor Nexo VEHPCC com o do Kona (elétrico) e do Tucson (combustão) em três cenários.

No cenário atual (com e sem subvenções), no cenário com volume de produção de 500.000

unidades produzidas ao ano e no cenário de 2030 com a tecnologia de célula a combustível e

tanque economicamente desenvolvidos e com baixo preço do hidrogênio.

Para o cenário atual sem subvenções é mostrado que o melhor Nexo VEHPCC apresenta

o menor custo entre os veículos a célula a combustível (26,6% mais barato que o Nexo

157

Original), seguido pelo melhor Nexo VEHCC (15,2% mais barato que o Nexo Original). Há

uma diferença de 14,1% no custo total entre o melhor Nexo VEHPCC e o melhor Nexo

VEHCC, isso é reflexo da grande diferença entre o preço da eletricidade e do hidrogênio. Esses

resultados mostram a validade econômica das alterações feitas no Nexo original.

Ao se comparar com o Kona e Tucson no cenário atual sem subvenções, nota-se que os

veículos a célula a combustível são bem mais custosos, custando de 1,5 a 2 vezes o valor do

Tucson, enquanto o elétrico é 3% mais barato. Isso mostra que no cenário atual os veículos à

célula a combustível ainda estão muito distantes de serem competitivos diante os veículos a

combustão e veículos elétricos devido ao alto preço do hidrogênio, do sistema de célula a

combustível e do tanque.

Ao se aplicar as subvenções disponíveis no cenário de 2019, há uma redução de 25%

em média no custo total dos veículos a célula a combustível, mas ainda assim, continuam bem

distantes do Tucson e Kona.

No cenário com 500.000 unidades fabricadas ao ano, a redução do preço do hidrogênio

e do sistema de célula a combustível tornam os veículos a célula a combustível mais

econômicos, porém ainda são mais dispendiosos do que o veículo elétrico e a combustão. O

melhor Nexo VEHPCC custa 1,18 vezes o valor do Tucson, o melhor Nexo VEHCC custa 1,25

vezes e o Nexo original custa 1,34 vezes. A diferença de custo total entre o VEHCC e o

VEHPCC cai de 14% para 6%, isso é reflexo do barateamento do hidrogênio em relação a

energia elétrica.

No cenário de 2030, o melhor Nexo VEHCC tem o menor custo total, 10% mais barato

do que o Tucson. O Nexo original é o segundo colocado custando 5% a menos que o Tucson.

O Kona é o terceiro veículo, 4% mais barato que o Tucson. O melhor VEHPCC é o quarto

colocado ligeiramente mais barato (1% a menos) do que o Tucson. Isso mostra que, quando

atingir-se os custos previstos pelo DOE para 2030, os veículos à célula a combustível serão

economicamente competitivos com os veículos a combustão de combustão interna e até com os

veículos elétricos.

Na última seção mostrou-se que ao se utilizar o Hyundai Nexo ou Hyundai Kona ao

invés do Tucson com o perfil de uso de um cidadão americano, deixa-se de emitir 44,27

toneladas de CO2 do tanque a roda por ano em 10,5 anos (vida útil estimada do Nexo).

158

Sugere-se para trabalhos futuros que se realize a modelagem do veículo utilizando-se

apenas dados reais, visto que nesse estudo algumas variáveis foram estimadas no FASTSim

devido a sua indisponibilidade no momento atual. Para a análise econômica é interessante

também se considerar diferentes preços da gasolina e energia elétrica em cada cenário, nesse

estudo utilizou-se os mesmos valores em todos os cenários. Também sugere-se calcular as

emissões do poço a roda de cada veículo para ter-se uma análise completa de emissões do

veículo, visto que neste estudo considerou-se apenas as emissões do tanque a roda.

159

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164

Apêndice A

Neste apêndice são mostradas as telas de resultados das configurações 2,4,5 e 6 do Nexo

VEHCC para os ciclos HFWET e UDDS.

Figura A.1 – Consumo configuração 2 (GH=25,5%) para 1 ciclo UDDS 63

165

Figura A.2 – Consumo configuração 2 (GH=25,5%) para 1 ciclo HWFET 64


166


Figura A.5– Consumo configuração 5 (GH=50,0%) para 1 ciclo UDDS 67

167



168


As próximas figuras são relativas as simulações com 39 milhas utilizadas no cálculo do custo

dos combustíveis:

169

Figura A.9 – Performance da configuração 2 (GH=25,5%) em 5,24 ciclos UDDS71

Figura A.10 – Performance da configuração 2 (GH=25,5%) em 3,81 ciclos HWFET72

170

Figura A.11 – Performance da configuração 3 (GH=39,8%) em 5.24 ciclos UDDS 73

Figura A.12 – Performance da configuração 3 (GH=39,8%) em 3.81 ciclos HWFET74

171

Figura A.13 – Performance da configuração 4 (GH=50,0%) em 5.24 ciclos UDDS75


172

Figura A.15 – Performance da configuração 5 (GH=60,2%) em 5.24 ciclos UDDS77


173

Figura A.17 – Performance da configuração original (GH=29,6%) em 5.24 ciclos UDDS 79

Figura A.18 – Performance da configuração original (GH=29,6%) em 3.81 ciclos HWFET 80

174

Figura A.19– Performance da configuração 7 (GH=61,6%) em 5.24 ciclos UDDS 81

Figura A.20 – Performance da configuração 7 (GH=61,6%)em 3.81 ciclos HWFET 82

175

Apêndice B

Nesse apêndice são mostradas as telas de resultados do Nexo VEHPCC para diversos graus de

hibridização no ciclo HFWET.

Figura B.1 – Simulação de 3.81 ciclos HFWET para a configuração com GH=24,1%83

176



177



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