Locomotiva Wabtec FLXdrive
Redefinindo as ferrovias
Há muito tempo os trens são associados a graxa e sujeira, mas será que a solução elétrica a bateria da Wabtec pode revolucionar o setor ferroviário? Reportagem de Will Gray
As ferrovias desempenham um papel vital no transporte de mercadorias e pessoas em todo o mundo. Elas representam 7% de todos os movimentos de carga globais – chegando a quase 40% no caso apenas de transporte terrestre – e oferecem rotas essenciais para bilhões de passageiros a cada ano. No entanto, embora representem uma forma excepcionalmente eficiente de transporte em termos energéticos, as distâncias e os pesos envolvidos também tornam extremamente difícil sua eletrificação.
Trens diesel-elétricos há muito tempo são os principais veículos de trabalho nas ferrovias, e embora trens elétricos alimentados por cabos aéreos tenham substituído-os em algumas rotas, os custos de infraestrutura envolvidos tornam a eletrificação em distâncias maiores extremamente proibitiva. Como resultado, mais de 60% da rede ferroviária no Reino Unido permanece não eletrificada; no entanto, na China – onde 51,75 bilhões de toneladas de carga foram transportadas por ferrovia em 2024 – cerca de 25% da rede é não eletrificada. Os EUA dependem ainda mais dessa tecnologia, com uma frota enorme de 28.000 locomotivas diesel-elétricas em operação e 124.000 milhas de ferrovias da Classe I nos EUA em uso intensivo.
Máquinas diesel-elétricas tradicionais utilizam seus motores movidos a combustíveis fósseis para gerar eletricidade, que por sua vez alimenta motores de acionamento direto. De acordo com a Associação Internacional de Energia, elas são uma das principais responsáveis pelas 250 milhões de toneladas de CO2 emitidas anualmente nas ferrovias. No entanto, até agora não existia outra solução capaz de fornecer a potência e o desempenho necessários para competir com elas.
A Wabtec (Westinghouse Air Brake Technologies Corporation) há muito tempo é líder mundial no desenvolvimento de locomotivas diesel-elétricas, sendo pioneira em métodos para torná-las mais eficientes. Em 2001, a empresa introduziu o freio regenerativo em algumas de suas locomotivas – criando assim a primeira máquina híbrida bateria-diesel-elétrica da história – e, ao longo dos 25 anos seguintes, desenvolveu esse conceito inicial até criar a primeira locomotiva de transporte pesado 100% elétrica do mundo, a FLXdrive.
Se isso parece um período longo de desenvolvimento, é porque – como na maioria dos desafios relacionados à eletrificação – só foi possível após todos os componentes se alinharem. Jim Bunce passou sete anos liderando o desenvolvimento dos pacotes de baterias e do sistema de gestão, e agora é o líder técnico em engenharia de sistemas. Ele explica: “O objetivo era projetar um veículo elétrico a bateria de maneira que oferecesse a mesma capacidade de potência de uma locomotiva diesel-elétrica tradicional – e agora conseguimos isso.”
“Os sistemas de tração e propulsão são quase idênticos no modelo diesel-elétrico e no FLXdrive, portanto ele oferece essencialmente a mesma capacidade de 4500 cavalos de potência. O sistema elétrico a bateria não consegue operar sozinho com o mesmo alcance de uma locomotiva diesel-elétrica, mas pode proporcionar melhorias significativas em eficiência em longas distâncias quando usado em combinação com outros veículos. O sistema FLXdrive é escalável e modular, podendo ser adaptado a diversas aplicações, incluindo transporte de linha, transporte pesado, frete, movimentação em pátios e operações híbridas.”
A escalabilidade é importante porque o ciclo de trabalho também é relevante, mas o sistema elétrico a bateria atualmente não é capaz de funcionar de forma autônoma. O objetivo não é eliminar o motor a diesel em todas as circunstâncias, mas sim utilizar energia de bateria onde ela oferece a maior vantagem operacional e ambiental. Uma locomotiva que trabalha em um ambiente de manutenção de metrô, por exemplo, enfrenta um problema muito diferente de uma locomotiva de carga que percorre longas distâncias – por isso foram desenvolvidas versões diferentes para cada caso de uso.
O Switcher é ideal para uso em pátios, na formação de trens para transportar cargas de um local a outro, e esses veículos geralmente contêm menos baterias porque ficam próximos a um sistema de carregamento. A versão híbrida, projetada para trabalhos de manutenção em sistemas de metrô de grandes cidades, mantém um motor a diesel, mas pode passar para operação totalmente elétrica dentro dos túneis. Sua estrutura permite que o motor seja desligado em locais onde os vapores e emissões poderiam afetar o ambiente de trabalho.
No caso das locomotivas de carga para longas distâncias, a FLXdrive é equipada com o maior número possível de baterias e foi projetada para funcionar como parte de uma frota, complementando as locomotivas diesel-elétricas existentes ao operar ao lado delas, criando assim efetivamente uma solução híbrida. “Um trem de carga de longa distância nos EUA tem normalmente cerca de uma milha e meia de comprimento e conta com três ou quatro locomotivas na liderança da operação”, explica Bunce. “Substituímos uma dessas locomotivas diesel-elétricas por uma FLXdrive, de modo que as locomotivas trabalhem em conjunto como parte de um comboio híbrido. As longas distâncias ainda são percorridas com o apoio da frota diesel-elétrica, mas a eficiência no consumo de combustível é melhorada pela tecnologia bateria-elétrica.”
Comprovando o conceito
O primeiro protótipo do design FLXdrive foi lançado para testes em 2021. Ele estava equipado com 18.000 células de bateria de íon-lítio resfriadas a ar, oferecendo um armazenamento total de 2,4 MWh, e pesava 430.000 libras. O foco estava no transporte de longo alcance, e, em vez de circular em circuitos em uma pista de testes, a locomotiva foi testada em serviços rodoviários reais com a BNSF Railway, a maior companhia ferroviária dos EUA.
Durante o período de teste de três meses no Vale de San Joaquin, na Califórnia – uma região cercada por montanhas e com terreno acidentado que maximizou o uso da frenagem regenerativa –, ela percorreu 13.320 milhas trabalhando como parte de um comboio ferroviário ao lado de outras locomotivas diesel-elétricas. Ao alcançar uma redução de 11% no consumo de combustível (equivalente a mais de 6.200 galões de diesel) e uma redução nas emissões de CO2 de aproximadamente 69 toneladas, ela comprovou o conceito inicial, mas também destacou uma importante oportunidade de melhoria.
A segunda iteração, lançada para serviço de demonstração aos clientes na Austrália há alguns anos, contou com uma atualização significativa, com o sistema original de baterias resfriadas a ar sendo substituído por um design resfriado a água. A maior eficiência do resfriamento a água permitiu um aumento considerável na densidade das baterias, o que significou que a capacidade de armazenamento de energia do veículo pôde ser triplicada, atingindo um total de 7 MWh. A empresa estima que, dependendo da rota e das operações do cliente, isso tem potencial para reduzir o consumo de combustível e as emissões em até 30%.
“Em um sistema resfriado a ar, é realmente necessário um espaço considerável para mover o ar necessário ao resfriamento das baterias”, diz Bunce. “Ao adotar um sistema resfriado a líquido, podemos utilizar cada centímetro do espaço disponível na locomotiva. Além disso, os testes de campo foram fundamentais para permitir que nossos clientes avaliem a nova tecnologia em suas aplicações – entendendo quais requisitos de manutenção e necessidades de infraestrutura eles podem ter –, além de nos possibilitar demonstrar um sistema seguro e funcional que mantém a capacidade de desempenho, com significativas economias de combustível e vantagens em termos de emissões.”
A locomotiva FLXdrive tem uma forte semelhança com o motor diesel-elétrico tradicional, com a mesma estrutura externa e layout da cabine – embora receba informações significativamente diferentes para o maquinista. O contraste torna-se ainda mais evidente fora da cabine, onde o motor a diesel, o alternador que normalmente converte a energia mecânica do motor em energia elétrica e o grande sistema de resfriamento associado à instalação a diesel estão todos ausentes. Em seu lugar, há pacotes de baterias, juntamente com um sistema de gerenciamento térmico projetado para manter os pacotes dentro da faixa de temperatura operacional desejada.
A diferença também é sentida na experiência de condução, com a redução das vibrações geradas pelo motor melhorando drasticamente a qualidade da viagem a bordo do veículo. “Se você entrasse na cabine do operador, onde a equipe trabalha hoje em uma locomotiva diesel-elétrica em comparação com uma locomotiva FLXdrive, elas são essencialmente idênticas – mas a ausência do motor a diesel tem um impacto significativo na quantidade de ruído e vibração do veículo”, diz Bunce.
“Uma das maiores fontes de vibração na locomotiva é aquele motor a diesel, e embora as nossas locomotivas diesel-elétricas tenham um sistema de montagem amortecido para que os operadores não sintam essa vibração, ela ainda é significativa. O peso da locomotiva é provavelmente o maior fator que contribui para o desgaste dos trilhos, e o peso total não muda muito, mas há um impacto significativo na qualidade da experiência de condução do operador. É muito mais agradável dirigir!”
Eletrificação em larga escala
Ao nível das rodas, o FLXdrive conta com a conhecida tecnologia de tração AC. A maioria das versões utiliza seis motores de tração AC de alto torque GEB13 da General Electric, montados nos eixos, cada um gerando aproximadamente 1000 cavalos de potência. Um motor aciona cada eixo, sendo que cada um é controlado individualmente por meio de seu próprio inversor avançado refrigerado a líquido e de frequência variável. Isso confere um certo grau de resiliência, pois um problema em um motor ou inversor não impede necessariamente que a energia seja direcionada aos motores restantes.
A arquitetura elétrica se baseia em um barramento DC de alta tensão, e o sistema opera normalmente a 1350 V DC, com os sistemas inversores convertendo esse fornecimento elétrico em energia CA para os motores de indução. Esse ambiente de alta tensão – já que a maioria das plataformas automotivas modernas opera em torno de 800 V – fez com que o desenvolvimento da locomotiva elétrica a bateria exigisse algo mais do que simplesmente adicionar baterias no estilo automotivo a uma plataforma de locomotiva existente. Em vez disso, a empresa teve que desenvolver pacotes de baterias personalizados, configurados para funcionar dentro do sistema de propulsão de cargas pesadas.
Trata-se de eletrificação em uma escala diferente. Cada conjunto de baterias tem aproximadamente o tamanho de um colchão queen-size – cerca de 64 polegadas de comprimento, 48 polegadas de largura e 10 polegadas de altura – e, com a remoção dos componentes originais, há espaço para que esses componentes gigantescos ocupem até dois terços da locomotiva. “Atualmente, temos até 72 conjuntos de baterias a bordo”, diz Bunce. “Isso equivale a 72 unidades de bateria do tamanho das da Tesla em um único veículo!”
A Wabtec projeta e fabrica os conjuntos de baterias inteiramente em suas instalações nos EUA, localizadas em Erie, Pensilvânia. Ela utiliza células de bateria de um fornecedor terceirizado, com capacidade de utilizar diversos tipos químicos de células, incluindo NMC (Níquel Manganês Cobalto), LFP (Fosfato de Ferro e Lítio) e LTO (Óxido de Titanato de Lítio). Cada conjunto de baterias possui 504 células individuais, projetadas para operar a 350 V por conjunto no nível máximo de carga, e essas células são dispostas de modo que quatro delas juntas possam operar nominalmente a 1400 V, ligeiramente acima dos 1350 V exigidos.
“As células de bateria que utilizamos são projetadas para aplicações automotivas, pois são as que mais consomem células individuais e, por isso, estão mais facilmente disponíveis”, diz Bunce. “O formato que escolhemos está disponível em vários fornecedores, com diferentes composições químicas e capacidades variadas, e todos eles possuem planos de produto para várias gerações. Assim, à medida que as capacidades e composições químicas melhoram, devemos sentir os benefícios dessas mudanças.”
“Todas as nossas baterias são montadas eletronicamente em strings e bancos, para que possamos isolar os bancos individuais conforme necessário. Nós fornecemos toda essa energia para um barramento DC comum, e então conjuntos individuais de inversores retiram energia desse barramento DC para controlar cada eixo separadamente. Dimensionamos as baterias de acordo com a aplicação – nosso sistema de transporte pesado possui até 72 pacotes de baterias, enquanto nossa configuração Switcher menor tem 28 – e, em alguns casos, deixamos espaço para podermos modificar essas unidades no futuro, caso haja demanda por maior autonomia.”
O controle individual de eixo confere resiliência intrínseca a qualquer motor ou sistema inversor que apresente falha, pois a energia é simplesmente redirecionada para outros motores sem qualquer impacto no desempenho da locomotiva. Isso também permite que o sistema gerencie o deslizamento entre os motores, e cada motor de tração possui sua própria engrenagem independente – integrada ao conjunto do motor do eixo, em vez de ter a engrenagem no trem de força como um todo – para maximizar a tração.
O robusto sistema de baterias aumenta significativamente o peso da locomotiva, mas, neste caso – ao contrário de muitos outros veículos elétricos em que o peso das baterias é uma desvantagem inevitável que os engenheiros trabalham constantemente para reduzir – essa massa adicional é uma vantagem, pois contribui para a tração entre as rodas e os trilhos. Os veículos diesel-elétricos, na verdade, utilizam lastro para aumentar o peso, mas o sistema de baterias faz com que seja necessário menos lastro para transmitir energia efetivamente aos trilhos, maximizando assim o peso do veículo dentro dos limites impostos pela infraestrutura de trilhos e solo.
Segurança e desempenho das baterias
Dada a alta voltagem envolvida, a segurança operacional é uma prioridade, e a capacidade de isolar partes do sistema elétrico antes de substituir os pacotes de baterias ou interagir com equipamentos inversores foi um aspecto essencial dos critérios de projeto. O FLXdrive adota uma abordagem LOTO (‘Lock Out – Tag Out’) – uma prática consolidada na indústria ferroviária – que garante que o sistema possa ser isolado e trancado fisicamente para impedir que outra pessoa restabeleça a energia enquanto se realizam os trabalhos. Uma segurança adicional é fornecida pelo uso de um sistema de chave presa, que exige que as equipes de manutenção realizem uma sequência de ações para isolar e desconectar progressivamente o equipamento.
“A segurança foi um foco central no design da locomotiva”, explica Bunce. “Gastamos bastante tempo e esforço avaliando diversos cenários de uso em diferentes operações de serviço, buscando entender não apenas como o veículo poderia ser utilizado como locomotiva, mas também como os técnicos iriam realizar a manutenção do equipamento, como substituir as peças e como interagir com outras partes do veículo.”
O caso de segurança também abrange a necessidade de proteção física contra as condições adversas normalmente enfrentadas pelos veículos ferroviários pesados, que operam em alta velocidade e correm risco de se envolverem em acidentes graves. A Wabtec trabalhou diretamente com clientes individuais para avaliar cenários de resposta a emergências, combinando o conhecimento deles sobre tecnologia de baterias com a compreensão dos operadores sobre seu ambiente ferroviário específico. Bunce acrescenta: “Projetamos o pacote para ser robusto, com validação por meio de um grande número de testes de queda, impacto e vibração.”
Mantener a bateria em uma temperatura de operação adequada também é parte essencial da garantia de segurança, além de ser um fator importante para se obter o melhor desempenho. Para otimizar o desempenho em ambos os casos, a Wabtec investiu tempo considerável no desenvolvimento de seu próprio sistema de resfriamento personalizado. “As baterias atuais precisam de um ambiente com temperatura de operação nominal em torno de 25 graus Celsius”, afirma Bunce. “Projetamos nosso sistema de gerenciamento térmico de baterias para aquecê-las ou resfriá-las, mantendo-as nessa temperatura, utilizando uma mistura 50–50 de glicol etílico e água para proporcionar essa funcionalidade.”
O sistema, desenvolvido pela empresa irmã da Wabtec e que é uma tecnologia já existente utilizada em outras aplicações de transporte, foi adaptado para integração em um sistema de locomotivas de carga. Os conjuntos de baterias são montados diretamente em uma placa de resfriamento integrada, permitindo que o resfriamento seja fornecido de forma independente a cada conjunto individual. Os tubos e canais de resfriamento nunca entram em contato com as células da bateria ou com o sistema elétrico, garantindo que fiquem totalmente isolados, e a placa de resfriamento direciona esse arrefecimento para todas as células.
O sistema geralmente utiliza um circuito por coluna, e cada conjunto de baterias possui uma conexão de interrupção seca que permite separar os conjuntos individuais sem a necessidade de esvaziar todo o sistema de resfriamento da locomotiva. Isso permite que os engenheiros de manutenção isolem simplesmente um conjunto específico do sistema de refrigeração, o removam e o substituam, e então reconectem as linhas de refrigeração para colocar o sistema novamente em funcionamento.
Para evitar a deriva térmica – que é um dos riscos mais rigorosamente analisados em qualquer grande sistema de baterias – a equipe desenvolveu uma solução passiva no nível dos conjuntos de baterias. Bunce explica: “As locomotivas passam um tempo considerável em modo de espera ou desligado, e, em muitos casos, transportamos essas locomotivas pelo mundo todo. Nessas situações, elas não recebem energia alguma e o sistema de gerenciamento de baterias também não está em operação.
“Por essas razões, projetamos nosso sistema de forma que ele não dependesse do sistema de gerenciamento de baterias para mitigar o descontrole térmico. Os gases são direcionados por meio de um disco de ruptura e, em seguida, fluem do conjunto de baterias de maneira controlada por uma chaminé para sair do veículo. Não há propagação de um conjunto para outro, pois tudo fica contido dentro de cada conjunto de baterias individualmente. Embora o sistema de gerenciamento de baterias agregue valor durante a operação e possa reduzir os riscos dentro desse conjunto de baterias, ele não é um elemento crítico para a segurança em nossa estratégia de mitigação do descontrole térmico.”
Gerenciamento de energia
A chave para o funcionamento da locomotiva elétrica a bateria é sua capacidade de captar energia enquanto se move. É por isso que ela funciona tão bem como complemento às locomotivas diesel-elétricas em um comboio em viagens de longa distância. As locomotivas diesel-elétricas convencionais da empresa já utilizam tração em CA, na qual o freio dinâmico faz com que os motores de tração gerem energia elétrica. No entanto, o sistema tradicional simplesmente dissipa essa energia de frenagem na forma de calor por meio de grades resistivas elétricas e sopradores de resfriamento, enquanto o sistema elétrico a bateria aproveita essa energia, armazenando-a para reutilização durante a viagem.
A quantidade de benefícios que isso oferece, é claro, depende da operação específica que a locomotiva FLXdrive está realizando, e Bunce explica: “Cada rota e aplicação é diferente. O trabalho em pátios de manobras obtém grandes benefícios de regeneração devido às operações de partida e parada, mas mesmo nas aplicações de transporte de cargas pode proporcionar vantagens significativas. O peso e a velocidade do trem, além do tamanho da encosta que ele desce, afetam a quantidade de energia gerada para ser armazenada – e pode ser uma quantia considerável.”
A chave não é apenas recuperar energia; trata-se de entender e gerenciar como e quando ela deve ser armazenada ou utilizada. Isso faz com que a frenagem regenerativa faça parte de uma estratégia energética mais ampla – e a vantagem das ferrovias é que elas sempre seguem uma linha fixa ao longo de uma topografia conhecida. Reconhecendo isso, a Wabtec consegue otimizar as operações ao longo da rota e desenvolveu um sistema inteligente de gestão energética para o FLXdrive, capaz de planejar o comportamento de carregamento e descarregamento com base no que está por vir, buscando aproveitar a regeneração enquanto evita carregamentos desnecessariamente intensos.
Conhecido como FLXoptimizer, este avançado sistema de software para gestão de energia e automação foi desenvolvido especificamente para operar o FLXdrive. Atuando como um sistema de supervisão em todas as locomotivas do comboio, ele se baseia na tecnologia Trip Optimizer, amplamente comprovada pela Wabtec e utilizada em seus trens a diesel, desenvolvendo funções padrão como o controle de velocidade inteligente orientado por IA e expandindo essa lógica para gerenciar de forma inteligente a combinação híbrida de locomotivas a diesel e a bateria.
“Foi por volta de 2010 que começou o desenvolvimento do sistema de gestão de energia, e desde então ele tem sido aprimorado continuamente”, diz Bunce. “A operação de uma locomotiva FLXdrive é essencialmente idêntica à de qualquer outra locomotiva diesel-elétrica – os operadores individuais não tomam as decisões sobre a melhor forma de otimizar o consumo de combustível ou a velocidade; tudo é feito em segundo plano por meio do sistema de gestão de energia – e agora também estamos utilizando a IA de várias maneiras diferentes para otimizar ainda mais o que já conseguimos alcançar.”
“Trabalhamos com nossos clientes para entender os diferentes ambientes operacionais e quaisquer modos específicos que eles desejam, mas tudo é gerenciado por meio do sistema de gestão energética. Na verdade, mapeamos cada rota individual à medida que implementamos o sistema de gestão energética para o caso de uso específico do trem – assim, no início da viagem, sabemos exatamente o que estamos transportando, quais locomotivas temos, qual energia estamos utilizando e para onde estamos indo.”
“Usamos o sistema em configurações normais a diesel-elétricas, mas quando contamos com uma locomotiva elétrica a bateria como parte do comboio e podemos operar em modo híbrido, criamos um plano completo de carregamento e descarregamento antes mesmo do trem sair da estação. A solução de gestão de energia entende qual é o percurso, então faz-se um planejamento para garantir que a bateria nunca fique completamente vazia e que seja possível extrair o máximo de energia dela.”
Além da carga regenerativa, a locomotiva elétrica a bateria possui uma solução integrada que permite a carga por conexão elétrica estática. O sistema padrão foi adaptado de tecnologias normalmente utilizadas na indústria automotiva, e Bunce continua: “As exigências de carga variam dependendo da aplicação, do perfil operacional e da infraestrutura do cliente, e trabalhamos com cada um deles para personalizá-las conforme suas necessidades.”
“Geralmente, em operações de transporte de cargas por linha férrea, a maior parte da carga elétrica é obtida por meio do sistema de frenagem regenerativa, sempre que o terreno permite. No entanto, a carga por conexão elétrica enquanto a locomotiva está parada é útil em operações com locomotivas híbridas ou do tipo Switcher, nas quais, ao final do turno, quando a locomotiva não está em uso, ela pode ser conectada à tomada e carregada durante o período de folga. Isso é muito semelhante a um sistema de veículo elétrico, e, em alguns casos, recorremos a um fornecedor de carregamento para veículos elétricos para viabilizar isso.”
Além disso, a empresa também desenvolveu uma opção de carregamento rápido em corrente contínua específica para trens, que utiliza um pantógrafo fixo para obter energia das linhas aéreas. Atualmente, ela ainda não tem capacidade para ser usada no carregamento enquanto o trem está em movimento, mas Bunce afirma que a Wabtec “espera absolutamente ter essa capacidade” no futuro. “Nós extrairíamos energia do sistema de pantógrafo ao passarmos por baixo dele e a usaríamos para carregar as baterias enquanto estamos em movimento, além de alimentar simultaneamente o sistema de propulsão”, explica ele: “Quando não estivermos mais sob a linha aérea, usaremos as baterias para continuar avançando.”
Comparação de desempenho
A filosofia do FLXdrive era igualar, da forma mais precisa possível, o desempenho das máquinas diesel-elétricas existentes – mas não era tão simples quanto substituir o motor a diesel por uma quantidade equivalente de armazenamento em bateria. Diferentemente de uma locomotiva diesel-elétrica, na qual o motor precisa alcançar velocidade antes de oferecer sua resposta completa, os primeiros testes mostraram que a locomotiva elétrica a bateria podia responder com muita rapidez, apresentando ao operador um desafio inesperado em comparação com um produto convencional.
Os valores de desempenho e alcance variam, é claro, dependendo da rota, mas o objetivo sempre foi desenvolver uma gama de soluções adequadas para diversas aplicações. Bunce explica: “O FLXdrive Switcher foi projetado para operar por um turno completo de oito horas, com base nas exigências típicas de deslocamento dos nossos clientes. Já o FLXdrive para transporte pesado consegue transportar uma milha e meia ou mais de vagões, portanto sua capacidade de alcance é muito específica para a rota, o terreno e as condições de operação.”
“Geralmente, em uma rota montanhosa, a locomotiva utiliza energia para subir a colina e o sistema se recarrega ao descer. Uma aplicação típica de mineração, do local de extração até o porto, envolve transporte em subida em uma direção e em descida na outra – assim, aproveita-se ao máximo as características desse terreno nessa aplicação.”
A Wabtec possui pedidos para todos os tipos de operações, em todo o mundo. A Union Pacific receberá em breve quatro unidades FLXdrive Switcher para operações nos pátios na Califórnia, e a Canadian National receberá uma unidade Switcher. Na Austrália, a BHP utilizou várias unidades de transporte pesado na região mineradora de Pilbara, fazendo com que elas descessem carregadas das minas do interior até os portos costeiros, recarregando-se durante a descida.
A questão não é mais apenas se uma locomotiva elétrica a bateria pode funcionar; trata-se de como a tecnologia deve ser especificada, suportada e integrada para cada aplicação específica. O FLXdrive 2.0 continua a aprimorar esse conceito, permitindo que a tecnologia, o cliente e a infraestrutura envolvida aprendam juntos. A tecnologia ainda está em um estágio inicial de desenvolvimento, e melhorias na capacidade da bateria e na densidade energética continuarão a expandir o leque de aplicações viáveis no futuro.
No final das contas, a eletrificação total das redes ferroviárias ainda está longe de ser realidade, e embora os veículos elétricos a bateria sejam altamente adequados para algumas aplicações – especialmente no deslocamento de trens e em trabalhos nos pátios – as limitações de alcance significam que os sistemas híbridos continuarão sendo viáveis por muito tempo ainda. Em um mundo onde a sustentabilidade é uma prioridade, Bunce acredita que combustíveis alternativos também terão um papel importante ao lado do FLXdrive, com um portfólio de soluções em vez de uma única tecnologia de substituição imposta em todas as redes.
Com esse objetivo, além do desenvolvimento de seu sistema elétrico a bateria, a Wabtec já está explorando tecnologias de combustível e propulsão alternativas, como biodiesel, diesel renovável e gás natural, sendo o etanol e o hidrogênio atualmente avaliados.
“A tecnologia elétrica a bateria ainda é uma tecnologia emergente e, no final das contas, será necessário ter uma variedade de produtos para atender aos nossos clientes, incluindo combustíveis alternativos, sistemas híbridos e aplicações a bateria, todos os quais terão papel importante no futuro”, afirma Bunce. “Cada aplicação terá suas próprias exigências, mas certamente existem algumas aplicações dos clientes que se adequam perfeitamente a um futuro totalmente elétrico a bateria.”
A locomotiva FLXdrive atual é uma plataforma de desenvolvimento, e não a solução final. Os conjuntos de baterias são baseados em formatos de células que podem se beneficiar das melhorias realizadas pela indústria de baterias em geral – com maior capacidade, químicas de carregamento mais eficientes e maior densidade energética, tudo isso capaz de trazer melhorias para as locomotivas futuras. O sistema de controle também continuará a otimizar o uso da energia existente, aproveitando os avanços inevitáveis da inteligência artificial.
O que já está claro é que a tecnologia superou a questão inicial de saber se as baterias podem alimentar uma locomotiva. O desafio de engenharia agora diz respeito à escala, integração, gestão de energia e ao desenvolvimento da infraestrutura necessária para operar esse tipo de maquinário. O FLXdrive representa várias soluções para esse desafio: uma locomotiva projetada para ter aparência e funcionamento semelhantes aos equipamentos ferroviários convencionais, mas com uma abordagem fundamentalmente diferente em relação ao uso de energia para diferentes operações.
O progresso desde as primeiras aulas híbridas até as demonstrações para clientes indica como o sistema continuará evoluindo. O sistema de resfriamento já criou mais capacidade; a arquitetura de alta tensão permitiu o uso de motores de tração comprovados; a regeneração agora consegue converter energia de frenagem em energia armazenada; o software preditivo transformou uma ferrovia fixa em um mapa de energia; e todo o sistema foi desenvolvido para garantir a segurança na operação e manutenção.
O futuro das ferrovias de carga com menores emissões provavelmente não chegará por meio de uma mudança tecnológica drástica; é mais provável que surja rota por rota e aplicação por aplicação, à medida que baterias, software, sistemas de carregamento e combustíveis alternativos melhoram juntos – e Bunce conclui: “Cada rota e cada aplicação tem suas necessidades específicas, e estamos avaliando cada uma delas para determinar quais podem ser as expectativas de longo prazo.”
“A tecnologia de locomotivas elétricas a bateria ainda está nos primeiros estágios de desenvolvimento e adoção. Portanto, à medida que a capacidade das baterias melhora e nosso sistema de gestão de energia continua evoluindo, acredito que teremos níveis cada vez maiores de autonomia. Estamos constantemente analisando designs e novas tecnologias para encontrar maneiras de aumentar a densidade geral do nosso sistema – e acho que estamos apenas no início.”
Uma máquina versátil
A Wabtec trabalha com clientes individuais na América do Norte, América do Sul e Austrália para desenvolver locomotivas elétricas a bateria para diversas necessidades específicas, desde transporte local até transporte de minério em longas distâncias. Nenhum trabalho é igual nas ferrovias mundiais, por isso a Wabtec desenvolveu quatro versões básicas diferentes do seu sistema FLXdrive para atender a necessidades distintas.
Os modelos básicos foram todos projetados para operar em bitola de 1435 mm, mas cada um é adaptado para otimizar o desempenho em diferentes modos de trabalho ferroviário – incluindo operações em pátios, transporte local, operação subterrânea e transporte pesado de longa distância.
Esses modelos básicos são construídos sobre a plataforma padrão Heavy-Haul de 32 t/eixo, com energia fornecida por motores individuais a até seis eixos acionados. A frenagem regenerativa permite uma importante capacidade de reutilização de energia, além disso, há carregamento embutido em 480 V CA, com opção de carregamento rápido em DC por meio de trilhos de carregamento localizados na parte superior da locomotiva.
Transporte pesado
Trata-se da especificação de maior capacidade, projetada para uso em linhas principais. Geralmente é utilizada juntamente com outros motores diesel-elétricos em um mesmo comboio.
Potência (máxima): 3200 kW / 4360 hp
Capacidade da bateria: 7 MWh
Eixos: 6, formato Co-Co
Peso: 461 klbs / 209 t
Tamanho: L – 76 pés / 23,2 m; Largura – 10 pés / 3 m; Altura – 15,5 pés / 4,7 m
Velocidade máxima: 76 mph / 123 kph
Forte de tração
- Modo de partida: até 200 klbf / 890 kN
- Contínuo: até 155 klbf / 690 kN
- Frenagem regenerativa: até 98 klbf / 436 kN
Switcher
Esta versão de capacidade menor foi projetada para trabalhos em pátios e para serviços de transporte local e regional de curta distância.
Potência (máxima): 1700 kW / 2280 hp
Capacidade da bateria: 2,7 MWh, tempo de carga completa de 4 a 7 horas
Eixos: 6, formato Co-Co
Peso: 417 klbs / 189 t
Tamanho: L – 68 pés / 20,7 m; Largura – 10 pés / 3 m; Altura – 15,5 pés / 4,7 m
Velocidade máxima: 70 mph / 112 kph
Forte de tração
- Modo de partida: até 200 klbf / 890 kN
- Contínuo: até 155 klbf / 690 kN
Shunter
Trata-se da versão de menor capacidade desenvolvida até agora, projetada com uma plataforma diferente adequada para operação nas ferrovias da Ásia Central.
Potência (máxima): 700 kW / 940 hp
Capacidade da bateria: 1,2 MWh
Eixos: 4, formato Bo-Bo
Peso: 212 klbs / 96 t
Velocidade máxima: 70 mph / 112 kph
Forte de tração
– Modo de partida: até 83 klbf / 370 kN
Modo duplo
Foi desenvolvido especificamente para operação em ferrovias subterrâneas na Europa, com uma combinação híbrida a bordo de motor elétrico e motor elétrico alimentado por bateria.
Potência (máxima): 800–1500 kW / 1072–2010 hp (apenas bateria); 3800–5500 kW / 5095–7375 hp (elétrico + bateria)
Capacidade da bateria: 1,5 ou 2 MWh
Eixos: 6, formato Co-Co
Peso: 278 klbs / 126 t
Velocidade máxima: 70 mph / 112 kph
Esfforço de tração
– Modo de partida: até 117 klbf / 520 kN
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