A troca de baterias utiliza menos baterias do que você imagina

O motor primário Janus Electric utilizado pela OZ Minerals. Foto cortesia da Qube.

Apoie o trabalho da CleanTechnica por meio de assinatura no Substack, no Patreon ou na Stripe. Ajude-nos a produzir todo o conteúdo original e de alta qualidade que publicamos semana após semana, apesar dos desafios impostos pela inteligência artificial voltada para a extração de conteúdo, das redes sociais antissociais, da inflação e de outros obstáculos.

Há algum tempo, quando escrevi um artigo sobre a Janus Electric, uma empresa de caminhões elétricos na Austrália que oferece conversões semi-elétricas a diesel e sistema de troca de baterias, guardei essa informação na memória, até que encontrei uma entrevista com o CEO da Janus, Ben Hutt. O entrevistador perguntou qual era o custo adicional das baterias para operar os caminhões como frota no modo de troca. Ele respondeu que era de cerca de 30%. A Janus certamente sabe disso, já que cria e opera corredores de transporte para caminhões pesados. Acontece que eu já havia feito cálculos há muito tempo, mostrando como esse truque inteligente funciona.

No início, ao analisar as operações de troca de caminhões, utilizei o conceito de transação de carregamento unitário, que é o elemento mais básico para a recarga das baterias. Com o tempo, criei ilustrações de transações unitárias para mostrar como elas funcionam e como essas células se expandem. Se uma imagem vale mil palavras, ela também é uma ótima maneira de compreender como algo funciona e de representar matematicamente esses processos. Quando encontrei a citação do CEO da Janus, lembrei imediatamente de um conceito que abordei em um pequeno artigo intitulado “EV Station & Charger Planning”. Vamos ilustrar comparando a transação unitária mais simples e como ela se expande. Trata-se de uma análise sem necessidade de espera, na qual cada expansão ocorre por meio da sobreposição de métodos. Vamos fazer isso com imagens. Assim é que uma transação unitária se parece:

Para que as transações unitárias possam percorrer distâncias maiores, podemos utilizar o que chamo de organização em cadeia. Ao iniciar cada caminhão no intervalo adequado, todos eles são dispostos de forma que haja sempre um caminhão a caminho entre as estações. Chamo isso de organização em cadeia porque se assemelha a uma cadeia: há apenas um caminhão entre as estações de troca com bateria móvel, e uma bateria de troca na estação sendo carregada lentamente. Podemos ilustrar isso conectando as transações unitárias entre si — veja a Figura 2.

Observe que esse conceito funciona em ambas as direções. Podemos inverter a imagem, mostrando caminhões indo no sentido oposto. É fácil entender como podemos criar um sistema de estações que conecte dois pontos finais a qualquer distância arbitrária. A proporção entre baterias, caminhões e estações é a mesma da transação unitária. Você pode chamar isso de ciclo em cadeia. Faz sentido, pois os caminhões estão sempre indo do ponto de coleta ao destino e de volta. Veja como é fácil determinar a escala na Figura 3?

Se as partidas dos veículos forem agendadas de forma sequencial, poderemos ter apenas um caminhão em trânsito, com uma bateria de substituição em cada estação. Dessa maneira, podemos organizar as partidas de modo que um caminhão esteja sempre a caminho da próxima estação, garantindo sempre uma bateria móvel e uma de substituição para cada caminhão. A escalação é simples.

Em seguida, podemos utilizar o método de preenchimento da rota. Em vez de um caminhão entre as estações, escolhemos um número diferente para os caminhões em trânsito. Se escolhermos três, haverá sempre três caminhões com baterias móveis e uma bateria de substituição. No intervalo entre os caminhões em rota, o conjunto de baterias pode ser carregado, e então o caminhão recebe um novo conjunto enquanto deixa outro para ser carregado. Isso minimiza o número de baterias utilizadas e a demanda máxima de energia. É aqui que vemos como o Janus pode ter uma sobrecarga de baterias de apenas 33% para substituição, com três caminhões em rota, conforme ilustrado na Figura 4.

O artigo mostra como os envios de caminhões podem aumentar em intervalos, com mais de um caminhão sendo enviado ao mesmo tempo. O volume de carga das frotas pode ser ampliado de maneira programada por meio disso. O efeito de várias partidas simultâneas é mostrado na Figura 5.

As baterias podem ser trocadas em 4 minutos, e as chegadas serão atendidas de acordo. Na prática, por exemplo, em um grupo de quatro caminhões, todos são atendidos em 16 minutos, e quaisquer trocas subsequentes não causarão espera, já que as chegadas ocorrem a cada 4 minutos. O intervalo de tempo entre esses grupos de caminhões pode ser maior que o tempo necessário para trocar as baterias.

O tamanho das baterias móveis pode ser reduzido para aumentar a capacidade de carga. Como isso funciona é mostrado na ilustração. As estações localizadas a intervalos de metade da distância reduzem o tamanho da bateria para metade. A quantidade total de bateria do sistema permanece a mesma, mas o tamanho da bateria móvel é reduzido pela metade e a capacidade de carga do caminhão aumenta, conforme mostrado na Figura 6.

Por fim, os conceitos de transação por unidade permitem mostrar e comparar facilmente a demanda máxima de energia e os requisitos energéticos dos sistemas. A análise gráfica demonstra como funciona a troca de baterias, como ela se expande conforme as necessidades exigem, e como minimizar a demanda máxima de energia da rede e os custos operacionais das estações de troca de forma flexível e previsível.

Conclusão

As ilustrações de transações unitárias são uma maneira útil de visualizar as necessidades de recarga das baterias dos veículos elétricos. Os caminhões podem operar com uma infraestrutura de troca de baterias tão reduzida quanto um terço da quantidade de baterias que possuem. As ilustrações gráficas mostram facilmente como as operações do sistema de frete podem minimizar a demanda por energia na rede em horários de pico, as necessidades de baterias e os custos de capital do sistema, utilizando conceitos como organização da partida das viagens, preenchimento de rotas e múltiplas partidas. Essas ilustrações facilitam o planejamento das operações iniciais e da expansão, além da análise dos custos de capital e operacionais. Nos sistemas de frete elétrico, vale a pena organizar e coordenar os envios em uma cadeia contínua, adequada aos corredores de frete entre portos e grandes armazéns, minas e outros destinos concentrados nesses corredores. Não é necessário ter uma bateria de troca para cada caminhão. Ao utilizar o preenchimento de rotas, a infraestrutura de baterias do sistema...

As necessidades de energia podem ser reduzidas a uma fração das exigências da bateria dos dispositivos móveis. Ilustrações adicionais podem mostrar como outras estratégias se adaptam às necessidades de transporte do armazém para os centros de varejo, e como a granularidade do sistema se ajusta às necessidades de entrega local em cada nível e distância da rota. Existem ainda outros conceitos a serem explorados para as operações de estações remotas.