O carro que “não gasta energia”: um eixo motor e o outro, gerador

COLUNA MECÂNICA ONLINE®: O carro que “não gasta energia”: um eixo motor e o outro, gerador

Usar um eixo para movimentar o veículo e o outro para gerar eletricidade parece criar um carro capaz de recarregar a própria bateria enquanto roda. A ideia é sedutora, mas esconde uma pergunta fundamental: de onde vem a energia que movimenta o gerador?

Imagine a seguinte arquitetura: um automóvel elétrico possui um motor ligado ao eixo dianteiro, responsável por movimentar o veículo, enquanto o eixo traseiro é conectado a um segundo motor elétrico funcionando permanentemente como gerador.

A bateria alimenta o motor dianteiro. O carro começa a andar. As rodas traseiras também giram e movimentam o gerador. A eletricidade produzida atrás retorna para a bateria. À primeira vista, a lógica parece impecável.

Se o motor dianteiro retira energia da bateria e o gerador traseiro consegue devolver parte — ou talvez quase toda — essa eletricidade, seria possível imaginar um automóvel cuja bateria demorasse muito mais para descarregar.

Levando o raciocínio ao extremo, poderíamos chegar ao fascinante “carro que não gasta energia”.

Mas existe uma peça faltando nessa conta.

O eixo traseiro não está girando de graça

Enquanto as rodas traseiras simplesmente acompanham o movimento do veículo, elas apresentam principalmente as perdas normais associadas aos pneus, rolamentos e demais componentes mecânicos.

A situação muda quando conectamos essas rodas a um gerador e começamos a exigir eletricidade dele.

Para gerar corrente elétrica é necessário aplicar torque mecânico ao gerador.

E aparece uma consequência fundamental do eletromagnetismo: ao produzir eletricidade, a máquina elétrica desenvolve um torque resistente, contrário ao movimento que a está acionando.

Em linguagem simples, o gerador passa a funcionar como um freio.

Quanto mais eletricidade tentamos retirar dele, maior tende a ser o esforço necessário para mantê-lo girando.

Portanto, o motor dianteiro deixa de ter apenas a missão de vencer resistência aerodinâmica, resistência ao rolamento, inclinações e demais perdas naturais do deslocamento.

Ele também precisa vencer a resistência criada pelo gerador traseiro.

É justamente nesse ponto que o suposto ganho desaparece.

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Para gerar 10 kW atrás, alguém precisa fornecer essa potência

Vamos utilizar um exemplo simplificado. Imagine que, mantendo determinada velocidade, o automóvel precise de 20 kW de potência mecânica nas rodas para vencer o ar, o atrito dos pneus e todas as demais resistências ao movimento.

Agora ligamos o gerador traseiro e exigimos dele o equivalente a 10 kW de potência mecânica.

O eixo dianteiro passa a precisar fornecer aproximadamente os 20 kW necessários para movimentar o automóvel mais os 10 kW exigidos pelo gerador.

A necessidade mecânica sobe para perto de 30 kW. Se todo o processo fosse perfeito, os mesmos 10 kW retirados pelo gerador poderiam voltar integralmente para a bateria.

Mas nenhuma conversão real possui 100% de eficiência.

Existem perdas no motor dianteiro, no inversor, nos cabos, no gerador traseiro, novamente na eletrônica de potência e finalmente no processo de carregamento da bateria.

Suponhamos, apenas para facilitar o raciocínio, que dos 10 kW mecânicos retirados pelo gerador somente 8 kW consigam efetivamente retornar à bateria.

O motor precisou fornecer os 10 kW adicionais, mas a bateria recebeu apenas 8 kW de volta.

Os 2 kW restantes não desapareceram. Foram transformados principalmente em calor.

E ainda existem as perdas do próprio sistema de tração dianteiro.

Quanto mais energia tentarmos circular artificialmente dentro desse ciclo, mais oportunidades criamos para perdê-la.

Então bastaria construir motores e geradores mais eficientes?

Mesmo que conseguíssemos equipamentos extraordinariamente eficientes, ainda enfrentaríamos o mesmo problema.

Imagine uma máquina capaz de devolver 99% da energia recebida.

Ainda perderíamos 1%.

Depois de vários ciclos, essas pequenas perdas continuariam sendo acumuladas.

Para o sistema funcionar indefinidamente sem receber energia externa, seria necessário recuperar 100% de tudo o que foi gasto — inclusive a energia perdida pela resistência do ar, deformação dos pneus, rolamentos, aquecimento dos componentes e sistemas auxiliares.

Isso entraria em conflito com princípios fundamentais da termodinâmica.

A Primeira Lei da Termodinâmica determina que energia não pode ser criada do nada.

A Segunda Lei explica por que as transformações reais de energia inevitavelmente envolvem irreversibilidades e perdas de energia útil, normalmente convertidas em calor.

Por isso, um automóvel capaz de alimentar integralmente a própria propulsão usando apenas um gerador movimentado por suas próprias rodas seria, na prática, uma variação da antiga ideia de movimento perpétuo.

E movimento perpétuo continua pertencendo ao campo das impossibilidades físicas.

Mas o carro elétrico realmente recarrega enquanto anda

Aqui aparece a parte interessante. Um veículo elétrico pode efetivamente produzir eletricidade enquanto está em movimento.

E faz isso todos os dias. É a chamada frenagem regenerativa. A diferença está na origem da energia.

Quando aceleramos um veículo, fornecemos energia para aumentar sua velocidade. Parte dessa energia fica armazenada na forma de energia cinética.

Quando chega o momento de diminuir a velocidade, essa energia precisa ir para algum lugar.

Em um automóvel convencional, os freios por atrito transformam grande parte dela em calor nos discos e pastilhas.

O carro elétrico possui uma alternativa.

Durante a desaceleração, o motor pode mudar sua função e trabalhar como gerador. As rodas passam a movimentar a máquina elétrica, que transforma parte da energia cinética do carro novamente em eletricidade e a envia para a bateria.

Agora existe uma diferença fundamental: o veículo precisava diminuir de velocidade de qualquer maneira.

O efeito de frenagem provocado pelo gerador deixou de ser um problema e passou a ser exatamente aquilo que desejamos.

A energia que seria desperdiçada nos freios passa a ser parcialmente recuperada.

Regenerar não significa criar energia

Essa distinção é decisiva. Na regeneração, o carro não está produzindo uma energia nova. Está recuperando parte de uma energia que já havia sido utilizada anteriormente para acelerá-lo.

O mesmo raciocínio vale para uma descida.

Quando um elétrico desce uma serra utilizando regeneração e aumenta a carga da bateria, pode parecer que está produzindo energia gratuitamente.

Não está.

A fonte naquele momento é a energia potencial gravitacional associada à diferença de altitude. A gravidade movimenta o veículo ladeira abaixo e parte dessa energia pode ser transformada em eletricidade.

Em algum momento, entretanto, foi necessário elevar aquele automóvel até uma altitude maior. A conta energética continua existindo.

Quanto a frenagem regenerativa realmente recupera?

Aqui é preciso tomar cuidado com percentuais apresentados isoladamente. Não existe um número único dizendo que todo elétrico recupera determinada porcentagem da energia durante a frenagem.

A quantidade efetivamente recuperada depende da velocidade, intensidade da desaceleração, capacidade do motor-gerador, potência máxima aceita pela bateria, temperatura, estado de carga e estratégia eletrônica do veículo.

Quando a bateria está muito carregada, por exemplo, o automóvel pode limitar a regeneração.

Em uma frenagem muito intensa, o sistema elétrico pode não conseguir produzir sozinho toda a desaceleração necessária, exigindo a participação dos freios por atrito.

E em velocidades muito baixas a capacidade regenerativa também diminui.

Como referência, o Departamento de Energia dos Estados Unidos estima que, no ciclo combinado utilizado pela EPA, um veículo elétrico típico consegue recuperar aproximadamente 22% da energia de forma líquida por meio da frenagem regenerativa. O mesmo estudo aponta eficiência energética global entre aproximadamente 87% e 91% quando essa recuperação é considerada. (The Department of Energy’s Energy.gov)

Isso não significa que somente 22% da energia disponível em uma determinada frenagem possa ser convertida. O número representa o impacto líquido da regeneração dentro daquele ciclo completo de utilização.

Por isso é perigoso dizer simplesmente que “um elétrico recupera 60%, 70% ou 80% da energia”.

A pergunta correta é: 60% ou 70% de qual energia, medida em qual ponto e sob quais condições?

Por que a regeneração funciona melhor na cidade?

A própria natureza do trânsito urbano favorece esse sistema.

Em uma estrada com velocidade praticamente constante, há poucas oportunidades para recuperar energia porque o automóvel precisa continuar se deslocando.

Já no trânsito urbano existem acelerações e desacelerações frequentes.

Cada vez que o motorista reduz a velocidade, surge uma nova oportunidade para transformar parte da energia cinética em eletricidade.

O Departamento de Energia dos Estados Unidos destaca justamente que veículos elétricos tendem a aproveitar melhor a regeneração em condições urbanas, nas quais as paradas são mais frequentes. (Dados de Combustíveis Alternativos)

É uma situação curiosa porque automóveis tradicionais costumam sofrer bastante no anda-e-para das cidades, enquanto os elétricos conseguem transformar parte dessas desacelerações em oportunidade de recuperação energética.

E se colocarmos um gerador apenas nas rodas que não tracionam?

Isso não muda a física. Pode parecer que as rodas traseiras de um carro com tração dianteira possuam energia disponível simplesmente porque estão girando.

Mas elas estão girando porque o restante do veículo está puxando essas rodas pela estrada.

A energia necessária para movimentá-las veio originalmente do motor dianteiro.

Ao adicionar carga elétrica ao eixo traseiro, aumentamos a força necessária para puxá-lo.

É semelhante a pedalar uma bicicleta com um dínamo. Quando o dínamo está praticamente sem carga, pedalar é relativamente fácil.

Quando ele começa a fornecer energia para um equipamento, aparece uma resistência perceptível.

A eletricidade não surgiu do movimento gratuitamente. Ela veio do esforço adicional aplicado pelo ciclista.

No automóvel acontece exatamente o mesmo fenômeno, apenas em escala muito maior e com sistemas eletrônicos muito mais sofisticados.

O segredo é recuperar energia quando precisamos perdê-la

Esse é talvez o aspecto mais elegante da frenagem regenerativa. A engenharia não encontrou uma maneira de criar energia. Encontrou uma maneira extremamente inteligente de desperdiçar menos.

Nos freios convencionais, reduzir a velocidade significa deliberadamente transformar energia mecânica em calor.

No sistema regenerativo, uma parcela dessa energia consegue fazer um caminho diferente:

movimento → eletricidade → bateria → movimento novamente.

Cada uma dessas transformações possui perdas.

Mesmo assim, recuperar parte da energia é muito melhor do que transformá-la integralmente em calor nos freios.

Essa é a diferença entre eficiência energética e movimento perpétuo.

O carro que recarrega enquanto anda precisaria receber energia de algum lugar

Existe uma forma de fazer um veículo ganhar energia enquanto continua trafegando em velocidade constante: fornecer energia externa a ele.

Ela pode vir de uma rede elétrica, de recarga por indução incorporada à pista, de painéis solares, de um motor a combustão funcionando como gerador ou de qualquer outra fonte externa ao ciclo fechado entre rodas e bateria.

Nesse caso não existe paradoxo.

A energia adicional possui uma origem identificável.

O problema surge somente quando imaginamos que o próprio deslocamento do veículo poderia fornecer toda a energia necessária para continuar produzindo esse deslocamento indefinidamente.

Não pode.

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Frenagem regenerativa: Sistema no qual o motor elétrico passa a funcionar como gerador durante a desaceleração, transformando parte da energia cinética do veículo em eletricidade armazenada novamente na bateria.

Energia cinética: Energia associada ao movimento de um corpo. Quanto maiores a massa e a velocidade do automóvel, maior a energia que precisa ser retirada para fazê-lo diminuir de velocidade.

Torque resistente: Força de rotação contrária ao movimento produzida quando um gerador elétrico é submetido a uma carga. É justamente essa reação que faz a geração de eletricidade exigir esforço mecânico.

Lei de Lenz: Princípio do eletromagnetismo segundo o qual a corrente induzida produz efeitos que se opõem à variação que a originou. Ajuda a compreender por que um gerador carregado oferece resistência ao movimento.

Eficiência energética: Relação entre a energia útil obtida e aquela fornecida ao sistema. Nenhum motor, inversor, bateria ou gerador real converte 100% da energia recebida em energia útil.

Energia potencial gravitacional: Energia associada à posição de um objeto em relação à altura. Em uma descida, parte dessa energia pode ser convertida em movimento e recuperada pela frenagem regenerativa.

Movimento perpétuo: Conceito hipotético de uma máquina capaz de funcionar indefinidamente sem receber energia externa. Uma máquina real desse tipo é incompatível com as leis da termodinâmica.

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