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Quais são os combustíveis do futuro para máquinas agrícolas

  • 20/07/2020 |
  • Heliodoro Francisco Catalán, José Fernando Schlosser, Junior Garlet Osmari e Mateus Cassol Cella

Diferentes fontes de energia que movem motores são pesquisadas para aplicações em máquinas agrícolas e, num futuro não tão distante, podem estar presentes em motores agrícolas substituindo o óleo diesel que hoje é o principal combustível utilizado pelo se

A agricultura está em constante evolução, não se pode assegurar com certeza o futuro dos combustíveis agrícolas, mas é de extrema importância analisar o quadro que nos encontramos na atualidade, projetar ideias e analisar o quadro que se pinta a nível mundial.

No cenário brasileiro, o diesel é o único combustível utilizado em tratores, colhedoras e outras máquinas autopropelidas. Apesar de ser o mesmo óleo combustível, há um universo de aditivação e misturas. Não encontra-se para a venda comercial no varejo o óleo diesel puro, mas sim uma mistura deste com o biodiesel, na proporção crescente determinada pela Agência Nacional do Petróleo (ANP).

Atualmente é utilizado o biodiesel em mistura, um produto industrial formado a partir da transesterificação do óleo vegetal proveniente de diversas fontes renováveis que se apresenta como alternativa para a substituição do óleo mineral proveniente do petróleo. A concentração de biodiesel em mistura com o diesel puro é de 12% (B12), mas em cumprimento ao cronograma de sustentabilidade brasileiro, haverá um crescente aumento nesta concentração, de forma que em 2023 se chegará ao B15, onde haverá mistura de 15%. Mesmo que a adoção plena do biodiesel 100% esteja distante de ser uma realidade, a maioria das empresas que produzem máquinas agrícolas autopropelidas é compatível com esta proporção por questões econômicas e logísticas da matriz energética.

ÓLEO DIESEL

O S-500 é o combustível diesel de menor especificação e, quanto ao enxofre, tem concentração máxima em 500ppm. É o óleo diesel mais comum e que serve a grande maioria dos veículos agrícolas e urbanos de tecnologia menos recente. O diesel classificado como S-10, é aquele óleo combustível que apresenta teor máximo de enxofre de 10ppm, e dirige-se principalmente aos motores que pelo sistema de controle de poluição exigem esta especificação. Pela pureza, provoca uma diminuição de material particulado (carbono) e NOx nos gases de descarga, atendendo padrões de qualidade exigidos pelas normas de controle de emissões. Os dois combustíveis são diferenciados comercialmente pelo corante que é colocado, sendo o S10 de cor amarela e o S500 de cor avermelhada, para o cumprimento da regulamentação estabelecida pela Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis.

O tradicional óleo diesel também evoluiu e agora ganha o reforço da mistura do biodiesel
O tradicional óleo diesel também evoluiu e agora ganha o reforço da mistura do biodiesel

Existem também tipos de diesel de melhor qualidade, recomendados para veículos leves e com alta tecnologia, recebendo denominações comerciais como Máster, Podium etc. Este diesel utiliza matéria-prima de melhor qualidade e aditivação especial, que garantem pureza para ser utilizado em sistemas de injeção de precisão, principalmente automóveis e caminhonetes com sistemas eletrônicos e de alto desempenho. Além disso, o manuseio deste produto desde o processo de formação até a distribuição é feito com procedimentos que garantem a entrega ao usuário de um produto Premium.

Embora haja divergência entre os fabricantes de máquinas e motores, a maioria recomenda o S10 para aqueles motores de veículos agrícolas com tecnologia de diminuição de emissões e o S500 para os demais veículos fabricados antes da vigência da norma. Veículos que utilizam filtro de partículas e tecnologia SCR (Redução Catalítica Seletiva) devem obrigatoriamente utilizar o S10.

Estudos realizados pelo IFO da Alemanha concluíram que o automóvel elétrico Tesla Classe 3 é mais contaminante que outro movido por um motor moderno Diesel Euro 6
Estudos realizados pelo IFO da Alemanha concluíram que o automóvel elétrico Tesla Classe 3 é mais contaminante que outro movido por um motor moderno Diesel Euro 6

Novos combustíveis, que venham a modificar este modal, substituindo o diesel convencional e mesmo as crescentes misturas, ainda estão no âmbito da experiência científica e tecnológica e do marketing comercial. Comercialmente a oferta ainda não se consolidou, porém, pode-se afirmar, com convicção, que as diversas empresas de máquinas, mesmo com o combustível tradicional, estão oferecendo produtos com maior economia de combustível, principalmente com a recente introdução de sistemas eletrônicos de injeção de combustíveis em motores agrícolas. Embora o termo motor eletrônico tenha se popularizado, na verdade os motores continuam com a mesma constituição mecânica, mas agregados com uma tecnologia de injeção de combustível com apoio na eletrônica, por isto é mais adequado chamá-los de motores com injeção eletrônica e não de motores eletrônicos. Afora isto, várias propostas têm sido apresentadas no mercado, e há atualmente uma luta de marketing para ver quem tem ideias mais criativas sobre o tema, liderada por países mais desenvolvidos que já possuem produtos comerciais com combustíveis alternativos.

Projetos da John Deere e Fendt com motores elétricos
Projetos da John Deere e Fendt com motores elétricos

NOVAS FONTES DE ENERGIA

Sabe-se que as grandes marcas de veículos agrícolas no Brasil estão atentas ao momento de introduzir novas fontes de energia para as operações agrícolas, dentre elas a energia elétrica, a tecnologia híbrida diesel-elétrica, combustíveis como as células de hidrogênio, o gás natural, o biogás e o biometano, aproveitando estudos e desenvolvimentos das empresas matrizes e que na maioria das vezes são geradoras de pesquisas e novos produtos. No que se refere à alternativa elétrica, que deslumbra a sociedade por meios de marketing e divulgação, devemos estar atentos às contrapartidas.

No momento, a eletricidade é somente um “vetor energético”. Isto significa que uma bateria não é uma fonte de energia, e sim um acumulador de energia. Para verdadeiramente valorizar um “vetor energético”, devemos analisar o ciclo como um todo, do princípio ao fim, sendo então importante considerar as emissões de CO2 produzidas na fabricação de baterias ou dos motores elétricos, e a necessidade de elementos indispensáveis na sua fabricação (lítio, cobalto, níquel) e que, em grande parte, são provenientes de países com direitos trabalhistas precários, anos-luz atrás dos preconizados pelo mundo ocidental.

Em uma análise recente de um estudo de abril de 2019 publicado pelo IFO alemão (Institute Centre for Economic Studies, CESifo GmbH), e realizado por uma equipe liderada pelo professor doutor Hans Werner Sinn, foi concluído que um automóvel elétrico Tesla Classe 3 é mais contaminante que outro movido por um motor moderno Diesel Euro 6, utilizando na comparação o mix energético alemão e utilizando emissão de CO2 em toda a vida útil. No momento, pensar em um trator movido totalmente por eletricidade é uma utopia, entretanto, não o será em poucos anos, visto que já existem tratores elétricos funcionando. Todavia, a grande maioria está sendo usada em instalações pecuárias, serviços públicos etc., isto é, em que os trabalhos podem ser realizados com uma rotina previsível, com tempo suficiente para a recarga e com uma demanda de potência relativamente baixa, o que demonstra que o trator elétrico da forma como tem sido apresentado ainda está muito imaturo. Para tornar a eletricidade uma alternativa viável, é necessário melhorar questões como o tempo de reabastecimento e a autonomia ou vida útil das baterias que, pelo menos, deveriam igualar-se à vida do próprio veículo, e com preços razoáveis.

TRATORES ELÉTRICOS

Os exemplos mais populares de tratores elétricos são o John Deere Sesam (Suministro de Energía Sostenible para la Maquinaria Agrícola) e o Fendt e100 Vario. O Sesam é um projeto da John Deere, com apoio financeiro de governo alemão e desenvolvimento entre a Universidade de Kaiserlautern e a engenharia da John Deere de Mannheim, baseado na série 6R, oferecendo uma potência de 300kW proporcionada por dois motores elétricos de 150kW cada um e uma transmissão DirectDrive. No qual, um motor é utilizado para acionar a esteira que movimenta o veículo e proporciona a tração e o outro para a tomada de potência, acionamento hidráulico e sistemas auxiliares, alcançando o tempo de carga da bateria de três horas e a vida útil das baterias de aproximadamente três mil ciclos de carga e a autonomia de aproximadamente quatro horas no trabalho de transporte ou de tração de equipamentos.

O Fendt e100 Vario é um trator compacto de 50kW (até 150kW para uso instantâneo) e com transmissão CVT Vario, necessita somente de 40 minutos para alcançar 80% da bateria, com a necessidade de uma tomada convencional tipo 2, mas também dispõe de um cabo de carga para tomadas de 400 Volts e 32 Amperes e admite qualquer implemento, seja com acionamento elétrico ou hidráulico ou mecânico à TDP.

TECNOLOGIA HÍBRIDA

No tocante à tecnologia híbrida diesel-elétrica, defendida por muitos especialistas, um motor diesel é conectado a um gerador para proporcionar a eletricidade necessária, tanto aos componentes de potência como os sistemas auxiliares. O sistema híbrido oferece vantagens inclusive em relação ao sistema mecânico convencional, por exemplo, ao usar apenas o motor elétrico e as cargas da bateria quando o trator estiver parado, em marcha lenta ou alimentar o condicionador de ar, possibilitando a eliminação de baterias convencionais e o motor de arranque. Com este sistema é possível prescindir da embreagem e os custos de manutenção relacionados, já que é possível colocar o trator em movimento com o motor elétrico, visto que este pode dispor do torque máximo desde o início e depois conectar o motor térmico.

CÉLULAS DE HIDROGÊNIO

Já as células de hidrogênio são geradoras de eletricidade com base em processos químicos combinando hidrogênio e oxigênio. Convém esclarecer que uma célula de combustível não é uma bateria, pois, ainda que produza corrente elétrica, não se descarrega enquanto se dispõe do combustível, hidrogênio. É uma alternativa que vem ganhando destaque no cenário energético devido ao fato de produzir energia renovável e limpa, não tóxica, que produz pouco ou nenhum impacto ambiental, que possui a maior relação energia/peso de todos os combustíveis que têm sido adotados, pode ser transportada a longas distâncias na fase gasosa ou na fase líquida, pode ser acumulada e armazenada em grandes quantidades, e ser utilizada em uma ampla variedade de sistemas como combustível diretamente em motores “convencionais”, mas também em motores rotativos (Wankel) ou em células de combustível para alimentar um motor elétrico.

Os motores de combustão interna utilizados com hidrogênio são quase idênticos aos motores de ignição por faísca, visto que o hidrogênio tem um alto número de octanos. Quanto ao motor rotativo, este também aceita muito bem o hidrogênio, pois não costuma dar problemas de autoignição pela própria geometria (relação volume/superfície) da câmara de combustão. Em ambos os motores, ainda que em maior proporção no motor Wankel, se chega a pulverizar água ao mesmo tempo que se injeta o hidrogênio, pois assim, ao evaporar-se com a explosão, a pressão aumenta.

Entretanto, apesar de todas as vantagens apresentadas, a maior dificuldade das células de combustível é a obtenção do hidrogênio, pois esse não se encontra de forma livre na Terra, sendo necessária sua produção a partir do gás natural, álcool (etanol ou metanol), do biogás ou pelo processo de eletrólise.

Um exemplo seria a unidade HGS (Hydrogen Generating System) presente em alguns caminhões ou ônibus. No qual, um depósito com água destilada que vai se convertendo em hidrogênio mediante eletrólise. Nestes veículos, o hidrogênio, misturado com o ar, é injetado no motor fazendo a combustão com o óleo diesel, podendo fazer 5.000km ou 100 horas de trabalho com apenas dois litros de água, a vantagem é uma combustão mais potente e uma marcante redução do consumo de combustível principal.

BIOGÁS

Outra alternativa em questão é o biogás, bastante popular na agricultura, gerado a partir da fermentação de biomassa formada em grande parte por metano, gás proveniente da fermentação de dejetos animais e vegetais tratados pela tecnologia de biodigestão. A produção de biogás, para seu uso em cogeneração, pode ser realizada com a pureza habitual de metano (CH4) presente na proporção de 60%-70% do total. Para o uso em motores de combustão se necessita uma pureza maior, aproximadamente um mínimo de 97% de CH4. Nas experiências concretas, os tratores o carregam em depósitos submetidos a uma pressão de aproximadamente 200bar.

A) Motor rotativo (Wankel), e B) unidade HGS (Hydrogen Generating System)
A) Motor rotativo (Wankel), e B) unidade HGS (Hydrogen Generating System)

O motor movido a biogás produz bem menos emissões que um motor diesel normal, chegando a até 80% menos. Além de um catalisador de três vias garantir a conformidade total com as normas mais restritivas, sem necessidade de recorrer aos sistemas pós-tratamento adicionais. Dentre os vários fabricantes que estão desenvolvendo seus produtos para poder usar o biogás enriquecido, se destacam as marcas Valtra e New Holland.

A Valtra desde 2013 dispõe de uma série de tratores com biogás. Em 2010 apresentou um protótipo baseado no seu modelo N101 com motor de quatro cilindros e em 2011 apresentou outro baseado na série T.

A New Holland dispõe de um programa, Clean Energy Leader, de pesquisa tecnológica para o uso de novas fontes de energia para os tratores. Em 2013 apresentou a primeira geração de trator movido a metano baseado em um T6 e em 2015 a segunda geração. Em várias feiras internacionais (Agritechnica, Sima, Eima, Agrishow, Farm Progress, Obihiro etc.) foi apresentado um protótipo operacional, T6180 Methane Power, com motor de seis cilindros. A capacidade de gás deste modelo é de 460 litros (190 litros em depósitos laterais e 270 litros na parte dianteira) que lhe proporciona para trabalhos pesados uma autonomia de até sete horas. Já o gás natural, amplamente utilizado e difundido em automóveis no Brasil, trata-se de um combustível menos contaminante que o óleo diesel. Além disso é, igual comparativamente em equivalência energética, menos custoso que o óleo diesel (até 1/3 menos).

Tanto no caso do biogás como no gás natural é interessante que ambos os combustíveis funcionem em conjunto com o óleo diesel, isto é, o motor pode funcionar somente com um ou com a mistura de dois combustíveis. No caso em que o motor utilize os dois combustíveis ao mesmo tempo, estes devem ser introduzidos juntos na câmara de combustão. O biogás ou o gás natural é introduzido na linha de ar passando por uma válvula dosadora enquanto o óleo diesel é introduzido nos cilindros através dos condutores de injeção convencional. Trata-se de motores com o mesmo rendimento que a versão diesel; compatíveis com GNC (Gás Natural Comprimido), GNL (Gás Natural Líquido) e biometano.

Protótipo da Kubota movido 100% a eletricidade
Protótipo da Kubota movido 100% a eletricidade

Dentro da esfera das misturas, o composto diesel/etanol também é uma possibilidade que vem sendo desenvolvida. Em 2012, a AGCO tornou público o desenvolvimento de um motor flex para tratores, colhedoras e pulverizadores, possibilitando uso de diesel e etanol.

Heliodoro Francisco Catalán José Fernando Schlosser Junior Garlet Osmari Mateus Cassol Cella, UFSM

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