A eletroquímica é para todos

Vamos falar sobre eletroquímica.

Pode não ser ciência de foguetes, mas pode soar muito intimidante. A eletroquímica é a força vital de tanta tecnologia que usamos e dependemos todos os dias. Tudo, desde um sensor de glicose no sangue até detectores de contaminação da água e até mesmo a galvanização do aço, é trazido a você por eletroquímica. Reações eletroquímicas potencializam tudo o que é executado em uma bateria também-seja seu smartphone ou um veículo elétrico.

A tecnologia de íon-lítio para baterias de veículos elétricos que usamos agora foram desenvolvidas primeiramente a partir de baterias recarregáveis usadas em eletrônica pessoal. Desde então, eles evoluíram em grande escala e agora são capazes de abastecer máquinas enormes, como veículos rodoviários e fora de estrada.
Se você está interessado ou envolvido em eletrificação, ou apenas está curioso sobre por que sua tecnologia diária funciona, é importante entender como as baterias funcionam por meio da eletroquímica.

Não é Ionic?

Pacotes de bateria que potencializam a tecnologia em larga escala são feitos de células individuais da bateria. Cada célula armazena energia por meio de produtos químicos. Cada célula tem dois terminais opostos: o ânodo e o cátodo. O entorno dos dois terminais é o eletrólito: um líquido condutivo que facilita o fluxo de íons entre o ânodo e o cátodo.

Para contextualizar, daremos uma olhada na ciência por trás de uma bateria de íon-lítio. A maioria dos veículos elétricos são movidos a baterias de íon-lítio. Uma bateria de íon-lítio armazena íons de lítio carregados positivamente, tanto no anodo quanto no cátodo, dependendo do seu estado carregado. Quando uma bateria de íon-lítio está totalmente carregada, ela tem a maioria de seus íons de lítio armazenados no anode (negativo).

Para criar eletricidade, o eletrólito ajuda a íons de lítio carregados positivamente a se deslocarem do ânodo ao fluxo de elétrons e cátodo na direção inversa por meio de um circuito externo. Isso produz eletricidade quando os íons de lítio interagem com os terminais em uma reação química chamada reação de redução de oxidação (redox). Em uma reação redox, um átomo desiste de um elétron e o outro átomo o aceita.

Os terminais são separados por um separador, que é feito de um polímero não-condutivo que é ionicamente condutivo para permitir que os li-ions passem, mas é isolante eletricamente para evitar curtos-circuitos elétricos.

Electrochemistry information

Nós temos a potência.

Então, agora temos energia elétrica. Mas como aproveitá-la para alimentar nossos telefones, computadores, veículos e muito mais?

Primeiro, os terminais estão conectados a um condutor de elétrons externo, permitindo que os elétrons fluam do ânodo ao cátodo. Lembre-se, este movimento de elétrons é eletricidade. A eletricidade que passa pelo condutor pode ser interceptada e usada para fazer muitas coisas. Por exemplo, em um motor elétrico, o motor está conectado ao condutor externo, sentado entre o ânodo e o cátodo. A eletricidade alimenta o motor, e os elétrons retornam ao cátodo, completando o circuito.

A diferença de potencial entre extremidades positivas e negativas de uma célula (terminais) também é conhecida como tensão. Também olhamos para a corrente, qual é a taxa na qual os elétrons fluem pelo circuito. Quanto maior a tensão, e quanto maior a corrente, mais potência a bateria pode fornecer. Muitas vezes, um dispositivo maior, como um carro ou caminhão, usará uma bateria com alta tensão e alta corrente para fornecer a potência para conduzir as rodas. Com baterias suficientes, podemos usar a eletroquímica para aproveitar a eletricidade necessária para acionar dispositivos de todas as formas e tamanhos, desde controles remotos até grandes escavadeiras fora de estrada.

A energia eletrificada é uma solução promissora para uma série de desafios no transporte. Os veículos totalmente elétricos produzem zero emissões de escape, criando ar mais limpo e um ambiente mais saudável. Os veículos elétricos também exigem menos manutenção e podem ser equipados com recursos de telemática e relatórios avançados. Em seu estado atual, a energia eletrificada provou ser uma solução promissora para o transporte urbano, veículos de entrega, carros de passageiros e muito mais.

Graças aos avanços na tecnologia da bateria, a Cummins está avançando na expansão de suas ofertas de energia eletrificadas, que se beneficiam dos clientes e do meio ambiente. Ao continuar a fornecer um mundo que está sempre ligado com soluções de energia diversas, como energia eletrificada, a empresa está ajudando a criar estradas, cidades e sistemas mais limpos e eficientes-tudo graças ao poder da eletroquímica.
 

Cummins Office Building

Cummins Inc.

A Cummins é líder mundial em energia que projeta, fabrica, vende e comercializa motores diesel e de combustível alternativo de 2,8 a 95 litros, grupos geradores elétricos movidos a diesel e alternativos de 2,5 a 3, 500 kW, bem como componentes e tecnologia relacionados. A Cummins atende a seus clientes por meio de sua rede de 600 instalações de distribuidores independentes e de propriedade da empresa e mais de 7, 200 locais de revendedores em mais de 190 países e territórios.

Cummins and GILLIG deliver their 100th battery electric bus

Cummins and GILLIG deliver their 100th battery electric bus

É quase o dia mais emocionante do dia da entrega do pacote da semana!

A Cummins está se preparando para entregar um pacote na forma do 100º ônibus de transporte urbano da bateria em colaboração com a GILLIG. Esta entrega emocionante está em rota para metro Transit em St. Louis, Missouri.

"Este é um grande marco para a Cummins, GILLIG e metro Transit, mas estamos apenas começando", disse Amy Davis, vice-presidente e presidente de nova potência da Cummins. "A adoção de tecnologias de emissões zero é fundamental para atender às metas de sustentabilidade e neutralizar as mudanças climáticas. A Cummins está aqui para fazer parceria com os clientes para descarbonizar e está empenhada em fornecer soluções de bateria elétrica com a inovação, o suporte e o serviço que os clientes esperam da Cummins. "

A Cummins anunciou pela primeira vez nossa parceria eletrificada com a GILLIG em 2017. Desde o lançamento do nosso First Electric Transit Bus e entregá-lo a Santa Monica, Califórnia em 2019, trabalhamos juntos para garantir que o ônibus se baseia no legado de excelência e no desempenho comprovado de trânsito dos mais de 27, 000 ônibus GILLIG em serviço nos Estados Unidos hoje.

O trabalho que realizamos com a GILLIG é fundado em nossa ampla experiência combinada em eletrificação de veículos. Os primeiros produtos de eletrificação da GILLIG foram um ônibus elétrico híbrido e bonde elétrico diesel-elétrico, introduzido em 2001. Para a Cummins, nós Estreamos nosso primeiro caminhão totalmente elétrico em 2017 depois de mais de uma década de pesquisa e desenvolvimento de tecnologia e desde então entregamos centenas de powertrains eletrificados em várias aplicações.

"Estamos entusiasmados com o fato de que nosso 100º ônibus elétrico esteja indo para a metro, uma agência com a qual temos parceria há mais de duas décadas", disse o Presidente e CEO da GILLIG, Derek Maunus. "Esse Marco é o resultado do esforço apaixonado de toda a organização GILLIG nos últimos cinco anos. Não podia estar mais orgulhosa da nossa equipe. Nosso ônibus elétrico continua a definir o padrão de excelência em confiabilidade, durabilidade, eficiência de custos e desempenho. "

O atual ônibus elétrico da GILLIG é um produto de segunda geração construído na plataforma de piso baixo comprovada da empresa e utiliza o sistema elétrico da bateria da Cummins, com diagnóstico remoto e conectividade over-the-Air. Este sistema é apoiado pela extensa rede de suporte de técnicos qualificados da Cummins em todo o país, demonstrando ainda mais nossa dedicação contínua à qualidade que nossos clientes esperam.

O ônibus suportou rigorosos testes de engenharia e validação para atender às necessidades dos clientes em todas as frentes, inclusive testes quentes e frios, antes de entrar em produção. Em julho, nosso ônibus de bateria elétrica completou os testes com o programa de testes da Federal Transit Administration em Altoona Pennsylvania, onde ele marcou excepcionalmente bem em todas as categorias de medição e se destacou especialmente para durabilidade e desempenho.

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O que acontece com as baterias de íon-lítio no fim de sua vida útil?

batteries

Com o mercado de veículos elétricos (EVs) crescendo rapidamente à medida que os clientes se apressam em atender a metas globais para reduzir as emissões de gases de efeito estufa e melhorar a qualidade do ar, o número crescente de EVs representa um desafio de gestão de resíduos. Essas baterias de íon-lítio (Li-Ion) oferecem uma solução de transporte de emissões zero, mas elas não duram para sempre. Então, o que acontecerá com eles depois que chegarem ao fim de suas vidas?

A eliminação inadequada de baterias de EV de final de vida as pousa em aterros sanitários e, sem surpresa, vem com implicações ambientais negativas. Quando a Cummins começou a investir em eletrificação, o gerenciamento de resíduos de EV era um problema fundamental que queríamos e precisávamos resolver.

O que é uma bateria de fim de vida útil?

As baterias de fim de vida útil são exatamente isso – baterias que atingiram o fim de sua utilidade e/ou vida útil e não mais operam com capacidade suficiente. A vida útil de uma bateria de EV depende da aplicação (ou seja, carros de passageiros, ônibus de transporte urbano/escolar, caminhões pesados) e arquitetura do veículo (ou seja, totalmente elétrico ou plug-in híbrido). Para aplicações da Cummins, uma bateria de íon-lítio de EV pode operar com capacidade suficiente em qualquer lugar entre três e 12 anos, dependendo do caso de uso.

Como uma tecnologia mais recente, nenhum dos pacotes ou módulos de bateria da Cummins atingiu seu final de vida útil, o que nos permite fazer escolhas sustentáveis sobre como aproveitá-los da melhor maneira que sua vida útil chegou ao fim. Atualmente estamos focando em duas áreas na hierarquia de gestão de resíduos e na faixa de opções de reciclagem-reutilização e reciclagem.

The waste management hierarchy and range of recycling options
A hierarquia de gestão de resíduos e a faixa de opções de reciclagem | Source

Como reutilizamos as baterias de íon-lítio?

Apesar de já não funcionar com o máximo desempenho, a bateria de EV de final de vida ainda detém 70-80% da sua capacidade inicial. Essas baterias têm o imenso potencial para serem reaproveitados em baterias de segunda vida para uso em aplicações menos exigentes (ou seja, armazenamento de energia estacionária).

Para explorar melhor as potenciais vantagens ambientais e econômicas das baterias de íon-lítio de segunda vida, a Cummins fez uma parceria com a University of California San Diego (UCSD) em 2019. Essa colaboração nos permitiu degradar artificialmente as baterias EV no laboratório de validação da bateria da UCSD e integrá-las na micro rede do campus. Usando baterias com níveis de degradação variados, nosso objetivo comum é imitar o cenário do uso de baterias de segunda vida coletadas de aplicações de primeiro ajuste e reutilizadas em aplicações de ajuste secundário.

Por meio deste estudo, nós, artificialmente, envelhecemos as baterias e as colocamos em um ambiente de micro rede elétrica em 2021 de março para atuar como armazenamento de energia. O laboratório da UCSD continua a ajustar e analisar as abordagens comerciais e técnicas viáveis para reutilizar efetivamente as baterias de Li-Ion EV, com uma data de encerramento do objetivo de 2021 de dezembro.

Como Reciclar baterias de íon-lítio?

Se uma bateria não puder ser reaproveitada em uma aplicação secundária, os componentes dele podem ser reciclados. Através da reciclagem da bateria, o maior número possível de materiais é recuperado, preservando o valor estrutural e a qualidade que as baterias têm. Embora a reutilização seja considerada preferível à reciclagem na hierarquia de gestão de resíduos, as baterias de EV de final de vida podem fornecer uma excelente fonte secundária de materiais críticos no futuro.

Os elementos e materiais contidos nas baterias de veículos elétricos não estão disponíveis comercialmente em muitos países, e o acesso a esses recursos é crucial para garantir uma cadeia de suprimento estável. Com a Califórnia passando ordem executiva N-79-20 e formando um MOU com outros 14 Estados para avançar e acelerar o mercado de veículos elétricos médios e pesados, a produção de baterias de íon-lítio é projetada para acelerar nos próximos anos. Para acompanhar as demandas de produção, haverá necessidade de um cultivo cuidadoso dos recursos necessários para fabricar baterias de EV-Ion EV para garantir a sustentabilidade da indústria automotiva.

Estabelecer processos de reciclagem sustentáveis para extrair materiais críticos de baterias em fim de vida é uma solução potencial para manter a demanda por recursos. É por isso que a Cummins está trabalhando com li-Cycle , a maior empresa de reciclagem de recursos para bateria de íons de lítio da América do Norte, para utilizar seu processo comercial exclusivo para recuperar materiais críticos de alta qualidade. Trabalhar com o li-Cycle permite o processamento seguro de baterias de íon-lítio sem resíduos depositados em aterros e emissões mínimas de gases de efeito estufa (GEE), proporcionando assim um caminho de final de vida sustentável.

Apoiando o futuro da eletrificação

Mais e mais empresas estão girando em direção a fontes de energia sustentáveis e armazenamento de energia e comprometendo-se a reduzir os Gees e os resíduos do produto. Para apoiar essa transição, devemos explorar todos os aspectos da sustentabilidade, desde materiais de abastecimento até baterias de fabricação até o gerenciamento do excedente futuro de baterias de fim de vida útil.

O estabelecimento de reutilização e reciclagem efetivas de baterias é necessário para uma cadeia de suprimento de circuito fechado e para a criação de gerenciamento total da bateria em ciclo de vida. E estabelecer as melhores práticas agora reduz o impacto ambiental no futuro. A Cummins está comprometida com a sustentabilidade de ponta a ponta para aproveitar eficazmente os benefícios completos da eletrificação.

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Cummins faz demonstração no Run on Less — Electric da NACFE

Cummins demonstrates in NACFE Run on Less – Electric

A Cummins Inc. está se preparando para o Conselho norte-americano para eficiência de frete (NACFE) executado em menos elétrico (RoL-E), uma demonstração de tecnologia de caminhão elétrico. O RoL-E é um evento de três semanas que começa em 2 de setembro e contará com métricas de desempenho diárias e histórias da frota do mundo real, documentando os benefícios e os desafios da implantação de caminhões elétricos. A Cummins está participando do evento com um caminhão de classe 6 com motor da Cummins PowerDrive™ trem elétrico.

Para participar da RoL-E, a Cummins está colaborando com a Frito-Lay, uma divisão da PepsiCo e fabricante líder de alimentos. A Cummins entregou o caminhão elétrico para Frito-Lay em 17 de novembro de 2020, e o veículo foi imediatamente colocado em operação, executando rotas diárias, entregando produtos alimentícios a supermercados e mercearias em Manteca, Califórnia, e comunidades vizinhas. O caminhão estava funcionando de forma confiável até seis dias por semana, com média de um total de 65-80 milhas por dia com um tempo de atividade superior a 95%. Depois de mais de seis meses de testes de campo e de tempo de atividade promissor e contínuo na área de Manteca, o caminhão agora está operando rotas em modesto, Califórnia. Nesta instalação, a Frito-Lay está no processo de substituição de todos os seus equipamentos de frota com motor a diesel existentes com tecnologias de emissão zero (NZE) e emissões quase zero. O RoL-E capturará os dados de desempenho do caminhão ao concluir o trabalho do mundo real em modesto.

Atualizações, dados de desempenho diário e perspectivas da frota serão compartilhados em toda a demonstração do RoL-e estarão disponíveis a partir de 2 de setembro na runonless.com/metrics .

Leia o comunicado de imprensa completo Here .

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5 perguntas sobre ônibus elétricos respondidas

5 questions about electric buses answered

Transporte com emissões zero? Agora isso é eletrificante! Os ônibus elétricos da bateria estão ganhando velocidade como uma nova norma para o transporte que é ecologicamente correto. Mas como exatamente eles funcionam? Estamos respondendo às cinco principais perguntas frequentes relacionadas aos ônibus elétricos.

1. o que é um ônibus elétrico?

Um ônibus elétrico de bateria é um veículo elétrico que substitui o motor e a transmissão tradicionais de combustão por um motor elétrico e uma bateria. Em um ônibus elétrico, não há mais um motor, nem tanque de combustível. Em vez disso, o motor elétrico no ônibus serve como motor e transmissão, enquanto a bateria é essencialmente o "tanque de combustível".

Os ônibus elétricos funcionam enviando um sinal ao controlador do sistema de trem de força no início. Esse sinal alimenta a bateria de alta tensão, onde a energia química é armazenada e a converte em de energia elétrica . Essa energia elétrica é então distribuída em todos os diferentes componentes que fazem o ônibus funcionar, como o motor elétrico e o sistema de gerenciamento térmico.

Bluebird battery electric school bus equipped with a Cummins battery system
Ônibus escolar elétrico Bluebird Battery equipado com um sistema de bateria Cummins
Gillig battery electric transit bus equipped with a Cummins battery system
Ônibus de transporte urbano da bateria Gillig equipado com um sistema de bateria Cummins

2. qual é a faixa de um ônibus elétrico?

A faixa de um ônibus elétrico é a distância que um ônibus pode cobrir antes de ficar sem carga. Quanto tempo esta faixa depende de uma variedade de fatores, incluindo o tamanho da bateria e os ciclos de trabalho.

O tamanho da bateria se correlaciona a quão grande de um "tanque de combustível" um veículo elétrico tem. Baterias maiores podem armazenar mais energia, o que, por sua vez, pode abastecer distâncias maiores. Por exemplo, os ônibus de transporte urbano normalmente exigem baterias maiores do que os ônibus escolares porque precisam funcionar por períodos mais longos e precisam de mais combustível para fazê-lo.

O segundo fator que afeta significativamente a faixa de um ônibus elétrico é o ciclo de serviço. Os ciclos de trabalho descrevem como o veículo é usado e ajudam a determinar o desempenho e a vida útil da bateria.

A battery electric bus route mapped out
Uma rota de ônibus elétrica de bateria mapeada

Considere a seguinte analogia para entender os ciclos de trabalho:

  • Você mora no terceiro andar de um prédio de apartamentos e gosta de ir de escada. A energia requerida para subir esses lances de escada não é muito árdua, e você estaria operando em um ciclo "Light-duty".
  • Suponha que você tenha que carregar um peso de 50 lb com você até os três lances de escada. Nesse caso, você está trabalhando mais duro e estaria operando em um ciclo de "médio-serviço".
  • Agora, você decidiu levar um piano até os três lances de escada. Você está usando a energia máxima e estaria operando um ciclo "pesado".

Para os ônibus, os fatores que afetam a exigência de um ciclo de trabalho são incluir condições da estrada, condições de direção, velocidade do veículo, número de paradas/partidas, mudanças de altitude, rapidez com que você acelera, peso transportado, clima e muito mais. Um ciclo de trabalho mais leve usará menos energia do que um ciclo de trabalho mais pesado. Assim, com ciclos leves, os ônibus elétricos podem atingir um alcance maior.

3. como os ônibus elétricos cobram?

Existem algumas maneiras pelas quais as frotas de veículos elétricos podem cobrar. O que é melhor para uma frota em particular depende do ciclo de trabalho e do tamanho da bateria de seus ônibus.

Hoje, os dois principais tipos de carregadores para ônibus elétricos são:

  1. Carregadores de plug-in
  2. Carregadores de pantógrafos

Os carregadores de plug-in para ônibus funcionam de forma muito similar àqueles usados para carros elétricos. Os ônibus elétricos têm portas nas quais um motorista pode se conectar. Com este método, o carregamento pode levar de duas a oito horas, com base na corrente do carregador (que explicaremos momentaneamente).

A plug-in charger for an electric school bus
Um carregador de plug-in para um ônibus escolar elétrico

Um novo e mais autônomo carregador é o panógrafo. Com este carregador, os ônibus dirigem por baixo de uma estação de carregamento e os braços robóticos se unem aos condutores elétricos no topo do veículo para carregá-lo. Este carregador foi projetado para transportar mais corrente e permite o carregamento mais rápido.
 
Além de ser plug-in ou pantógrafo, um carregador também se caracteriza por como converte correntes elétricas, classificadas como um carregador de corrente direta (DC) ou um carregador de corrente alternada (CA). Todas as baterias precisam de energia de DC para funcionar, e ambos os tipos de carregadores convertem a energia CA para a potência de DC. Os carregadores DC são mais rápidos, mas têm um custo mais alto. Os carregadores AC são mais lentos, mas são muito acessíveis.
Enquanto os carregadores de plug-in podem ser CA ou DC Chargers, os carregadores do panógrafo são apenas DC. Os carregadores plug-in da DC podem carregar uma bateria de até 150 KW, enquanto os carregadores de pantógrafos podem carregar até 350 KW.
 
Não importa qual seja a sua escolha de carregamento, a Cummins trabalhou arduamente para tornar nossos sistemas de baterias compatíveis com todos os carregadores líderes disponíveis no mercado atual.

A bus driver operating a Blue Bird electric school bus
Um motorista de ônibus operando um ônibus escolar elétrico Blue Bird

4. por que os ônibus elétricos da bateria estão se tornando mais populares?

A sustentabilidade é um motor principal nos ônibus elétricos que se tornam mais comuns. À medida que os governos implementam regulamentações e corporações de emissões mais intensas no avanço de suas metas de sustentabilidade, os ônibus elétricos são vistos como a solução adequada de emissões zero que pode ajudar cidades e comunidades a cumprirem seus objetivos ambientais, sem comprometer sua infraestrutura de transporte.

Os ônibus elétricos também têm torque instantâneo que melhora a dirigibilidade/desempenho. Os motoristas podem acelerar com mais responsabilidade, tornando os ônibus com sistemas eletrificados mais desejáveis.

Os ônibus elétricos também oferecem maior conforto ao motorista. Isso ocorre porque os motores elétricos são muito mais silenciosos e permitem o manuseio suave. Essa experiência de direção aprimorada reduz a fadiga do motorista.

5. os ônibus elétricos são mais baratos?

Embora o custo inicial da compra de um ônibus elétrico não seja mais barato que os ônibus de combustão interna (ICE), eles estão se tornando mais acessíveis. Há uma série de programas de incentivo em vigor que os compradores podem aproveitar que fazem ônibus elétricos o mesmo custo para a cidade ou distrito como um ônibus convencional.

A economia de custos ocorre na operação de frotas de ônibus elétricos ao longo do tempo. Eles têm menores custos de manutenção e custos de combustível, pois não exigem combustível diesel. Os ônibus elétricos também funcionam de forma mais eficiente com a frenagem regenerativa, que simultaneamente reduz o desgaste do sistema de frenagem e captura a energia cinética para se alimentar de volta na bateria para estender a faixa do ônibus. Com a frenagem tradicional, a energia cinética foi "desperdiçada" por meio dos freios de serviço e transferida para o calor, o que significa que a frenagem regenerativa é mais eficiente.

A technician working on the undercarriage of a Blue Bird electric school bus
Um técnico que trabalha no trem de pouso de um ônibus escolar elétrico Blue Bird

Em todos os EUA, as comunidades buscam tornar suas frotas mais sustentáveis e já começaram a adicionar os dois ônibus escolares e de transporte eletrificados para suas frotas. A Cummins por si só já ajudou a fornecer mais de 400 ônibus em todo o país, cada um equipado com o sistema elétrico da bateria da Cummins. Este sistema é fabricado para ser zero-emissões quando em uso, reduzir o serviço e criar economia, tudo isso mantendo o desempenho do veículo.

Para mais informações e notícias sobre a nova potência da Cummins, Inscreva-se para nossa nova Newsletter sobre energia.

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