O Brasil detém a maior reserva mundial de nióbio, um metal de transição cujas propriedades físico-químicas permaneceram por muito tempo confinadas a aplicações metalúrgicas de alta resistência mecânica. Aço de dutos, ligas aeroespaciais e componentes estruturais de veículos foram, até recentemente, os principais destinos desse recurso abundante no subsolo mineiro. Mas o cenário mudou. Nos últimos anos, anúncios da Universidade de São Paulo envolvendo depósitos de patente e uma onda crescente de visibilidade econômica reposicionaram o nióbio como protagonista de uma nova fronteira, que é a eletroquímica de baterias.
“O Brasil tem alta relevância na produção e comercialização desse material, e agora estamos pensando em industrializar essa tecnologia com aplicações que demonstram um potencial enorme de redução de custo e otimização do ecossistema”, afirma Rodrigo Chaves, vice-presidente de Engenharia da VWCO, em entrevista à Frota&Cia
A tecnologia em questão é o NTO (Óxido de Nióbio e Titânio), uma arquitetura de ânodo que vem sendo desenvolvida em parceria com a CBMM (Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração). Diferentemente das baterias convencionais de íons de lítio com ânodo de grafite, o NTO oferece características singulares, como a altíssima densidade de potência, aceitação de correntes de carga extremamente rápidas e uma durabilidade cíclica que, segundo os testes iniciais da VWCO, pode ser de seis a sete vezes superior às químicas tradicionais.
“Nas pesquisas que temos participado junto com a CBMM, observamos ganhos de até 35% na densidade de potência”, detalha Chaves. “Mais do que isso: a bateria consegue aceitar carregamentos em ultra-alta velocidade, permitindo que, num curto espaço de tempo, você recarregue para poder fazer operações onde é possível ter essa infraestrutura”, complementa.
A revolução da recarga de oportunidade
O conceito que emerge das palavras de Chaves é o de “recarga de oportunidade“, uma mudança de paradigma em relação ao modelo predominante de eletrificação de frotas. Atualmente, a maioria dos ônibus e caminhões elétricos é dimensionada com baterias suficientes para operar uma jornada completa de trabalho, recebendo recarga noturna em regime de baixa potência. Esse modelo exige packs volumosos e pesados, o que penaliza a capacidade de carga útil e o consumo energético.
A proposta com o NTO é radicalmente diferente. Em rotas cativas, tais como linhas de ônibus urbanos, operações de mineração em ambientes controlados, coleta de resíduos sólidos ou movimentação em portos, é possível reduzir drasticamente a quantidade de baterias embarcadas. Em vez de armazenar energia para oito ou dez horas de operação, o veículo é dimensionado para ciclos curtos, recarregando rapidamente ao final de cada percurso.
“Conseguimos utilizar um terço da quantidade de baterias que teríamos numa operação convencional de coletivo”, revela Chaves. “Com apenas um carregador, conseguimos sequenciar toda a aplicação de forma automática e segura, com potencial de redução do custo total de operação do ecossistema em até 50%”, ilustra.
O número não é trivial. Em frotas comerciais, onde cada quilograma e cada minuto de inatividade se traduzem em custo, a equação econômica sempre foi o principal obstáculo à eletrificação em larga escala. A promessa do nióbio é justamente inverter essa lógica e tornar o veículo elétrico não apenas ambientalmente desejável, mas financeiramente superior ao diesel.
Infraestrutura
Para que a recarga de oportunidade funcione, porém, é necessário muito mais do que uma bateria especial. A infraestrutura de carregamento precisa ser capaz de entregar potências na casa de megawatts, um patamar que poucos equipamentos comerciais atingem hoje. No conceito desenvolvido pela VWCO, o veículo utiliza um barramento no teto conectado a um pantógrafo, sistema que dispensa a intervenção manual do motorista.
“O pantógrafo conecta nesse barramento e consegue fazer recargas com até 1 MW de potência”, explica Chaves. Esse nível equivale a algo próximo de 20 vezes a potência de um carregador rápido convencional para automóveis de passeio. Em menos de dez minutos, a bateria volta à capacidade necessária para mais um ciclo completo de operação.
Mas a engenharia não para na interface elétrica. A injeção de tanta energia em intervalo tão curto impõe desafios térmicos severos. O calor gerado pelo efeito Joule precisa ser removido com eficiência para evitar a fuga térmica (o temido superaquecimento que pode levar a incêndios em baterias de lítio).
“O pack da bateria tem uma capacidade de dissipação térmica superior. As placas de arrefecimento foram dimensionadas para trabalhar com níveis de potência acima de 600 kW, e chegamos a testar com 1 MW. A infraestrutura e toda a arquitetura foram desenhadas para que a gente consiga ter um sistema de arrefecimento adequado. Essa parte foi bastante otimizada; temos hoje uma condição muito segura”, explica o vp da VWCO.
Importante notar que o ônibus conceito não depende exclusivamente do sistema de recarga ultrarrápida. Para situações emergenciais ou desvios de rota, ele mantém a capacidade de recarregar em carregadores convencionais com padrão CCS2 (Combined Charging System). A desvantagem, neste caso, é a perda de sequenciamento em que se faz necessário parar o veículo, descer, conectar o cabo, aguardar o tempo de carga, considerado absolutaente inviável para a cadência de um sistema de transporte coletivo com intervalos de dez minutos entre veículos, por exemplo.
Industrialização
Se os resultados de laboratório e os testes em protótipos são animadores, a pergunta que ecoa nos corredores da indústria automotiva é “quando essa tecnologia estará disponível em escala comercial, a preços competitivos?”
“O grande desafio agora é buscar a escala para a fabricação seriada dessa nova tecnologia e chegar a um posicionamento de preço que seja competitivo”, reconhece Chaves. A VWCO, explica, concentra seus esforços na integração do sistema por meio do conhecimento de como embarcar a bateria, conectá-la ao inversor, ao motor, ao sistema de arrefecimento e à eletrônica de potência. A industrialização das células e dos packs, no entanto, está sob coordenação da CBMM.
“A CBMM está trabalhando com seus parceiros na parte do estudo de viabilidade para industrialização da tecnologia NTO”, detalha o executivo. “Eles estão exatamente na fase de fechar os estudos para ver se ela consegue chegar manufaturada num nível de posicionamento de custo e preço que consiga fechar essa equação”, revela.
Do ponto de vista produtivo, a integração nas linhas de montagem da VWCO não deve exigir transformações traumáticas. O pack foi desenhado dentro dos padrões modulares já utilizados nos ônibus e caminhões da marca. “Os equipamentos de configuração da bateria têm características específicas, mas são dispositivos que conseguem ser integrados perfeitamente. Nada crítico com relação à adaptabilidade nos processos existentes”, comenta o executivo.
Para além do NTO
A tecnologia de ânodo de niobato de titânio é apenas o primeiro movimento. Em laboratórios da VWCO e da CBMM, em parceria com universidades, já se investigam outras formas de inserir o nióbio na arquitetura eletroquímica das baterias, inclusive no cátodo, o polo positivo responsável pela densidade energética.
“Estamos num processo de maturação do NTO, mas também temos feito conversas com parceiros e universidades para explorar outros arranjos”, revela Chaves. “Uma das perguntas é se nas baterias otimizadas em energia — e não em potência —, os 35% de ganho de densidade energética também se traduzem?”
Se confirmada, essa possibilidade abriria um leque ainda mais amplo de aplicações. Enquanto o NTO é ideal para cenários que exigem potência (aceleração, recarga rápida) e segurança térmica, baterias com nióbio no cátodo poderiam oferecer maior autonomia para veículos de longas distâncias rodoviárias, por exemplo, sem abrir mão da durabilidade que caracteriza o material.
“A CBMM está trabalhando com parceiros na parte de industrialização do NTO, e a gente tem ampliado o escopo com instituições de pesquisa para ver se conseguimos também ganhos expressivos nas baterias otimizadas em energia”, destaca Chaves.
Propriedade intelectual e estratégia
Em um mercado de tecnologia limpa cada vez mais disputado, a questão da propriedade intelectual é central. Rodrigo Chaves é claro ao delimitar as fronteiras: a patente da química da bateria pertence à CBMM e a seus parceiros industriais. A VWCO, por sua vez, detém patentes específicas relacionadas à integração do sistema, o que inclui a arquitetura de arrefecimento, os algoritmos de gerenciamento térmico e elétrico, e as interfaces mecânicas de fixação e conexão.
“Nosso foco não é a industrialização da bateria, mas sim a integração do sistema. Desenvolvemos um conhecimento e temos patentes específicas aplicadas. Isso vai dar um benefício importante por tudo o que a gente empregou em termos de recurso e desenvolvimento”, justifica Chaves.
Essa estratégia não é incomum no setor automotivo, onde montadoras tradicionalmente se especializam na integração de subsistemas fornecidos por parceiros especializados. Mas, no caso do nióbio, há um componente adicional, já que se trata de uma tecnologia brasileira, desenvolvida em parceria com uma empresa nacional (a CBMM), e que pode se tornar um diferencial competitivo global para a VWCO.
Onde o nióbio fará a diferença
Perguntado sobre quais mercados ou segmentos serão os primeiros a se beneficiar da tecnologia, Chaves enumera cenários onde a recarga de oportunidade em rotas cativas é viável: “Ônibus coletivos, veículos de construção, veículos de mineração que operam dentro de um sítio com infraestrutura estabelecida, caminhões de coleta de resíduos, operações portuárias”, esclarece.
Em todos esses casos, a lógica é a mesma: rotas bem definidas, pontos de recarga fixos, possibilidade de investimento concentrado em infraestrutura de alta potência e operação sequenciada de múltiplos veículos compartilhando um mesmo carregador.
“Você economiza reduzindo a quantidade de bateria, deixa o veículo minimamente dimensionado para aquele ciclo de operação, e através da recarga de oportunidade e do sequenciamento dos veículos, você cria um ecossistema que permite usar a propriedade da recarga rápida”, sintetiza Chaves. “Apesar de o carregador ultrarrápido ser um pouco mais caro, você reduz significativamente a quantidade de baterias no veículo”, complementa em benefício do TCO.
A conta final, segundo o executivo, pode chegar a uma redução de custo total de operação (TCO, na sigla em inglês) de até 50% em relação às soluções elétricas convencionais, um número que, se confirmado em escala comercial, seria verdadeiramente disruptivo.
O futuro imediato
Quando um leitor da Frota&Cia poderá ver um ônibus equipado com baterias de nióbio circulando em uma cidade brasileira? A resposta de Chaves pondera realismo com otimismo. “Do ponto de vista de P&D, os resultados que tivemos até o momento mostram boa repetibilidade, consistência, robustez, e têm atendido aos requisitos de durabilidade real e simulada.” Os testes já realizados comprovam a capacidade de operação com um terço das baterias, a recarga em menos de dez minutos e a estabilidade térmica em potências de até 1 MW.
O próximo passo, porém, depende da conclusão dos estudos de viabilidade industrial pela CBMM e seus parceiros. “O que falta agora é sair de um nível de baterias protótipos para baterias com nível de industrialização e custo mais avançado”, reconhece Chaves. “Tendo essa fase realizada, a gente já consegue rapidamente migrar para aplicações controladas e escalar isso não só no Brasil, mas no mundo todo.” Até lá, os protótipos da VWCO seguem em operação nas instalações da empresa em Resende (RJ).