Alcançar emissões zero significa eletrificar locais de trabalho inteiros

Imagem cortesia da Moog Construction

Há um problema com a forma como o mundo está promovendo a eletrificação, especialmente na construção.

Se os objetivos da eletrificação incluem reduzir agressivamente as emissões, diminuir a quantidade de energia necessária para a fabricação e reduzir o consumo de matérias-primas, então comprar máquinas de construção elétricas, uma de cada vez, e colocá-las em um canteiro de obras não é produtivo nem eficiente.

O setor de construção está investindo dinheiro e esforço no projeto e desenvolvimento de soluções elétricas, mas a adoção ainda está atrasada.

Em contraste, 41.320 escavadeiras movidas a diesel foram compradas somente na América do Norte durante 2022, de acordo com analistas da Off-Highway Research. Se a compra de veículos elétricos off-highway disparou da noite para o dia, qual seria uma solução sustentável para usar dezenas de milhares de veículos movidos a diesel que poderiam durar décadas?

De acordo com um relatório da empresa de consultoria Roland Berger, o impulso para eletrificar veículos off-road decorre, em parte, de regulamentações governamentais para reduzir emissões e ruído, bem como do desejo de eficiência de combustível.

“Os padrões de emissão nos EUA, Europa, China e Índia estão se tornando cada vez mais rigorosos. Embora veículos pesados ainda não sejam obrigados a atender a metas específicas de CO2, isso pode mudar já em 2025...”, observa a pesquisa da Roland Berger. “Os principais fabricantes industriais, incluindo Komatsu, CAT, Hitachi, John Deere e Volvo, esperam entre 20-50% em economia de custos de combustível para veículos off-road eletrificados.”

Roland Berger continua prevendo que veículos compactos e de mineração liderarão o caminho para a eletrificação. Já há inovação com máquinas como minicarregadeiras totalmente elétricas da Bobcat e caminhões de mineração feitos pela Epiroc, juntamente com tecnologia de carregamento para dar suporte a esses equipamentos. Alguns OEMs de equipamentos de mineração criaram serviços para troca de baterias em seus enormes veículos elétricos para aumentar o tempo de execução e imitar a maneira como os proprietários de ferramentas manuais sem fio trocam as baterias para continuar trabalhando. Existem carregadores de carga útil de 18 mt agora trabalhando em locais de mineração com até 450 kWh de capacidade de bateria utilizável e baterias trocáveis. A ideia de baterias trocáveis é ótima, mas as baterias no veículo de mineração de um OEM não podem ser trocadas com a máquina de outro fabricante.

Independentemente do ambiente, os profissionais da construção se perguntam duas coisas: qual é a quantidade de trabalho que consigo fazer em um dia e qual é o custo desse trabalho?

Locais de trabalho eletrizantes

Em vez de focar na eletrificação de marcas e modelos específicos de veículos como projetos independentes, o mundo da construção deveria eletrificar canteiros de obras e frotas inteiras de veículos.

Isso significa separar a máquina da bateria. Considere o conceito de modularidade, na forma de um módulo de bateria de alta tensão, que impulsionaria a adoção da eletrificação. Ao analisar o que deve acontecer em um local de trabalho com zero emissões para concluir um dia de trabalho, os gerentes de projeto poderiam então decidir quanta capacidade de bateria suas máquinas precisam. Por exemplo, quando os trabalhadores usam uma furadeira, eles escolhem o tamanho correto da bateria para o trabalho planejado ou garantem que tenham baterias sobressalentes suficientes à mão.

Uma escavadeira ZQuip escavando no local de testes da Moog Construction em West Seneca, Nova York, EUA.

Para máquinas de construção, garantir tempo de execução suficiente é crítico. Para fazer isso, OEMs e clientes sentem como se tivessem que equipar suas máquinas com a maior bateria possível (por exemplo, 800 kWh) para fazer as coisas e ter energia de sobra. Maximizar o tamanho da sua bateria apenas maximiza o preço da máquina.

O desafio não é a maximização, mas a otimização. Mas mesmo a bateria superdimensionada em uma escavadeira elétrica mais cara não garante a superação de um grande obstáculo para a adoção: eliminar a ansiedade de alcance e fazer o trabalho independentemente das condições.

Para eletrificar os locais de trabalho e atingir zero emissões, a indústria da construção deve começar a converter os veículos de construção diesel-elétricos existentes para energia de bateria modular . Essas máquinas convertidas podem funcionar com módulos de bateria de carregamento rápido e trocáveis que se adaptam a qualquer marca e modelo de máquina. Além disso, quando os módulos não estão em uma máquina, eles podem servir como geradores: luzes de circulação, aquecimento ou resfriamento de reboques e muito mais.

Modularidade na prática

Imagine converter uma escavadeira Caterpillar movida a diesel em um modelo elétrico, fazendo o mesmo com uma carregadeira de rodas Komatsu e uma carregadeira de esteiras Bobcat e, então, ser capaz de usar o mesmo tamanho de módulo de bateria nas três máquinas em execução em um canteiro de obras.

A escavadeira pode exigir três ou quatro módulos de bateria de alta voltagem, a minicarregadeira de esteiras um módulo e a carregadeira de rodas dois. A combinação de módulos de bateria em cada máquina descarregaria sequencialmente, embora pudessem ser programados por software para fornecer energia em paralelo.

Essa abordagem oferece aos clientes máquinas de emissão zero com a capacidade exata da bateria para o trabalho a ser feito. Digamos que a escavadeira esteja com pouca energia. A carregadeira de rodas pode parar ao lado e conectar um de seus módulos de bateria para "completar" o módulo da escavadeira ou até mesmo emprestar um de seus módulos de bateria com a ajuda de um manipulador telescópico. Com um modelo como esse, os operadores de máquinas podem trocar baterias entre máquinas, realizar o carregamento de máquina para máquina com um cabo de alta tensão ou carregar rapidamente uma máquina a partir de um módulo autônomo ou sistema de carregamento rápido.

A Moog colaborou com a Bobcat em sua carregadeira compacta de esteiras totalmente elétrica T7X, que foi apresentada na CES em 2022. (Foto: Bobcat)

Considere um canteiro de obras com seis máquinas usando módulos de bateria intercambiáveis; duas precisam de 800 kWh de capacidade de bateria, enquanto quatro precisam de 400 kWh cada. A energia total do dia é igual a 3,2 mWh, ou vinte e três módulos de bateria de 140 kWh. Em contraste, os veículos elétricos tradicionais que alguns OEMs estão fabricando vêm equipados com, digamos, uma bateria de 800 kWh em cada uma das seis máquinas mencionadas acima. Nesse cenário, o proprietário pagaria 50% a mais pela capacidade da bateria que não é utilizada. O valor da modularidade é duplo. Primeiro, todas as máquinas têm uma fonte de alimentação de carregamento rápido que pode ser trocada. Segundo, a capacidade de energia corresponde ao trabalho necessário. Em outras palavras, o canteiro de obras sempre tem a quantidade certa de energia quando necessário. Proprietários e locatários de equipamentos não devem pagar por energia de que não precisam.

Parte da promessa da eletrificação é incorporar software que controla e monitora funcionalidades que não são possíveis com máquinas diesel-hidráulicas antigas.

O conceito de um módulo de bateria trocável em todos os tipos de máquinas incluiria uma camada de software que permite que um motor elétrico, um controlador inteligente e um kit térmico regulem a temperatura do módulo de bateria para operar com eficiência em todos os climas.

E enviaria informações aos proprietários de equipamentos, empresas de aluguel e distribuidores, para que eles saibam que tipo de trabalho suas máquinas estão fazendo e quanta energia estão consumindo. Saber com bastante antecedência que um módulo de bateria está acabando permite que um operador troque um módulo em menos tempo do que leva para abastecer com diesel.

Se uma empresa de aluguel for dona da máquina, o software do módulo de bateria alerta a empresa para entregar um ou mais módulos no local de trabalho. A máquina recebe seu novo módulo de bateria quando for conveniente para o operador pausar e trocar as baterias. Isso elimina a ansiedade de alcance e garante que o proprietário do equipamento esteja pagando apenas pela energia da bateria necessária para o trabalho naquele local de trabalho, naquele dia.

Fazendo a conversão diesel-elétrica funcionar

A conversão de máquinas a diesel para elétricas a bateria usando uma abordagem modular resolve os problemas que retardam a adoção. Veja como isso pode funcionar: o processo de conversão requer a remoção do motor a diesel, tanque de combustível, contrapeso e mangueiras. O restante do sistema hidráulico permanece o mesmo. Na verdade, com um chicote de módulo de bateria adaptado à pegada do motor, a conversão elétrica simplesmente se torna uma maneira limpa de girar a bomba hidráulica da máquina. Um ou mais módulos de bateria servem como contrapeso. E com o motor removido, os mecânicos acharão muito mais fácil acessar o sistema hidráulico para reparo e manutenção.

Com cada máquina convertida, o valor para proprietários, operadores, empresas de aluguel e distribuidores sobe porque um módulo de bateria padrão alimenta qualquer máquina, em qualquer lugar do mundo. Se a indústria puder deixar de focar na venda de máquinas elétricas para eletrificar locais de trabalho e frotas inteiras, a indústria alcançará uma baixa pegada de carbono da maneira mais produtiva e econômica.

Chris LaFleur é diretor administrativo da ZQuip.