Veículos elétricos: um desafio e uma oportunidade para Portugal e Europa?

A oportunidade oferecida pela existência de lítio em Portugal apenas poderá ser efetivamente aproveitada fomentando toda a cadeia de valor, desde a extração do minério até à produção de baterias de ião-lítio.

“(...) Debaixo do sol os velozes nem sempre vencem a corrida; os mais fortes nem sempre triunfam nas batalhas; (...) pois o tempo e o acaso afetam a todos indistintamente.”

Eclesiastes 9:11

Tendo em conta o plano de ação no âmbito da Economia Circular da União Europeia de forma a tornar a Europa não apenas mais “verde” e descarbonizada, mas também mais competitiva economicamente, é essencial o desenvolvimento de produtos e serviços mais sustentáveis, o que tem de ser assente em todos os processos da cadeia de valor de um determinado produto e serviço. Um dos sistemas de maior relevância neste âmbito são as baterias, pois, de forma a atingir-se a neutralidade carbónica até 2050, os veículos elétricos (EV) são um dos elementos com maior impacto.

Tendo em conta os dados estatísticos da associação europeia de produtores de automóveis em Portugal, a venda de automóveis em Fevereiro de 2021 teve um decréscimo de 59% relativamente ao mesmo período do ano anterior, muito relacionado com a conjuntura atual, profundamente marcada pela covid-19 e as suas consequências sanitárias, económicas e sociais. Também tem surgido notícias sobre as vendas de EV, que aumentaram mais de 100%. Tendo em conta ainda a elevada diferença de mercado, esta dicotomia apresenta já uma consciencialização da sociedade na mobilidade elétrica.

Os EV são constituídos por motores elétricos, reduzindo assim a nossa dependência de energias fósseis e as consequentes emissões nocivas, contribuindo a uma mobilidade mais amiga do ambiente.

Os EV podem ser carregados em casa durante a noite ou no local de trabalho durante o dia, usando a energia elétrica gerada nas centrais elétricas ou por fontes renováveis de energia. A componente chave para obter EV competitivos são os sistemas de armazenamento de energia, nomeadamente, a tecnologia de baterias.

Atualmente existem para o mercado automóvel diferentes soluções tecnológicas de baterias disponíveis, apresentando cada uma delas um perfil específico para os diferentes veículos e ocupando um lugar de destaque na redução das emissões de CO2 a nível dos meios de transporte, permitindo assim aos construtores de automóveis atingir as metas de redução das emissões de CO2 definidas pela União Europeia. Em particular, a União Europeia através do regulamento (EU) 2019/631 estabelece normas para as emissões de CO2 para os novos veículos automóveis, indicando uma redução de emissões médias de 15% para o período de 2025-2029 e de 37,5% para novos automóveis. Também estabeleceu para o parque de automóvel que os fabricantes que excedam as emissões médias de 95 gramas de CO2 por quilómetro terão de pagar uma taxa sobre as emissões excedentárias.

A diretiva europeia (2006/66/EC) distingue dois tipos de baterias: as conhecidas “baterias para automóveis”, sendo definidas como “qualquer bateria ou acumulador usado para o arranque, iluminação e ignição”; e as chamadas “baterias industriais”, definidas como “qualquer bateria ou acumulador concebido para uso exclusivo industrial ou profissional ou usado em qualquer tipo de EV”.

Os EV utilizam baterias industriais com elevada diferença de potencial e elevada densidade energética > 110 Wh/kg de modo a permitir viagens.

O foco principal nas baterias para os EV é a elevada densidade energética e reduzido tempo de recarga. Além disso, estas baterias devem ter uma elevada eficiência, baixa resistência elétrica e um elevado tempo de vida preferencialmente equivalente à durabilidade do veículo. As exigências às baterias são as seguintes: potencial de 250 V até 500 V; a energia armazenada na bateria, para um carro elétrico de uma tonelada, deve ser na ordem de 15 kWh para poder percorrer uma distância de 100 quilómetros; a potência de descarga deve atingir os 100 kW para um carro de gama média; a capacidade de recarga obtida a partir da travagem e desacelerações pode atingir pulsos até 50 kW e a durabilidade das baterias deve ser superior a dez anos.

A tecnologia das baterias de ião-lítio é a escolha principal como fonte de energia para os EV. Os EV atualmente fabricados são equipados com sistemas de baterias de ião-lítio, devido a sua elevada densidade energética (~ > 110 Wh/kg), pouca autodescarga, nenhum efeito de memória, prolongado tempo de vida útil e elevado número de ciclos de carga/descarga quando comparada com outros sistemas de armazenamento de energia.

Nos sistemas de baterias de ião-lítio é possível aplicar correntes elétricas até uma taxa de 0.5C (C corresponde à corrente aplicada para a bateria carregar e descarregar em uma hora), a temperatura ambiente normal, o que corresponde a uma relação de potência de carga/energia armazenada na bateria de 0.5 kW/kWh. Em termos práticos, isto significa que uma bateria que armazena 15 kWh de energia poderá ser carregada em duas horas se a potência for de 7.5 kW. Um carregamento mais rápido até uma taxa de 2C (2kW/kWh) necessita, no entanto, de um sistema de arrefecimento de forma a evitar a degradação da bateria e, portanto, a redução do seu tempo útil de vida. A bateria de ião-lítio apresenta a mais elevada densidade energética de todos os sistemas recarregáveis existentes podendo atingir até 20.000 vezes a capacidade nominal até uma descarga mínima de 5% (não deixando a bateria descarregar totalmente) e efetuar cerca de 3000 ciclos completos até atingir 80% da sua capacidade total residual.

As baterias de ião-lítio são constituídas por dois elétrodos, o ânodo (elétrodo negativo) e o cátodo (elétrodo positivo) e um separador polimérico poroso embebido numa solução de um eletrólito, composta por sais dissolvidos em um solvente não aquoso. Independentemente do tipo de elétrodo, estes são compostos por um material ativo que é uma estrutura cristalina que recebe e liberta os iões de lítio, um material condutor é responsável por aumentar a condutividade elétrica do elétrodo e o polímero funciona como cola entre o material ativo e o material condutor. Junto com os materiais ativos de ânodo e cátodo, outros metais tais como cobre, cobalto, níquel ou manganésio formam parte das baterias de automóveis.

Os materiais ativos mais utilizados para os cátodos são o óxido de cobalto e lítio (LCO-LiCoO2), óxido de manganês e lítio (LMO-LiMn2O4), fosfato de ferro e lítio (LFP-LiFePO4), e lítio-níquel-manganésio-cobalto (NMC-LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2) e para o ânodo são a grafite e óxido de titânio e lítio (LTO-Li4Ti5O12).

A modo de exemplo, a BMW usa células A123 e LFP nos seus híbridos e usa Samsung SDI (NMC) nos EV. De facto, diferentes companhias usam diferentes materiais ativos para a mesma gama de Ev. A modo de exemplo, a BMW usa o material ativo NMC e a Renault usa LMO. Uma das desvantagens das baterias de ião-lítio é a restrição da recarga a baixas temperaturas de forma a evitar a deposição do lítio e uma deterioração precoce da bateria. Os custos atuais das baterias de ião-lítio oscilam entre os 300-400 euros/kWh prevendo-se a redução significativa de custo nos próximos anos podendo atingir cerca de 95 euros/kWh em 2030.

É de salientar, que uma bateria auxiliar de chumbo (12 V) é aínda instalada em todos os EV para alimentar os componentes elétricos, incluindo sistemas de segurança relevantes.

Prevê-se um investimento considerável durante os próximos anos para melhorar a performance, o custo, integração do sistema, processos de produção, segurança e reciclagem de sistemas de baterias de ião-lítio de elevado potencial para aplicações em EV. Todas estas áreas precisam de contínuo desenvolvimento para melhorar a integração dos EV no mercado competitivo dos automóveis.

Melhoramentos consideráveis a nível da performance e do custo serão conseguidos através do desenvolvimento de materiais avançados e constituintes da bateria (tais como ânodo, cátodo, separador e eletrólito). O design de células de baixo custo é previsto para 2025, com simultâneo melhoramento nas propriedades dos materiais e um gradual scale-up na produção de formatos de células maiores. Estes melhoramentos vão aumentar a competitividade das baterias de ião-lítio tanto para a mobilidade elétrica como para outras aplicações, tais como acoplados a células fotovoltaicas ou equipamentos eletrónicos de consumo.

A investigação ao nível das baterias de ião-lítio também se focará no seu uso em novos segmentos para aplicações em veículos híbridos com o sistema duplo de baterias (juntamente com uma bateria de chumbo de 12 V), proporcionando benefícios que incluem boa ciclabilidade e elevado rendimento energético.

As baterias de ião-lítio dos veículos são recolhidas no fim do seu ciclo de vida, sendo atualmente o foco principal a recuperação dos vários metais, tais como, níquel, cobalto e cobre. A reciclagem das baterias de lítio é um desafio devido a grande variedade dos componentes químicos e da complexidade do sistema. A reciclagem do lítio é tecnicamente e industrialmente possível, mas economicamente desafiante porque a quantidade de lítio usada é reduzida (1 a 2% do peso total da bateria), bem como o reduzido número de baterias de grandes dimensões que, entretanto, já chegaram ao fim de vida.

No entanto, a reciclagem das baterias é essencial face a grande demanda de lítio, pois é estimado que não exista lítio suficiente para o colmatar a crescente demanda.

Os futuros avanços tecnológicos das baterias de ião-lítio poderão permitir o seu uso limitado como bateria de automóvel (12 V), substituindo as baterias de chumbo, quando os fatores de performance e reduzido peso são valorizados em detrimento do preço mais elevado e de uma pior performance a baixas temperaturas. A Porsche, por exemplo, já disponibiliza no Porsche Boxster Spyder, a bateria de ião-lítio (cerca de seis quilos) como opção por um preço de cerca de 1700 euros, sendo o peso dez quilos inferior ao modelo equivalente de chumbo-ácido.

Os EV vão continuar a conquistar o mercado automóvel devido aos contínuos melhoramentos a nível da relação custo-benefício e contínuas demandas regulamentares, sendo previsto uma quota de mercado de 20 – 35%, em 2030.

Em primeiro lugar, os produtores de baterias e veículos vão focar a sua atenção no melhoramento da performance das baterias de ião-lítio para EV e na redução dos seus custos. Estes dois fatores são determinantes quanto a rapidez com que estes carros ganham quota de mercado. As baterias de ião-lítio vão-se tornar mais competitivas nos seguintes aspetos:

  • reduzido custo a nível da assemblagem das baterias;
  • aumento da densidade de potência e energética;
  • aumento do tempo de vida;
  • aumento da rapidez de carga.

Outro campo de investigação e desenvolvimento vai-se concentrar ao nível da segurança e reciclagem com o surgimento de novos eletrólitos sólidos, eliminando o eletrólito convencional que tem associado algum risco de explosão. Desenvolvimento de sistemas de monitorização de elevada fiabilidade que permitirão avaliar o estado global da bateria, nomeadamente o seu estado de saúde/envelhecimento são igualmente necessários. Como já referido, a indústria de reciclagem das baterias ainda está numa fase muito inicial, focando-se principalmente em como otimizar a separação dos componentes das baterias no fim de vida ou explorando o potencial do uso da escória contendo fosfatos metálicos em cooperação com a indústria de fertilizantes, entre outras.

Considerando todos os melhoramentos que vão ser necessários no campo das baterias de ião-lítio, será que atualmente os EV são economicamente viáveis e amigos do ambiente?

O custo de um EV é relativamente superior comparado com o custo de um veículo inteiramente a combustão, mas o preço de carregamento é relativamente baixo, oscilando entre 1,45 euros/100 quilómetros até dois euros/100 quilómetros admitindo que mais de 90% dos carregamentos são realizados em casa no horário de vazio em que existem planos de mobilidade elétrica verde bi-horário com tarifas de 0,11 euros/kWh em vazio (das 22 horas às 8 horas) e 0,23 euros/kWh fora do vazio.

Dependendo do modelo de EV escolhido, o payback económico pode ser atingindo entre 3-4 anos utilizando deslocações diárias entre os 50 e os 150 quilómetros.

Relativamente a questão ambiental sobre o impacto dos EV no ambiente, muito está dependendo do mix energético de cada país. Em Portugal, mais de 50% da energia elétrica obtida é por fontes renováveis, no qual o payback ambiental é atingido ao fim de dois anos de utilização, considerando que a produção de uma bateria de 40 kWh vai emitir cerca de 3,44 toneladas equivalente de CO2.

A substituição dos veículos a combustão por EV é uma realidade que já tem começado e que vai acelerar no futuro, o que vai exigir contínuos desenvolvimentos na área das baterias de ião-lítio, tecnologia-base e peça-chave para esta nova mobilidade, área na qual Portugal pode e deve ter um papel relevante tendo em conta as suas reservas de lítio.

A oportunidade oferecida pela existência de lítio em Portugal apenas poderá ser efetivamente aproveitada fomentando toda a cadeia de valor, desde a extração do minério até à produção de baterias de ião-lítio. Isto implica o envolvimento das entidades empresarias ligadas ao setor e a interligação com as entidades da rede científica e tecnológica do país através de um plano científico-tecnológico, económico e social estratégico ambicioso, objetivo, calendarizado e estritamente monitorizado para aproveitar, implementar e transferir os recursos e o conhecimento científico e tecnológico efetivo que Portugal tem nesta área. 

Este plano estratégico nacional permitiria atrair investimento de empresas de automóveis em Portugal tornando uma alavanca económica para o país liderar aspetos relevantes do Pacto Verde e da nova economia sustentável e se tornar um dos fornecedores essenciais de lítio e tecnologias baseadas no lítio ao nível da Europa e no mundo.

“O tempo e o acaso”, que “afetam a todos indistintamente” tem colocado a Portugal numa posição de potencial liderança que sem dúvida saberá aproveitar para contribuir a uma necessária, nova e competitiva economia sustentável.

Os autores escrevem segundo o novo acordo ortográfico