Densidade Energética

 

Densidade Energética

A importância do Peso... da Física na Mobilidade...

Comparação de eficiência energética

Você menciona a densidade energética para comparar EVs e ICEs com base em peso. Vamos analisar:

1. EV (250 kg de bateria) =~ 400 km

   • Essa é uma estimativa razoável, dependendo da densidade energética da bateria (geralmente entre 150 e 250 Wh/kg) e da eficiência do motor elétrico.

2. ICE (250 kg de combustível) = +3000 km

• O combustível fóssil tem densidade energética significativamente maior (~12,000 Wh/kg para gasolina). No entanto, a eficiência do motor de combustão interna (~25-30%) é muito menor que a de um motor elétrico (~85-90%). Apesar disso, a autonomia mencionada é realista devido à densidade energética superior do combustível.

Outro exemplo:

Parâmetros usados

• Massa ICE = 1500 kg

• Massa EV = 1850 kg (≈ +350 kg de bateria)

• $C_d$ (igual para ambos) = 0.27

• Área frontal $A$ = 2.2 m²

• Coef. rolamento $C_{rr}$ = 0.01

• Densidade do ar $\rho$ = 1.225 kg/m³

• Aquecimento EV (cenários): resistivo 3 kW e bomba de calor 1 kW

• Aquecimento ICE: considerado calor residual gratuito na situação ideal; adicionei também um caso conservador com uma penalização direta de 200 W (arranques a frio / perda extra) para quantificar impacto se desejarem contar ineficiências do arranque a frio.

• Cálculos: energia por km (Wh/km) para vencer rolamento + arrasto + energia de aquecimento (Wh/km).

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Tabela de resultados (Wh/km)

Velocidade	ICE (rol+arrasto)	EV (rol+arrasto)	EV + aquec. resist. 3 kW	EV + bomba de calor 1 kW	ICE + penaliz. 200 W
50 km/h	60.37 Wh/km	69.91 Wh/km	129.91 Wh/km	89.91 Wh/km	64.37 Wh/km
120 km/h	153.17 Wh/km	162.70 Wh/km	187.70 Wh/km	171.04 Wh/km	154.83 Wh/km

(Espaços redondados a 2 decimais; totais = rolamento + arrasto + aquecimento por km quando aplicável.)

Valores de aquecimento convertidos para Wh/km (apenas para referência)

• EV resistivo 3 kW → 60 Wh/km a 50 km/h; 25 Wh/km a 120 km/h.

• EV bomba de calor 1 kW → 20 Wh/km a 50 km/h; 8.33 Wh/km a 120 km/h.

• ICE penalização 200 W → 4 Wh/km a 50 km/h; 1.67 Wh/km a 120 km/h.

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Interpretação — o que estes números nos dizem (curto e claro)

1. Com o mesmo Cd, o EV consome mais por km quando a velocidade é baixa (50 km/h) simplesmente devido ao peso extra: 69.9 vs 60.4 Wh/km.

   • Isso confirma que, mantendo aerodinâmica idêntica, a diferença urbana é dominada pelo rolamento (proporcional à massa).

2. Em autoestrada (120 km/h) a diferença reduz mas persiste: 162.7 vs 153.2 Wh/km.

   • A 120 km/h o arrasto aerodinâmico domina; como o $C_d$ foi igualado, a vantagem ainda recai ligeiramente para o ICE por causa do menor peso (rolamento ainda conta, embora menos que o arrasto).

3. Efeito do aquecimento em frio é crucial em cidade:

   • Um aquecimento resistivo de 3 kW no EV dobra (ou mais) o consumo por km a 50 km/h — passa para ~130 Wh/km: aqui o aquecimento domina por km.

   • Uma bomba de calor (1 kW) reduz muito esse impacto (≈ +20 Wh/km a 50 km/h) e torna o EV ainda competitivo dependendo do uso.

   • Para o ICE, o aquecimento normalmente vem de calor residual do motor — portanto não aparece como custo elétrico direto nos Wh/km. Só em arranques muito curtos/condições muito frias pode haver alguma penalização (aqui modelada com 200 W → impacto pequeno por km).

4. Conclusão prática:

   • Igual Cd ⇒ o peso do EV é o fator que o penaliza, especialmente em ciclo urbano.

   • Se o EV usar bomba de calor e for pré-aquecido ligado à tomada, mitiga-se muito a penalização em frio; sem isso (aquecimento resistivo) o consumo urbano sobe muito.

   • Em viagens rápidas, com Cd igual, o ICE ainda tem vantagem leve devido ao menor peso; porém, na realidade os EVs muitas vezes têm Cd melhores — o que na prática frequentemente dá-lhes vantagem em autoestrada quando comparados a ICEs equivalentes.

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Observações e limitações

• Regeneração não foi incluída nestes números (em cidade a recuperação pode devolver 10–30% do gasto de travagem para um EV, o que reduziria a desvantagem do EV em urbano).

• Estes resultados consideram só energia para mover + aquecimento; não aplicam ainda as eficiências de cadeia (motor→rodas) — ou seja, são Wh/km à roda (energia mecânica/necessária). Para passar a energia primária (kWh do pack ou equivalente combustível) teríamos de dividir/ multiplicar pelas eficiências do sistema (EV ≈ alto rendimento elétrico; ICE ≈ rendimento térmico baixo).

• Não foi contabilizada a dissipação da bateria parada (vampire drain) nem perdas de carregamento — se quiser, adiciono esses efeitos também.

• Valores de $C_{rr}$, $C_d$, massa e potência de aquecimento são exemplares: podes trocar qualquer um e eu refaço os números imediatamente.