A energia elétrica a bateria viaja pelos trilhos

A locomotiva FLXdrive, que estreou em uma cerimônia em outubro passado, exibia a icônica pintura rosa de Roy Hill. (Foto: Wabtec Corporation)

No final de outubro de 2023, a fornecedora de soluções de transporte Wabtec e seu cliente de lançamento Roy Hill, uma empresa de mineração de minério de ferro sediada na Austrália, comemoraram a estreia da locomotiva FLXdrive, uma unidade de modelo de produção que a Wabtec descreveu como a "primeira locomotiva 100% movida a bateria para transporte pesado do mundo para serviço de linha principal".

A estreia foi o ápice de mais de uma década de P&D, iniciada em uma época em que a tecnologia e a densidade das baterias eram muito mais limitadas. Rogério Mendonça, presidente de Equipamentos de Carga da Wabtec, classificou o primeiro projeto da empresa como "mais um piloto científico do que qualquer outra coisa".

Rogério Mendonça, presidente, Equipamentos de Frete, Wabtec

O FLXdrive realmente entrou nos trilhos em 2021, na forma de uma locomotiva piloto desenvolvida em parceria com a BNSF, que rodou por mais de 21.000 quilômetros. "Foi um piloto muito, muito bem-sucedido em muitos aspectos", disse Mendonça. "Aquela locomotiva tinha cerca de 2,4 MWh de potência. Na verdade, foi a primeira vez que tivemos uma locomotiva elétrica a bateria de tamanho real, para transporte pesado de cargas, operando em serviço real...

“Nesse ponto, percebemos que provavelmente estávamos prontos para um produto comercial em larga escala baseado na tecnologia de baterias.”

Solução escalável

A Wabtec firmou parcerias com diversos clientes, incluindo a Roy Hill, no desenvolvimento conjunto da locomotiva de transporte pesado FLXdrive. Essas parcerias, juntamente com os rápidos avanços na tecnologia de baterias, influenciaram aspectos como o acondicionamento das baterias, a quantidade ideal de energia a bordo, os sistemas de segurança e muito mais.

Como resultado, o modelo de produção – embora tenha semelhanças físicas com a locomotiva piloto – está muito longe daquela versão piloto. “[Em 2021], tínhamos esta locomotiva de 2,4 MWh e a que estamos entregando para Roy Hill tem 7 MWh de potência. Então, [é] a mesma estrutura física, o mesmo tamanho de locomotiva, mas a tecnologia… nos permitiu atingir níveis muito mais altos de densidade de potência, que é uma das variáveis críticas”, disse Mendonça.

A locomotiva FLXdrive possui uma arquitetura de bateria modular e escalável, projetada para ser integrada a diversos veículos e ambientes ferroviários, incluindo locomotivas de transporte pesado, de pátio, regionais, de passageiros, híbridas e especiais. A capacidade máxima da bateria varia de 1,5 MWh a 8,5 MWh, dependendo da configuração e da aplicação.

A versão para transporte pesado é baseada na premissa de uma locomotiva diesel-elétrica, disse Mendonça, mas utiliza baterias de íons de lítio refrigeradas a líquido no lugar de um motor a diesel. Um "conjunto completo de baterias" fornece a potência necessária – um total de 72 baterias no caso da locomotiva destinada à Roy Hill na região de Pilbara, na Austrália Ocidental, com intensa mineração.

A locomotiva FLXdrive possui uma arquitetura de bateria modular e escalável, projetada para ser integrada a diversos veículos ferroviários e ambientes. (Foto: Wabtec Corporation)

“Esse conjunto de baterias é um sistema complexo que não só contém as células, mas também todos os sistemas de segurança e controle ao seu redor”, disse Mendonça, incluindo um sistema proprietário de gerenciamento térmico. “Quando juntamos tantas baterias, queremos ter certeza de que estamos fazendo isso de forma segura e confiável. E isso inclui uma série de acessórios e sistemas para resfriá-las, gerenciá-las e garantir que todo o sistema opere de forma estável.”

Embora possa operar de forma independente, a locomotiva de transporte pesado FLXdrive foi criada para operar em um sistema híbrido – substituindo uma das unidades diesel-elétricas em, digamos, uma "cadeia" de locomotivas de três unidades. O sistema de gerenciamento de energia da Wabtec é usado para otimizar a energia dentro desse sistema.

“Ela determina, por exemplo, quando você vai usar a bateria versus quando ela vai ser carregada, e qual é a operação ideal entre os dois motores [a diesel] e aquela locomotiva funcionando com bateria”, explicou Mendonça. “Eu diria que provavelmente uma das partes mais fascinantes da tecnologia é a capacidade de gerenciar a distribuição de energia em todo o sistema, não apenas para otimizar o combustível, mas também as emissões.”

Carga descendente

Carregamento estático e carregamento rápido CC opcional utilizando um pantógrafo estacionário estão disponíveis para as unidades FLXdrive, com planos para introduzir recursos opcionais de carregamento móvel no futuro. O FLXdrive para transporte pesado também é capaz de carregar o freio regenerativo "em operação".

“Essa função, eu diria, é um dos aspectos mais relevantes em termos de emissões e economia de combustível para essa locomotiva e simplifica toda a operação”, eliminando em grande parte a necessidade de carga estática, comentou Mendonça. “É uma função da aplicação, pois a topografia define em grande parte a capacidade dessas locomotivas de gerar recarga para a bateria.

A Roy Hill planeja integrar as locomotivas elétricas a bateria à sua frota existente como parte de uma linha híbrida. (Foto: Wabtec Corporation)

Temos clientes que operam em um ambiente de mineração, onde normalmente se vai de uma mina no topo de uma montanha até um porto... Em locais como esses, essas locomotivas recarregam muitas vezes apenas pelo sistema de freios. Portanto, podemos chegar a um ponto em uma composição híbrida em que não precisamos carregar essas locomotivas elétricas a bateria externamente. Elas poderão recarregar ao longo de todo o trajeto.

Além disso, o sistema de baterias incorpora o FLX Optimizer, um "sistema de controle de cruzeiro inteligente" para trens elétricos baseado no Trip Optimizer para locomotivas a diesel da Wabtec. "É um sistema que gerencia a operação da locomotiva e determina pontos de frenagem, pontos de aceleração e ajuda a alcançar o que chamamos de operação ideal", disse Mendonça. "Qual é a melhor maneira de levar um trem do ponto A ao ponto B? Esse sistema ajuda a calcular – com base na velocidade, pontos de parada e elevação – onde estão os pontos certos para aceleração e frenagem."

O FLXdrive também se beneficia muito desse sistema, otimizando o carregamento e o descarregamento. Isso contribui não só para a operação em si, mas também para a vida útil das baterias, mantendo a operação ideal para esse aspecto.

Menor custo e emissões

Essa tecnologia será crucial para oferecer o desempenho que clientes como a Roy Hill esperam. A mineradora opera atualmente quatro locomotivas diesel-elétricas Wabtec ES44Aci Evolution Series, que puxam trens de minério com 240 vagões em uma rota de circuito fechado que vai de sua mina, por sua própria ferrovia, até suas instalações portuárias e vice-versa. A empresa envia mais de 63 milhões de toneladas de minério para siderúrgicas por ano.

"Eles têm o benefício de ativos superconfiáveis com alto nível de disponibilidade. Isso é crucial para eles, porque basicamente operam aquela 'esteira rolante' que leva o minério da mina ao porto e volta", disse Mendonça.

Considerando a rota e as operações ferroviárias da empresa, espera-se que os trens híbridos que incorporam a locomotiva FLXdrive proporcionem uma redução percentual de dois dígitos nos custos de combustível, bem como nas emissões por trem.

Podcast: Aplicações e vantagens da locomotiva elétrica a bateria da Wabtec Rogério Mendonça, da Wabtec, destaca os benefícios e aplicações da locomotiva elétrica a bateria FLXdrive da empresa

“A razão fundamental pela qual as locomotivas a bateria foram desenvolvidas é ajudar nossos clientes com seus planos de descarbonização, seja em uma composição onde você tem três motores a diesel e instala uma ou duas baterias [e] reduz proporcionalmente as emissões, para um trem completo de baterias”, afirmou Mendonça. “Esse era o conceito original – criar um produto que seja capaz de operar em transportes pesados com zero emissões. E eu acho que o caminho é muito promissor.”

A Roy Hill planeja integrar as locomotivas elétricas a bateria à sua frota existente, continuando a desenvolver sua tecnologia a diesel para torná-la mais eficiente em termos de combustível e confiável. "A combinação de bateria e diesel certamente os ajudará a atingir um ponto muito bom e otimizado de eficiência de combustível e capacidade de transporte – todas as variáveis mais importantes para uma grande mineradora como a Roy Hill", disse Mendonça.

Ele acrescentou: “As locomotivas diesel-elétricas ainda são uma parte muito importante do nosso portfólio, uma parte muito importante das operações de todos os nossos clientes em todo o mundo e permanecerão assim por algum tempo. A tecnologia diesel evoluiu muito rapidamente nos últimos anos em termos de consumo de combustível e... não apenas nas emissões de CO2, mas também nas emissões de partículas das tecnologias Tier 4. Portanto, existe uma tecnologia diesel-elétrica muito sólida no mercado que será combinada com baterias e promoverá gradualmente essa transição.”

Desenvolvimento contínuo

A locomotiva FLXdrive, que será entregue à Austrália Ocidental no final de 2024, está sendo construída na fábrica da Wabtec em Erie, Pensilvânia. "Como esta é a primeira, estamos construindo perto de onde está nossa engenharia", disse Mendonça. "No futuro, esperamos que elas sejam construídas em nossas fábricas ao redor do mundo."

O desenvolvimento do produto continuará mesmo depois que a locomotiva for colocada em operação na operação de mineração da Roy Hill em Pilbara, Austrália. (Foto: Wabtec Corporation)

O desenvolvimento do produto continuará mesmo após a locomotiva entrar em operação. "Quando essas locomotivas começarem a operar na Austrália, estaremos lá com [Roy Hill] e as operaremos juntos. Continuaremos aprendendo e contribuindo com o processo de construção e projeto", disse Mendonça.

“Este tem sido um processo de aprendizado interessante para a indústria em geral”, acrescentou ele, “e temos sorte de ter parceiros como Roy Hill que aceleram esse aprendizado junto conosco”.

A tecnologia em torno das baterias — não apenas em termos de densidade e ciclo de vida, mas também de controles — continuará a evoluir rapidamente e impulsionará ainda mais avanços no design, previu Mendonça.

“Desde o nosso projeto piloto, há três anos, até as locomotivas que estamos construindo hoje, já observamos um desenvolvimento significativo. E acredito que a indústria em geral acredita que a velocidade da melhoria continuará”, disse ele. “É muito, muito promissor. E estamos definitivamente ansiosos pelos próximos anos de desenvolvimento da tecnologia.”