A John Deere explora as possibilidades do etanol.

Os EUA têm capacidade para produzir mais biocombustíveis, mas os ganhos de eficiência automotiva e a transição para a eletrificação podem impactar a demanda do mercado. (Foto: John Deere)

O etanol tem sido um elemento básico na indústria automotiva há muito tempo, usado principalmente em uma mistura de baixa porcentagem com gasolina como um intensificador de octanagem para motores de ignição por faísca. Mais de 16 bilhões de galões de etanol são produzidos anualmente nos EUA, com a grande maioria destinada ao uso em carros de passeio.

Historicamente, isso deixou pouco espaço para outras aplicações, mas agora existe a capacidade potencial para gerar etanol em quantidades ainda maiores.

Dr. Danan Dou, tecnólogo-chefe (Sistemas de Energia), John Deere Power Systems (Foto: John Deere Power Systems)

“Com o aumento da produtividade agrícola, os ganhos de eficiência associados ao processamento da matéria-prima, bem como as conversões de combustível, os EUA têm capacidade para produzir mais biocombustíveis, de forma mais econômica, no futuro”, disse o Dr. Danan Dou, tecnólogo-chefe (Sistemas de Energia) da John Deere Power Systems, em uma apresentação conjunta na Off-Highway & Power Generation USA 2026 da Emissions Analytics.

Embora à primeira vista isso pareça uma notícia bem-vinda para os produtores, como Dou observou quando a Power Progress o entrevistou mais tarde no evento: "Com os ganhos de eficiência na indústria automotiva, com a eletrificação, o risco reside em saber se a demanda por gasolina ou etanol diminuirá."

Esse risco, juntamente com a flutuação dos preços das commodities, levou a John Deere Power Systems a investigar soluções alternativas para motores de serviço pesado que possam ajudar a apoiar os clientes agrícolas, proporcionando novas oportunidades de mercado para suas colheitas.

Diesel movido a etanol

Converter equipamentos movidos a diesel para ignição por faísca é talvez a perspectiva mais óbvia.

“Nos últimos anos, nossa discussão sobre combustíveis renováveis realmente elevou a perspectiva sobre motores de ignição por faísca, porque a maioria dos combustíveis renováveis é, na verdade, mais adequada como solução para esse tipo de motor”, comentou Dou. “O etanol é um combustível líquido, renovável e produzido a partir de culturas como o milho, cultivado por nossos clientes. Isso nos impulsionou a pensar: 'O que podemos fazer para converter algumas máquinas para que funcionem com etanol, atendendo às necessidades de nossos clientes?'”

Para esse fim, a John Deere participou de uma colaboração industrial financiada pelo Departamento de Energia dos EUA com a Universidade Marquette em Milwaukee, Wisconsin, para estudar uma solução de combustível flexível que converteria um motor a diesel em ignição por faísca. A solução envolve uma pré-câmara de combustível ativo – equipada com seu próprio injetor de combustível e vela de ignição – que pode ser montada no cabeçote do motor para permitir a queima de etanol e misturas de gasolina com alta porcentagem de etanol por meio de combustão controlada.

“Isso abriu uma nova direção em relação à estratégia de mistura de combustíveis. É mais uma maneira de aproveitar esse biocombustível amplamente disponível, importante para os EUA e para nossos clientes”, disse Dou.

Atualmente, a John Deere está adquirindo experiência no desenvolvimento da solução de ignição por faísca.

“Ainda temos trabalho a fazer em termos de validação do produto, aceitação de mercado, escala e investimento”, disse Dou. “Estamos desenvolvendo protótipos que funcionam com etanol para demonstrar a possibilidade. Também estamos testando o mercado para ver se os clientes aceitarão isso. Portanto, precisamos comprovar ainda mais essa [solução].”

Projeto Bio2Fuel

Outra vertente que a John Deere está explorando é o uso direto de etanol em motores a diesel. Dou tem um longo histórico de trabalho com o Dr. Greg Shaver, professor Reilly de engenharia mecânica na Universidade Purdue, em projetos anteriores, então foi uma escolha natural trabalharem juntos, juntamente com outros parceiros da indústria, para desenvolver um projeto de combustível flexível que explore como um motor a diesel não modificado reage a diferentes misturas de etanol e biodiesel, com e sem diesel de petróleo.

O projeto – que incluía o uso de etanol para produzir biodiesel como éster etílico de ácidos graxos (FAEE) – acabou ficando conhecido como Bio2Fuel. Foi o tema da apresentação conjunta de Dou e Shaver na conferência Off-Highway & Power Generation.

A John Deere Power Systems está pesquisando soluções alternativas para motores a diesel de serviço pesado, incluindo o potencial de misturas com etanol. (Foto: Becky Schultz)

“O biodiesel tem uma viscosidade maior, um índice de cetano maior e uma lubricidade maior, sendo, portanto, complementar às propriedades do etanol”, observou Dou. “Ao adicionar etanol ao biodiesel, com ou sem diesel de petróleo, é possível obter um combustível que atende a algumas das propriedades e se comporta como um diesel. Aliás, algumas dessas propriedades podem atender às especificações do padrão diesel atual.”

Conforme Shaver explicou durante a apresentação, o projeto consistiu em testes de laboratório de um motor diesel John Deere de 13,6 litros, utilizando diesel, diesel premium, biodiesel e etanol em múltiplas combinações e porcentagens de mistura.

“A ideia, em resumo, é aproveitar a enorme quantidade de etanol e, em certa medida, de biodiesel que produzimos hoje nos Estados Unidos e na América do Norte. A questão principal é se podemos utilizá-los em um motor de ignição por compressão que não seja modificado a ponto de... ainda funcionar bem com diesel”, afirmou Shaver. “Então, pegamos um motor a diesel não modificado que atenda a todos os requisitos regulatórios do governo e às expectativas dos clientes, operando com diesel, e tentamos entender o que podemos fazer para introduzir etanol nesse motor.”

Prova de conceito

Os trabalhos preliminares do projeto demonstraram a capacidade de queimar até 50% de etanol em um motor a diesel moderno. "Conseguimos isso injetando mais combustível no motor, aquecendo o bloco e desviando o resfriador de ar comprimido em baixas cargas", afirmou Shaver. Uma mistura de 60% também foi testada, o que exigiu a etapa adicional de acionar o motor para um pré-aquecimento extra durante a partida.

Os principais resultados obtidos até o momento mostram emissões do motor semelhantes ou melhores para as misturas com etanol, exceto para CO e hidrocarbonetos na mistura de 60% em baixas cargas; e um aumento no consumo de combustível à medida que a densidade energética do combustível diminui.

Na imagem, o motor diesel John Deere de 13,6 litros em uma bancada de testes na Universidade Purdue. (Foto: John Deere Power Systems)

“O etanol e o biodiesel, assim como as misturas que incluem ambos, têm uma densidade energética menor do que o diesel convencional, em grande parte porque são oxigenados. É preciso injetar mais combustível no cilindro para obter a mesma quantidade de torque ou a mesma quantidade de potência na mesma rotação do motor”, destacou Shaver.

“Portanto, uma conclusão fundamental aqui é… você pode operar em condições de alto torque e alta potência, como com diesel, e sacrificaria isso, pelo menos um pouco, com uma mistura à base de etanol e biodiesel. É assim que a Mãe Natureza funciona.”

Embora haja um limite para a quantidade de combustível que se pode colocar na câmara de combustão, alterações no projeto da câmara de combustão poderiam talvez contornar essa limitação, disse Shaver. "Mas, de uma forma ou de outra, provavelmente haverá um limite em relação ao torque máximo e à potência máxima."

Em última análise, o projeto alcançou seu objetivo: demonstrar que um motor a diesel pode, de fato, queimar etanol de alguma forma. Mas ainda há trabalho a ser feito.

“Eu disse: 'Parece promissor, mas não devemos parar por aqui'”, disse Dou. “Não comprovamos tudo – durabilidade, conformidade com as normas de emissões, outros aspectos do motor. Precisamos analisar a situação como um todo. Por isso, queremos formar um consórcio para dar continuidade a este projeto. Não queremos seguir sozinhos.”

É preciso uma aldeia inteira

O consórcio foi oficialmente registrado no sistema da Universidade Purdue e a John Deere convidou diversas entidades para participar de um projeto de três anos que investiga como desenvolver um combustível adequado para uso em motores a diesel.

“Tentamos montar uma equipe que aproveitasse a experiência de fabricantes de equipamentos originais (OEMs), fornecedores de combustível e alguns ótimos pesquisadores que pudessem analisar todos os detalhes da combustão em conjunto – manter tudo transparente, explorar”, enfatizou Dou. “Descobriremos coisas que não foram um sucesso claro, mas que, até agora, justificam pesquisas adicionais. Vemos oportunidades aqui.”

Quanto mais organizações unirem forças, acrescentou ele, maior será a chance de desenvolver uma solução bem-sucedida e econômica.

A John Deere formou um consórcio para investigar como desenvolver e dar suporte a um combustível "independente do motor", derivado de culturas cultivadas por seus clientes. (Foto: John Deere)

O consórcio abordará a otimização da combustão em motores, a identificação de falhas, o perfil de durabilidade e outros aspectos do uso de biocombustíveis em motores existentes.

“Estamos tentando criar um combustível que seja compatível com qualquer motor”, afirmou Dou. “Se pudermos aproveitar os motores existentes, podemos ter um impacto maior na demanda... Então, estamos buscando determinar qual é a quantidade mínima de produto necessária para usar em um motor já existente. Também nos perguntamos: 'Qual é o potencial máximo possível?' Tentamos abordar ambos os espectros com esta pesquisa.”

O objetivo é gerar dados suficientes para convencer a indústria e os fornecedores de combustíveis de que uma mistura de etanol pode representar um conceito vencedor com potencial de crescimento, além de fornecer a eles um roteiro para um crescimento progressivo.

“O setor de veículos pesados é muito conservador. Eles podem dizer: 'Vejo riscos suficientes, não me sinto confortável, então vou observar'. Nós dizemos que vamos dar alguns passos cautelosos”, disse Dou. “A maioria das estratégias de combustível começou com uma concentração menor para comprovar [o conceito]. Estamos buscando um roteiro semelhante.”

Energia e infraestrutura

Possíveis trabalhos futuros também avaliarão o armazenamento de combustível a longo prazo, a estabilidade e as opções de tanques, bem como a qualidade do combustível e as questões de segurança.

“Não basta provar que o motor funcionará bem com o combustível, alguém precisa produzir o combustível, alguém precisa distribuí-lo, torná-lo disponível, o que exige um esforço igualmente grande”, disse Dou.

“Precisamos de um sistema de propulsão que funcione para o cliente, mas a energia também precisa estar disponível para ele, e essa energia precisa ser economicamente viável. Disponibilidade, preço, conveniência, armazenamento – tudo isso importa para que o cliente tenha mais sucesso.”

“A coalizão tem como objetivo aprimorar a solução do motor, otimizá-la, mas também garantir que a infraestrutura, a fabricação e tudo o que ainda não aprendemos possam ser descobertos”, acrescentou Dou. “Queremos fazer isso cedo o suficiente para podermos contar a história completa – este é o panorama geral – e esperamos que se revele uma solução mais atraente do que outras.”

Mais diversidade pela frente.

De modo geral, a John Deere prevê um futuro mais diversificado para os sistemas de propulsão, e não está sozinha nessa visão.

“As outras montadoras estão seguindo uma estratégia semelhante, nesse sentido – ofertas de powertrain mais diversificadas para atender às aplicações específicas que os segmentos de clientes procuram, e pode não haver uma solução única para tudo”, disse Dou.

Os motores a diesel continuarão a fazer parte das soluções disponíveis. "O diesel ainda é fundamental para nós. Não vamos abandonar o diesel. Ainda vemos que o diesel apresenta características de desempenho consistentes. É por isso que o diesel é o rei", afirmou Dou.

O diesel provavelmente manterá sua dominância, disse ele, mas as opções aumentarão – talvez incluindo sistemas de ignição por faísca ou diferentes maneiras de usar combustíveis alternativos em um sistema de ignição por compressão. “Todas essas são possibilidades, e precisamos testar o mercado para ver qual será a melhor solução.”

A John Deere apoia "todos os tipos de soluções", disse Dou, mas as soluções desenvolvidas precisam funcionar nas mãos dos clientes. "Elas precisam ser produtivas e lucrativas. No final, o cliente precisa decidir qual é a solução certa", afirmou.

“O que quer que seja importante para o nosso cliente, nós apoiamos. Os sistemas de propulsão terão mais opções em breve, portfólios mais amplos provavelmente serão uma realidade, e uma maior variedade de combustíveis se tornará realidade”, previu ele. “Existem diferentes maneiras de fazer isso, e deixaremos que a melhor solução prevaleça.”

Solução versátil para clientes do setor agrícola

O etanol é um combustível versátil, afirmou o Dr. Danan Dou, da John Deere. Por exemplo, estão sendo realizados testes piloto iniciais para avaliar como o etanol pode ser usado para produzir hidrogênio.

O etanol produzido a partir de culturas agrícolas pode ser refinado para produzir uma gama de combustíveis. (Foto: John Deere)

“O processo está bem desenvolvido. O motivo é que ele é o mesmo que a reforma a vapor do metano. As etapas são as mesmas, você só muda a matéria-prima”, explicou ele. “Isso é relevante se você usar o hidrogênio para produzir amônia e usar a amônia como fertilizante e devolvê-la à agricultura.”

O etanol também pode ser refinado para produzir uma gama de combustíveis, incluindo álcoois superiores ou combustíveis de hidrocarbonetos. Da mesma forma, o óleo vegetal pode ser refinado para produzir propano renovável, diesel renovável, querosene de aviação renovável e nafta renovável, permitindo seu uso em diversas indústrias.

Por ser um combustível líquido, o etanol é fácil de manusear em termos de tanques de combustível, transporte, etc. Segundo Dou, combustíveis gasosos como hidrogênio, gás natural, propano e biometano podem ser mais difíceis de gerenciar e têm densidades energéticas comparativamente menores. Dito isso, diferentemente do diesel, que tem um ponto de fulgor mais alto, o etanol é inflamável e precisa ser tratado como tal.

“Portanto, sob essa perspectiva, vemos o [etanol] como um meio-termo em relação ao diesel, mas é uma opção muito melhor para nossos clientes em comparação com o hidrogênio e o gás natural”, disse Dou. “É uma escolha menos difícil de gerenciar do ponto de vista da aceitação do cliente.”

“Se eles conseguirem suprir a demanda de seus próprios cultivos agrícolas”, acrescentou, “será uma vitória para eles”.