Baterias elétricas de vários tipos e formatos há muito se tornaram parte integrante da vida das pessoas modernas. Acredita-se que a primeira bateria foi criada há cerca de 2.000 anos. Consistia em uma jarra de barro cheia de vinagre, uma barra de ferro e um cilindro de cobre. Muita coisa mudou desde então na tecnologia de fabricação dessas fontes de energia. As baterias modernas têm se desenvolvido e se aperfeiçoado por mais de dois séculos. A bateria, cuja semelhança é usada em nosso tempo, foi criada em 1798 por Alessandro Volta. Além de seu próprio conhecimento, Volta usou os resultados dos experimentos de Luigi Galvani.
Essa tecnologia continua a melhorar, desenvolver e reduzir o custo de sua implementação. Hoje estamos rodeados de aparelhos eletrificados. Além disso, muitos dispositivos e sistemas são simplesmente impossíveis sem uma fonte de energia autônoma - uma bateria elétrica. De smartphones e fones de ouvido portáteis a carros elétricos, drones, dispositivos médicos e sistemas autônomos de suporte de vida para alojamentos e hospitais. Ao mesmo tempo, o número de dispositivos eletrificados, sistemas com fonte de energia elétrica autônoma no mundo moderno, está crescendo rapidamente. As baterias são usadas em uma ampla variedade de dispositivos: domésticos, de transporte, de infraestrutura, médicos.
Todos os dispositivos digitais, como jogadores, smartphones e outros dispositivos vestíveis, bem como carros elétricos, estão cada vez mais melhorando suas capacidades, e essas capacidades são determinadas principalmente pela energia armazenada nas baterias.
A tecnologia das baterias elétricas é conhecida há muito tempo, mas seu uso pleno começou no século 20, houve um processo contínuo de aprimoramento da tecnologia: aumento da eficiência, redução do custo de produção das baterias, redução de peso e muito mais.
Nos últimos anos, a crescente demanda por baterias e acumuladores no mercado global lançou muitos desenvolvimentos inovadores. Alguns deles estão sendo testados ativamente. Lítio metálico ultraleve, baterias de titanato de lítio, baterias flexíveis para dispositivos vestíveis, baterias de alumínio-ar, baterias de carbono com uma taxa de carregamento muito alta, baterias orgânicas baratas e muitas outras estão sendo investigadas. Baterias aprimoradas devem carregar mais rápido, armazenar muito mais energia e suportar mais ciclos de carga / descarga.
Ferramenta de engenheiro
Quais ferramentas os engenheiros podem usar para projetar sistemas elétricos complexos e altamente eficientes? No contexto da metodologia da Dassault Systemes a engenharia de sistemas criou uma ferramenta especial para o desenvolvimento de baterias elétricas - BATTERY LIBRARY, simulação de sistema de biblioteca de modelagem matemática do comportamento de sistemas DYMOLA . É uma biblioteca para modelagem matemática do comportamento, funcionamento da bateria elétrica e seus sistemas auxiliares.
É baseado na linguagem Modelica e é usado para integrar baterias de armazenamento elétrico em sistemas elétricos complexos com uma fonte de alimentação independente e autônoma. Existe um modelo matemático da célula: químico, termodinâmico, elétrico, modelo de envelhecimento de elementos químicos, bem como um template pronto para implementar os requisitos das normas ISO.
Uma característica desta ferramenta é um limite reduzido para entrar na tecnologia. Um especialista no desenvolvimento de um sistema eletrificado não precisa de educação especializada e algum tipo de vasta experiência nesta área. Toda a experiência da engenharia mundial nesta área está contida nas equações matemáticas desta biblioteca. O desenvolvedor pode ter certeza que com sua ajuda criará uma bateria elétrica eficiente e moderna que atenda a todas as normas internacionais e seus sistemas auxiliares. Essencialmente, é um tesouro de experiência em engenharia. Essa ferramenta simplifica muito a criação de um produto competitivo.
Eletrificação de todo o país
A tendência de eletrificação é observada hoje em muitas indústrias. Por exemplo, na indústria aeroespacial, duas áreas principais podem ser distinguidas: substituição dos sistemas de controle mecânico e parte do hidráulico de uma aeronave por elétricos e, com isso, aumentar a autonomia, compactação e simplificar a operação. Isso se tornou possível devido ao aumento da confiabilidade e capacidade de fabricação dos sistemas elétricos e, em particular, das baterias.
As baterias são indispensáveis onde os critérios de autonomia são importantes. Por exemplo, um exoesqueleto foi desenvolvido em Skolkovo, que é usado na reabilitação do sistema músculo-esquelético de pacientes. Sua outra aplicação é a redução da atividade física nas empresas. O sistema de exoesqueleto não teria sido possível sem uma fonte de energia autônoma, sem uma bateria. Somente se atender a todos os requisitos modernos, o produto pode ser procurado e competitivo.
Uma das últimas tendências da aviação é a busca pela redução do impacto ambiental. As usinas elétricas, que, como você sabe, não emitem nada para a atmosfera, requerem o desenvolvimento e o uso de literalmente todos os tipos de baterias elétricas - íon-lítio, hidrogênio, híbridas.
Se falamos de espaço, então tudo é óbvio mesmo sem fatores externos: todas as fontes de eletricidade usadas, na verdade - baterias: solares, químicas (íon-lítio, cádmio-lítio, hidrogênio, etc.), bem como radioisótopo (RTG ) A única alternativa a eles é um reator nuclear.
Baterias elétricas são usadas em sistemas de energia autônomos de reserva (centros de dados, hospitais e outras instalações críticas), trens elétricos, veículos elétricos, drones, engenharia pesada (escavadeiras, carregadeiras), construção naval (jet skis).
No final de setembro, a BASF iniciará a produção em massa de novas baterias sem lítio. Até agora, essas tecnologias são caras, mas a proibição dos motores clássicos a diesel e até dos motores de combustão interna estimulará o desenvolvimento do transporte elétrico. Por exemplo, na Suécia, os carros novos com motores a diesel ou gasolina não serão vendidos após 2030, a Noruega planeja proibir a venda de carros com motores de combustão interna a partir de 2025 e a Dinamarca, como a Suécia, a partir de 2030. Entre os estados que adotaram normas semelhantes, existem também grandes economias como a Grã-Bretanha e a França. Estes últimos tendem a proibir os motores de combustão interna até 2040.
Na realidade moderna, o desenvolvedor deste ou daquele sistema com fonte de energia autônoma dá grande atenção a isso, porque este subsistema determina em grande parte o quão bem-sucedido será o produto que desenvolve.
Uma das áreas mais promissoras são as células a combustível de hidrogênio.
Células de combustível de hidrogênio
Uma das tendências da engenharia no campo de novas fontes de alimentação para usinas de vários sistemas autônomos são as células a combustível de hidrogênio. A primeira célula a combustível de hidrogênio foi projetada pelo cientista inglês William Grove na década de 30 do século XIX. A viabilidade de produzir energia em uma célula a combustível de hidrogênio-oxigênio usando um eletrólito ácido foi demonstrada. A NASA usou as células de combustível atualizadas na espaçonave Apollo como a principal fonte de energia.
Uma célula de combustível de hidrogênio é uma tecnologia que, se adequadamente desenvolvida no futuro, pode substituir os combustíveis de hidrocarbonetos. A principal vantagem das células de hidrogênio é a compatibilidade ambiental. Os sistemas de células de combustível já foram projetados para alimentar sistemas de computador, iluminação de pequenos pátios e até mesmo carros e ônibus. Existem até planos para lançar aeronaves com células de combustível de hidrogênio.
Hoje, já existem muitos projetos concluídos: carros, fontes de alimentação ininterruptas autônomas militares, veículos aéreos não tripulados e, em meados do ano passado, Bill Gates encomendou para si um iate com células a combustível de hidrogênio.
Esta tecnologia é bem conhecida na Federação Russa, existem desenvolvimentos avançados. Eles são usados em drones voadores, um trem de hidrogênio foi criado: o grupo Transmashholding juntamente com a Rosatom estão planejando produzir trens movidos a hidrogênio na Rússia, e a Russian Railways está considerando a Ilha Sakhalin como um campo de testes piloto para seu lançamento.
No exterior, a BMW e a Toyota desenvolveram uma transmissão de hidrogênio para carros verdes. Um trem de força com célula de combustível de hidrogênio formará a base do Hydrogen Next da BMW. A Mercedes-Benz revelou seu primeiro carro de produção com células de combustível de hidrogênio, o GLC F-Cell.
As células a combustível de hidrogênio têm uma alta eficiência de 60%. E de acordo com este parâmetro, a energia do hidrogênio é a fonte de energia mais atrativa. Essa tecnologia, em comparação com as baterias elétricas, também traz uma série de outras vantagens, como o aumento da vida útil da bateria do produto, maior eficiência energética.
Não leva tempo para carregar células de combustível de hidrogênio, ele só precisa ser carregado com hidrogênio. Em particular, as vantagens e características das células de combustível de hidrogênio são muito procuradas na aviação. Por exemplo, drones para monitoramento remoto de óleo e gás ou outros objetos devem ter uma reserva de energia significativa - 4-5 horas. Não é fácil fornecer esses indicadores e o VTE é uma das formas mais bem-sucedidas. Existem vários projetos promissores de aeronaves elétricas de passageiros no mundo hoje. As baterias de hidrogênio podem ser um elemento-chave desses sistemas.
A principal aplicação no momento são projetos de alta tecnologia. Essa é uma tendência mundial e, no futuro, com a diminuição do custo de implantação do projeto, o custo dessa tecnologia, ela terá ampla aplicação. E a Dassault Systemes tem vários projetos de sucesso nessa área.
Enquanto isso, no momento, a complexidade e o custo da tecnologia do hidrogênio no processo de design e produção estão parando muitas comunidades de engenheiros, dificultando a aplicação. Portanto, compilar dados de engenharia é importante - ao comprar esses dados, você não terá que começar com coisas básicas.
Para ajudar os desenvolvedores
A Dassault Systemes tem uma ferramenta especial para desenvolver sistemas de células a combustível de hidrogênio - a Biblioteca de Hidrogênio no pacote de software de simulação DYMOLA . A biblioteca, escrita em Modelica, contém componentes-chave dos sistemas de células de combustível de hidrogênio PEM para integração em vários sistemas de energia e usinas de energia.
Um modelo detalhado de pilhas de células de combustível, um modelo de dependência de temperatura e pressão de vários gases: oxigênio, hidrogênio e vapor de água e muito mais foram criados. O projetista pode projetar um sistema de célula de combustível de hidrogênio eficiente, moderno e de classe mundial e seus subsistemas auxiliares.
A Dassault Systemes está envolvida em muitos projetos como consultor metodológico e provedor de software para modelagem, análise, comparação e integração de dados.
Padrão FMI
FMI (Functional Mock-up Interface) também vem em auxílio de engenheiros e desenvolvedores - uma interface padronizada usada em simulação de computador para criar sistemas ciberfísicos complexos. FMI é um padrão aberto desenvolvido para portar modelos de sistemas dinâmicos entre diferentes ambientes de modelagem de vários fornecedores, bem como para experimentos computacionais colaborativos. Ele resolve um dos problemas mais dolorosos da engenharia de sistemas - a capacidade de transferir modelos entre ferramentas. Hoje, o padrão FMI é compatível com muitos sistemas de simulação.
Hoje, o padrão FMI, uma interface para transferência e compartilhamento de modelos em vários ambientes de modelagem, é um padrão que está se tornando cada vez mais popular.
A exportação de modelos no formato Functional Mock-up Unit (FMU) tem diferentes aplicações. Em primeiro lugar, a FMU pode ser usada em diferentes ambientes e linguagens de programação. O FMU também protege a propriedade intelectual ao compilar o código do modelo em um arquivo binário, que pode ser útil ao trocar modelos com clientes e colegas.
O FMI é suportado por muitas ferramentas de desenvolvimento e é usado em muitas indústrias de engenharia na Europa, Ásia e América do Norte. Tornou-se o padrão da indústria de fato para a troca de modelos matemáticos de simulação.
Se no final do século 20, na comunidade de engenharia, o padrão para o desenvolvimento de um modelo sólido de um produto era o formato STEP, STL ou qualquer outro formato, então o formato FMI se torna o próximo marco no desenvolvimento de ferramentas de troca de dados de engenharia. Ele descreve não apenas as dependências geométricas do futuro produto, o modelo sólido, mas também seu comportamento, ou seja, como o produto funciona em um determinado modo de operação.
Já em 2008, de acordo com os termos de referência da Daimler AG, a Dassault Systemes criou um consórcio europeu denominado MODELISAR, que, após uma série de estudos tecnológicos, definiu a especificação da futura tecnologia e padrão FMI. Sua tarefa era definir as características do FMI, conduzir estudos de tecnologia que comprovassem os conceitos do FMI por meio de casos de uso desenvolvidos.
O conceito principal na criação do FMI foi apoiar uma abordagem específica. Baseia-se no fato de que um produto real consiste em uma ampla gama de sistemas, subsistemas e componentes que interagem entre si de forma complexa: eles são controlados, governados por inúmeras leis da física que descrevem o funcionamento e o comportamento de um determinado subsistema ou componente.
O seguinte foi proposto: dar a oportunidade de criar um produto virtual, onde você pode coletar um conjunto de modelos de sistemas e subsistemas, cada um dos quais é um modelo de leis físicas. E também incluir ali um modelo de sistemas de controle (utilizando elementos de microeletrônica e software). Tudo isso é coletado em um único modelo matemático de simulação digital na forma de FMI.
Essa tecnologia é mais amplamente utilizada na indústria automotiva. Por exemplo, um designer de veículo pai cria um modelo matemático no nível superior, gera um arquivo e o entrega a seus contratados. O contratante recebe o arquivo na forma de especificação técnica e desenvolve seu subsistema ou algum tipo de componente.
Em seguida, o desenvolvedor principal coleta modelos matemáticos de todos os componentes e subsistemas, conduz certificação, validação e verificação abrangentes de certas soluções de engenharia, o que, por sua vez, melhora a comunicação entre diferentes empresas de engenharia e organizações com empreiteiros. Para a empresa-mãe, isso também reduz os riscos: você pode mudar de contratante a qualquer momento, mudar para outro com relativa rapidez. Além disso, o tempo e os ciclos de desenvolvimento de novos sistemas são reduzidos.
Essa abordagem tem sido usada por mais de 10 anos em outras indústrias: aviação, instrumentação, construção naval, desenvolvimento de equipamentos médicos e muitas outras áreas.
A Dassault está trabalhando ativamente na implementação do FMI. A modelagem matemática como tal, e o formato FMI em particular, tornaram-se parte integrante do processo de design moderno.
Continuando nosso artigo, convidamos você a assistir a 3 podcasts de vídeo da Dassault Systemes cobrindo os tópicos "Baterias elétricas" , "Células de combustível de hidrogênio" e "Interface Mock-up Funcional - FMI"
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