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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA ESPECIALIDAD MECÁNICA
ALTERNATIVAS AL AUTOMÓVIL CONVENCIONAL
Autor: Jaime Ruiz-Jarabo Cavestany
Director: Francisco Fernández - Daza
Madrid Julio 2015
AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO
ABIERTO DE DOCUMENTACIÓN
1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.
El autor D. Jaime Ruiz–Jarabo Cavestany, como estudiante de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA
COMILLAS (COMILLAS), DECLARA que es el titular de los derechos de propiedad intelectual,
objeto de la presente cesión, en relación con el Alternativas al Automóvil Convencional que
ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley
de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra.
En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el
consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa
cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna
autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la
facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.
2º. Objeto y fines de la cesión.
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la
Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que
más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor
CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo
legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de
distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica,
tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se
cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.
3º. Condiciones de la cesión.
Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de
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(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;
realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así
como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua”
o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.
(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,
incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de
garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.
(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional,
accesible de modo libre y gratuito a través de internet.
(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital.
4º. Derechos del autor.
El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad
por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:
a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los
derechos del documento.
b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través
de cualquier medio.
c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse
en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).
d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para
la obtención del ISBN.
e) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras
personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de
propiedad intelectual sobre ella.
5º. Deberes del autor.
El autor se compromete a:
a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún
derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.
b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la
intimidad y a la imagen de terceros.
c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que
pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e
intereses a causa de la cesión.
d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por
infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.
6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.
La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y
respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con
fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la
Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:
a) Deberes del repositorio Institucional:
- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza
ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior
de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia
privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio
comercial, y que no se realicen obras derivadas.
- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la
responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre
del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del
depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la
Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso
de las obras.
- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un
futuro.
b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:
- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en
caso de reclamaciones de terceros.
Madrid, a 13 de Julio de 2015
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA ESPECIALIDAD MECÁNICA
ALTERNATIVAS AL AUTOMÓVIL CONVENCIONAL
Autor: Jaime Ruiz-Jarabo Cavestany
Director: Francisco Fernández - Daza
Madrid Julio 2015
ALTERNATIVAS AUTOMOVIL AL CONVENCIONAL
Autor: Ruiz-Jarabo Cavestany, Jaime
Director: Fernández-Daza, Francisco
Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO
Introducción
Desde hace algunos años, especialmente con la creciente preocupación por el
medio ambiente y las recientes crisis del petróleo, la apuesta por buscar
alternativas al automóvil convencional se está volviendo una prioridad. Para ello
se están invirtiendo mucho tiempo y dinero, no sólo los grandes referentes en la
industria del automóvil, sino también los gobiernos de muchos países que
ofrecen ayudas económicas, con el fin de dar un empujón definitivo a este
sector.
Sus razones tienen, pues es precisamente el sector del transporte el genera más
de la mitad de los contaminantes totales emitidos a la atmósfera. Por ello, este
sector se ha visto obligado a tomar medidas con el objetivo de reducir estos
preocupantes niveles de contaminación. Prueba de ello es la creación de las
normas EURO X, que obligan a los fabricantes a reducir considerablemente
dichas emisiones. Algunos de ellos, optan por mejorar la eficiencia de los
vehículos de combustión, con medidas como la utilización de materiales ligeros
para reducir la masa del vehículo, o con complejos sistemas de recuperación de
energía térmica. Eso sí, todos ellos, en mayor o menor medida, optan por buscar
alternativas a los propios vehículos de combustión.
Por otro lado, el consumo de energía de este sector es enorme, siendo en la
mayoría de los países el sector que más energía consume. Este es el caso de
España, donde el transporte constituye cerca de un 40 % de la energía total
consumida. No sólo eso, sino que además prácticamente la totalidad de los
combustibles usados para el transporte tienen su origen en los derivados del
petróleo, lo que contribuye enormemente a que la dependencia energética en
España esté próxima al 80%, muy por encima del 54% de la media europea.
Por tanto, la búsqueda de alternativas al vehículo de combustión interna se ha
convertido en una necesidad, con el fin de reducir las emisiones contaminantes y
el consumo de energía, en especial reduciendo el consumo de derivados del
petróleo, y con ello los problemas de inestabilidad que conlleva el petróleo, y así
además contribuir a reducir la dependencia energética de muchos países.
Otro tema es que, aunque la sociedad se preocupe cada vez más por buscar
alternativas que cuiden el medio ambiente y reduzcan el consumo de energía,
para la mayoría de la población todavía tiene más peso el factor económico, en
especial en estos tiempos de crisis. Consecuentemente, se harán estudios de tanto
el impacto energético como del impacto medioambiental para cada tecnología.
En resumen, hoy en día, parece que se está a punto de llegar a un punto de
inflexión, en el que está claro que los vehículos de combustión interna irán
perdiendo protagonismo progresivamente hasta una hipotética desaparición. Lo
que no resulta tan evidente es que alternativas serán las que tengan más
desarrollo en un futuro, y mucho menos aún el ritmo al que se irá desplazando al
vehículo convencional
Metodología
Lo primero que se realizará en el proyecto será analizar técnicamente cada una
de las tres alternativas a los vehículos de combustión que se van a tratar en este
proyecto: vehículos eléctricos, vehículos híbridos y vehículos de hidrógeno. De
esta forma, se pondrá en contexto el estado actual de cada tecnología,
comentando el proceso de evolución que ha ido sufriendo desde sus orígenes, y
comentando de una manera más técnica su funcionamiento básico y
componentes principales.
Una vez estudiado el desarrollo de cada tecnología, se procederá a realizar la
segunda parte del proyecto, un estudio del impacto económico, energético y
medioambiental de cada una de las tres alternativas.
Para comenzar con el estudio económico, se analizarán los costes en detalle para
cada alternativa (gasto en combustible, mantenimiento, impuestos de circulación
y matriculación, etc.), con los que se procederá a realizar el cálculo de la
amortización que requeriría la compra de estos vehículos, frente al uso del
convencional para un cliente medio. Para realizar el estudio económico, se hará
un previo estudio de mercado, de donde se tomará un modelo representativo de
cada alternativa, con el que se procederá a los cálculos. En concreto se han
optado por los siguientes modelos: e-Golf como vehículo eléctrico y el Golf
GTE como vehículo híbrido, ya que se consideran vehículos con unas
prestaciones más que razonables dentro del mercado de cada tecnología, y dado
que disponen de modelos de combustión de características más o menos
equivalentes con los que realizar la comparativa. En cuanto al vehículo de
hidrógeno, no hay actualmente modelos en el mercado automovilístico español,
por lo que el estudio económico se hará únicamente de forma cualitativa,
tomando el Toyota Mirai como modelo representativo.
Una vez realizado este cálculo de los kilómetros que un cliente medio deberá
recorrer para amortizar cada vehículo, se procederá a realizar el mismo cálculo
para casos reales. Esto se debe a que las limitaciones en cuanto a autonomía y
tiempo de recarga del vehículo eléctrico, hace que para este caso no sea tan
sencillo como realizar el cálculo de los kilómetros mínimos para amortizarlo,
pues este no se adecua al uso de todos los usuarios. Para ello, se ha realizado un
pequeño modelo de decisión, implementado en Excel, en el que metiendo una
serie de datos de los vehículos, y de las condiciones particulares de cada
conductor, el modelo calcula los kilómetros requeridos para la amortización del
vehículo, los años para que tenga lugar esta amortización y la diferencia
económica que supondría haber optado por una u otra opción en los años en los
que el usuario tiene pensado conservar el vehículo elegido. Automáticamente, el
modelo indicará la mejor opción de las cuatro contempladas, ya sea el vehículo
eléctrico, el híbrido o cualquiera de los dos modelos de combustión.
En lo referido al estudio del impacto energético, se analiza si las diferentes
alternativas al automóvil convencional pueden contribuir en la reducción del
consumo de energía a nivel global y en la reducción de la dependencia
energética, algo que parece más que razonable a priori por el elevado
rendimiento de los motores eléctricos. Sin embargo, no es tan sencillo como
esto, pues hay que tener en cuenta no solo los consumos de combustible de cada
vehículo, si no al tratarse de combustibles tan diferentes, se debe considerar el
consumo energético del proceso entero, desde el origen de la energía hasta su
consumo en los vehículos, pasando por su transformación, transporte,
infraestructura, etc. Para ello, es fundamental el concepto de la Tasa de Retorno
Energética (TRE), que es precisamente el cociente entre la energía total que una
fuente de energía devuelve y la energía invertida en explotar, desarrollar y
mantener esa misma fuente de energía. Para el caso de la energía eléctrica
utilizada para cargar las baterías de los eléctricos y de los híbridos enchufables,
se calcula un TRE ponderado utilizando las TRE de todas las fuentes de energía
que constituyen la demanda energética en España. Con ello, se calculará la
energía real consumida por cada 100 km que recorra cada tipo de vehículo.
Por último, se realizará un impacto medioambiental de cada alternativa. Para
ello, se analizarán las emisiones reales de cada vehículo, considerando también
las emisiones de la producción de la energía eléctrica utilizada para cargar las
baterías del eléctrico y del híbrido enchufable.
Resultados y Conclusiones
Los resultados obtenidos son en todos los sentidos positivos en cuanto a las
alternativas eléctrica e híbrida. Desde el punto de vista económico, ambos
requieren periodos de amortización no muy elevados dando viabilidad
económica a estos vehículos. Sin embargo, existen una serie de impedimentos
técnicos que hacen que ambas tecnologías, pero sobretodo la eléctrica, no se
hayan terminado de imponer en el mercado. Estos están principalmente en las
baterías, que con sus reducidas autonomías y elevados tiempos de recarga, hacen
que los vehículos eléctricos estén destinados a día de hoy a un sector del
mercado bastante específico. Estos usuarios, además de no utilizar el vehículo
para viajes largos, su recorrido diario continuado debe ser menor que la
autonomía del vehículo, y además debe tener una plaza de garaje donde pueda
instalar un punto de recarga.
En lo referido al estudio del impacto energético, los vehículos eléctricos para
recorrer cada kilómetro requieren una inversión energética mucho menor que los
de combustión y las otras alternativas. En concreto para los modelos estudiados,
para cada kilómetro el eléctrico requiere una energía unas 7, 18 y 21 veces
menor que la requerida para cada kilómetro de los vehículos híbridos, diésel y
gasolina respectivamente. En cuanto al híbrido, sigue aportando una reducción
energética importante con respecto a los modelos de combustión, aun siendo
bastante inferior a la del eléctrico.
Por el lado medioambiental, los eléctricos e híbridos vuelven a aportar una
mejora considerable, aun considerando las emisiones producidas por la
generación de la electricidad utilizada. En este sentido, destacan sobretodo en la
reducción de las emisiones locales, o su eliminación en el caso de los eléctricos,
siendo estas las más importantes pues son emitidas en la ciudad, donde las
consecuencias son mayores. Mientras que, por otro lado, las emisiones
producidas para la generación de la electricidad se produce precisamente donde
estén esas fuentes, generalmente alejadas de las grandes ciudades.
En cuanto a los vehículos de hidrógeno, la falta de datos en el sector
automovilístico hace que no se haya podido evaluar por completo esta
tecnología. No obstante, todo apunta a que se trata de una evolución del
vehículo eléctrico, pues tiene unas prestaciones muy parejas, o incluso algo
superiores en particular para estos modelos, a la vez que soluciona los problemas
de autonomía y tiempo de recarga de los vehículos eléctricos. Además, mantiene
las cero emisiones locales del eléctrico, y elimina también el problema del efecto
memoria de las baterías de los eléctricos. Todo esto, manteniendo las ventajas
del motor eléctrico, es decir, un elevado rendimiento, par máximo desde bajas
revoluciones, etc. Sin embargo, presenta a día de hoy dos importantes
inconvenientes que le hacen no ser una alternativa real: su elevado precio de
adquisición y la reducida infraestructura de repostaje de hidrógeno.
Por otro lado, esta alternativa tiene una gran dependencia con la forma de
obtención y almacenamiento del hidrógeno por la que se opte. En este sentido,
en la mayoría de las veces, hay conflictos de interés, pues el método de
producción más económico no es precisamente el más respetuoso con el
medioambiente ni tampoco tiene porque ser el más viable energéticamente. Y es
precisamente en este ámbito donde se deben centrar las investigaciones para que
el vehículo de hidrógeno resulte más económico, y con menores impactos
energético y medioambiental.
ALTERNATIVES TO THE CONVENTIONAL CAR
Author: Ruiz-Jarabo Cavestany, Jaime
Director: Fernández-Daza, Francisco
Collaborating Organization: ICAI – Universidad Pontificia Comillas
ABSTRACT
Introduction
For several years, specially due to the increasing concern for the environment
and the current oil crisis, the support of seeking new alternatives to the
conventional automobile is turning into a priority. To do so, both time and
money are being spent in great quantities, but not only by those considered as
models in the automotive industry, but also by many other governments that
offer they economic support, with the aim of pushing forward this specific area.
These boosts of budget are deeply justified, since is the transport sector that
sends out more than the half of the contaminating substances to the atmosphere.
This being the main reason why this area has been pushed to take steps with the
aim of reducing these alarming levels of pollution. As a proof of this, the EURO
X norms have been created, which oblige the manufacturers to reduce the
emissions to the minimum. Some of them, choose to improve the efficiency of
the vehicles that work with a combustion engine, with measures such as the use
of lighter materials in order to lessen the vehicles mass, or the use of complex
systems of thermal recovery. In their own ways, they all look for new
alternatives to the vehicles with combustion engines.
Furthermore, the energy consumption of this area is huge, since it is the most
powerful area in most of the countries. This is the case of Spain, where not only
transport constitutes near 40% of the total energy consumed in the country, but
also almost all of the fuels used have their origin in components derived from
petroleum, which contributes highly to the excessive energetic dependency on
these components that Spain shows (near 80%) compared to the european
average (54%).
Henceforth, the research of alternatives to the internal combustion vehicles has
become necessary, with the aim of reducing the contaminant emissions as well
as the energy consumption, specially focusing on reducing the use of
components derived from petroleum, and with it, reducing as well the instability
that comes with the oil, also contributing to reduce other countries dependency
on the same area.
Another topic is the social concern. Although as a society we are more
concerned to look for alternatives that would not damage the environment and
that will reduce the amount of energy consumed, the economic factor stills of
great importante for most of the population nowadays. Therefore, both the
energetic and environmental impact will be studied for each kind of technology.
To sum up, nowadays it seems that we are reaching our knee point, where the
combustion vehicles will be loosing the main positions until reaching a
hypothetical disappearance. However, it is not that sure which will be the
alternative that will most develop in the future, and less we know about the
rhythm at which this development will replace the conventional automobile.
Methodology
First off, in this project it will be technically analyzed each of the alternatives to
the combustion vehicles: electric vehicles, hybrid vehicles and hydrogen
powered vehicles. In this regard, the actual state of each technology will be
contextualized, getting into the development process they go through from their
origin and discussing in a more technical way its basic functioning and their
principal components.
Once the development of each technology has been studied, the second part of
the project will be carried out: a study of the economic, energetic and
environmental impact of each of the three alternatives.
To start off with the economic research, the costs will be analyzed in great detail
for each alternative (expense on fuel, the maintenance service, taxes of both
circulation and registration, etc.), that will allow to work out the repayment
necessary for the buy of these kind of vehicles, versus the use of a conventional
one of an average client. However, to develop the economic study, it will be first
needed a market research where a representative model of each category will be
taken in order to make the calculations. These are the specific models that have
been chosen: e-Golf, as an electrical vehicle and Golf GTE as a hybrid vehicle
which are considered to have a great output in the technology market and they
also share similar combustion models that will make the comparative easier. To
what concerns to the hydrogen powered model, there is no such kind in the
Spanish market nowadays, so the study will be made just in a qualitative way,
taking the Toyota Mirai as a model.
Once the calculation of the total quantity of kilometers that an average client
should make to pay off the car has been made, the next step will be the
calculation for real cases. This is due to the limitations regarding the autonomy
and time of charge of the electric vehicle, which in this case makes it slightly
harder to work it out, as it does not adjust to the use of every user. In order to
make this possible, a little model of decision has been made, implemented in
Excel, where when introducing some pieces of information of the vehicles, and
of the particular conditions of each driver, the model can calculate the required
amount of kilometers for the amortization of the vehicle, the years needed for
that and the economic difference that would mean choosing one vehicle or
another in the same period of time. Automatically, the model will highlight the
best option of the four ones that are being compared.
In relation to the study on the economic impact, it will be analyzed whether the
different alternatives of the conventional automobile could contribute to reduce
the energy consumption in global terms and also to reduce the energetic
dependency, which seems much more reasonable beforehand since the high
performance offered by electrical engines. However, it is not at easy as it may
seem, because it should be taken into account not only the consumption of fuel
of each vehicle but also, the energetic consumption of the whole process, from
the origin of the initial energy until the final use of the car. In order to do this, it
is of fundamental importance the concept of EROEI (energy returned on energy
invested) which calculates precisely the quotient between the total energy that a
source of energy pays off, and the energy invested in exploiting, developing and
maintaining this source of energy. For the electric energy used to charge the
batteries of the electric and hybrid vehicles, a weighted EROEI is calculated
using the EROEI of each of the sources of energy that constitute the energetic
demand in Spain. When this calculation is finished, the real amount of energy
consummated will be calculated for each 100km that the vehicle will go through.
Finally, the environmental impact for each alternative will be worked out. To do
this, the real emissions of every vehicle will be analyzed taking also into
consideration the emissions of the production in the electrical energy used to
charge the batteries of both the electrical and the hybrid vehicles.
Results and Conclusions
The obtained results are in all ways possible positive in what refers to the
electrical and hybrid alternatives. From the economic point of view, both will
require considerably low periods of time to pay off which makes them viables
economically speaking. However, there are a series of technical impeachments
that cause that none of those technologies, but specially the electrical one, has
yet imposed on the market. These impeachments have to do with the batteries,
that with their reduced autonomies and high times of charge, oblige the electrical
vehicles to be for a more specific, and in consequence less popular in terms of
global, section of the market. These users do not use their vehicles for long
distances, their daily itinerary should be less tan the vehicles autonomy and also
have a big parking spot in order to instal a charging point.
When it comes to the energetic impact, the electric vehicles in order to go over
every kilometer require a lower energetic investment compared to the
combustion ones and the other alternatives. Specifically for the chosen models,
for each kilometer the electrical one requires 7, 18 and 21 times less amount of
energy than the required for each kilometer of the hybrid, diesel and gasoline
vehicles respectively. When it comes to the hybrid, it stills contribute to reduce
the energetic cost in a significant way in comparison to the models of
combustion.
Regarding the environmental aspects, the electric and the hybrid ones contribute
once again to a significant improvement, even though the emissions produced by
all the electricity that is being used. In this regard, it should be outlined the
reduction of local emissions, or its elimination in the case of the electric
vehicles, being these ones the most important aspects since these emissions go to
the city, where the impact is bigger. Furthermore, the emissions produced for the
generation of electricity are precisely originated where these sources are,
generally far away from big cities.
On the one hand, when it comes to hydrogen powered vehicles, the lack of
information on the area has made impossible to evaluate in detail this kind of
technology. However, it is safe to say that it may constitute an evolution of the
electric vehicle as it shows very similar or event improved characteristics, that
solve many of the issues regarding autonomy and time of charge that were a
great impeachment for the electrical vehicles. Moreover, it remains the zero
local emissions of those and eliminates the memory effect of the batteries of
these kind of vehicles. To all of this, should be added the whole pack of
advantages of an electrical engine such as a high performance. However, it
shows nowadays two important disadvantages that make it an unable possibility:
its high price of purchase and the reduced infrastructure for refueling with
hydrogen.
On the other hand, this alternative shows a great dependency when it comes to
the way of obtaining and storing the hydrogen, regardless of the chosen
alternative. In this regard, there are conflict of interests most of the times, since
the cheaper method of production it is neither the safer method for the
environment nor necessarily the most viable energetically speaking. It is
precisely in this field of study where the research should be carried out so the
hydrogen powered vehicle becomes not only more economic but also less
harmful for the environment.
Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI)
Alternativas al Automóvil Convencional
1
Índice de Contenido
1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................................... 11
1.1 Motivación del proyecto ................................................................................................... 11
1.2 Movilidad Sostenible ..................................................................................................... 11
1.3 El consumo de energía ...................................................................................................... 12
1.4 Contaminación atmosférica .............................................................................................. 15
1.4.1 La reacción de combustión y sus productos .............................................................. 15
1.4.2 Ruido .......................................................................................................................... 17
1.4.3 Evolución de la normativa anticontaminación ........................................................... 17
2. VEHÍCULO ELÉCTRICO .......................................................................................................... 21
2.1 Historia del coche eléctrico ........................................................................................... 21
2.2 Funcionamiento básico .................................................................................................. 33
2.3 Componentes principales .............................................................................................. 34
2.3.1 Baterías ................................................................................................................... 34
2.3.1.1 Generalidades ...................................................................................................... 35
2.3.1.2 Parámetros fundamentales ................................................................................. 36
2.3.1.3 Baterías de plomo-ácido ...................................................................................... 38
Historia ........................................................................................................... 38
Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas ..................................... 40
Características, ventajas y limitaciones .......................................................... 44
Aplicación en coches eléctricos ...................................................................... 47
2.3.1.4 Baterías basadas en el níquel .............................................................................. 48
a) Baterías de níquel-cadmio ...................................................................... 49
Historia ................................................................................................... 49
Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas .............................. 51
Características, ventajas y limitaciones ................................................... 52
Aplicación en coches eléctricos ............................................................... 55
b) Baterías de níquel-hidruro metálico ....................................................... 56
Historia ................................................................................................... 56
Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas ............................. 56
Características, ventajas y limitaciones ................................................... 59
Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI)
Alternativas al Automóvil Convencional
2
Aplicación en coches eléctricos ............................................................... 61
2.3.1.5 Baterías de ion-litio .............................................................................................. 62
Historia ........................................................................................................... 62
Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas ..................................... 63
Características, ventajas y limitaciones .......................................................... 65
Aplicación en coches eléctricos ...................................................................... 67
2.3.1.6 Baterías de metal-aire ......................................................................................... 68
a) Baterías de aluminio-aire ........................................................................ 71
b) Baterías de zinc-aire ............................................................................... 73
c) Baterías de litio-aire ................................................................................ 74
Resumen y conclusiones de las baterías de metal-aire .................................. 76
2.3.1.7 Baterías de base Sodio ......................................................................................... 77
a) Baterías de sulfuro de sodio ................................................................... 77
b) Baterías ZEBRA ........................................................................................ 79
2.3.1.8 Supercondensadores ........................................................................................... 80
2.3.1.9 Comparativa y conclusiones ................................................................................ 83
2.3.2 Motor eléctrico ....................................................................................................... 84
2.3.2.1 Breve historia del motor eléctrico ....................................................................... 85
2.3.2.2 Elementos básicos de los motores eléctricos ...................................................... 91
2.3.2.3 Tipos de motores eléctricos ................................................................................. 93
2.3.2.4 Comparación con motores de combustión interna ............................................. 97
2.3.3 Electrónica de potencia ........................................................................................ 103
Conversor ..................................................................................................... 103
Inversor ......................................................................................................... 104
Resumen y conclusiones ............................................................................... 105
2.3.4 Sistemas de recuperación de energía ................................................................... 107
2.3.4.1 Sistema de frenada regenerativa ...................................................................... 108
2.3.4.1 Sistema de suspensión regenerativa ................................................................. 110
3. VEHÍCULO HÍBRIDO ............................................................................................................ 111
3.1 Historia del coche híbrido ............................................................................................ 111
3.2 Clasificación de los híbridos ......................................................................................... 120
3.2.1 Tipos de híbridos .................................................................................................. 120
3.2.2 Configuraciones de híbridos ................................................................................. 122
Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI)
Alternativas al Automóvil Convencional
3
3.3 Componentes principales ............................................................................................ 125
3.3.1 Baterías ................................................................................................................. 126
3.3.2 Motor eléctrico ..................................................................................................... 127
3.3.3 Electrónica de potencia ........................................................................................ 127
3.3.4 Sistemas de recuperación de energía ................................................................... 128
3.3.5 Motor de combustión interna .............................................................................. 128
4. VEHÍCULOS DE HIDRÓGENO .............................................................................................. 131
4.1 Historia del vehículo de hidrógeno .............................................................................. 131
4.2 Tipos de vehículos de hidrógeno ................................................................................. 134
4.2.1 Vehículos con motor de combustión de hidrógeno ............................................. 134
4.2.2 Vehículos de hidrógeno de pilas de combustible ................................................. 135
4.3 Producción y almacenamiento de hidrógeno .............................................................. 136
4.3.1 Producción de hidrógeno ..................................................................................... 137
4.3.2 Almacenamiento de hidrógeno ............................................................................ 138
4.3.3 Transporte de hidrógeno ...................................................................................... 141
4.3.4 Hidrógeno y seguridad .......................................................................................... 141
4.3.5 Conclusiones ......................................................................................................... 142
4.4 Componentes principales ............................................................................................ 143
4.4.1 Pila de combustible .............................................................................................. 143
4.4.2 Depósito de hidrógeno ......................................................................................... 146
4.4.3 Motor eléctrico ..................................................................................................... 147
4.4.4 Batería................................................................................................................... 147
5. ESTUDIO DEL IMPACTO ECONÓMICO, ENÉRGÉTICO Y MEDIOAMBIENTAL ...................... 149
5.1 Vehículo eléctrico ............................................................................................................ 150
5.1.1 Estudio de mercado .............................................................................................. 150
5.1.2 Modelo representativo ......................................................................................... 150
5.1.3 Comparativa con el modelo de combustión ......................................................... 151
5.1.4 Estudio económico ............................................................................................... 155
5.1.5 Estudio del impacto energético ............................................................................ 159
5.1.6 Estudio del impacto medioambiental................................................................... 164
5.2 Vehículo híbrido .............................................................................................................. 166
5.2.1 Estudio de mercado .............................................................................................. 166
5.2.2 Modelo representativo ......................................................................................... 166
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4
5.2.3 Comparativa con el modelo de combustión ......................................................... 168
5.2.4 Estudio económico ............................................................................................... 170
5.2.5 Estudio del impacto energético ............................................................................ 174
5.2.6 Estudio del impacto medioambiental................................................................... 175
5.3 Vehículo de hidrógeno .................................................................................................... 176
5.3.1 Estudio de mercado .............................................................................................. 176
5.3.2 Modelo representativo ......................................................................................... 176
5.3.3 Comparativa con las otras alternativas ................................................................ 178
5.3.4 Estudio del impacto económico, energético y medioambiental .......................... 179
5.4 Modelo de decisión ......................................................................................................... 180
5.4.1 Funcionamiento .................................................................................................... 181
5.4.2 Análisis de casos reales ......................................................................................... 183
6. Estudios futuros ................................................................................................................. 195
6.1 Baterías ............................................................................................................................ 195
6.2 Infraestructura de recarga. Baterías intercambiables .................................................... 197
6.3 Mejora en las prestaciones dinámicas ............................................................................ 199
7. Conclusiones ...................................................................................................................... 201
8. Referencias ........................................................................................................................ 203
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5
Índice de Figuras
FIGURA 1.1.1. DEPENDENCIA ENERGÉTICA EN ESPAÑA Y UE27. .............................................................. 13
FIGURA 1.1.2. EVOLUCIÓN DEL PRECIO DEL PETRÓLEO. .......................................................................... 14
FIGURA 1.1.3. REACCIÓN DE COMBUSTIÓN REAL Y SUS POSIBLES PRODUCTOS CONTAMINANTES. .................. 15
FIGURA 1.1.4. COMPOSICIÓN APROXIMADA DE LOS GASES DE ESCAPE EN MOTORES DE GASOLINA Y DIÉSEL. ... 16
FIGURA 2.1. PRIMER COCHE ELÉCTRICO, THOMAS DAVENPORT (1834). ................................................... 21
FIGURA 2.2. PRIMER COCHE ELÉCTRICO FUNCIONAL, ROBERT ANDERSON (1832-1839) ............................. 22
FIGURA 2.3. . HENRY G. MORRIS Y PEDRO G. SALOM EN SU ELECTROBAT (1894) ..................................... 23
FIGURA 2.4. DIBUJO DE “LA JAMAIS CONTENTE” (1899) ....................................................................... 24
FIGURA 2.5. CADENA DE PRODUCCIÓN DEL FORD T (1908) .................................................................... 25
FIGURA 2.6. CARTEL PUBLICITARIO DE LA SOCIÉTÉ DES VÉHICULES ELECTRIQUES, DE SOVEL (1925) .............. 26
FIGURA 2.7. CGE TUDOR (1941) ...................................................................................................... 27
FIGURA 2.8. HENNEY KILOWATT (1959) ............................................................................................. 28
FIGURA 2.9. FORD COMUTA (1967) .................................................................................................. 29
FIGURA 2.10. CITICAR (1974) .......................................................................................................... 30
FIGURA 2.11. GENERAL MOTORS EV1 (1996-1999) ........................................................................... 31
FIGURA 2.12. TESLA ROADSTER (2006) .............................................................................................. 32
FIGURA 2.13. COCHE ELÉCTRICO MÁS VENDIDO DE LA HISTORIA, NISSAN LEAF (2010) .............................. 33
FIGURA 2.14. ESQUEMA GENERAL DE UNA CELDA O ELEMENTO DE UNA BATERÍA ....................................... 36
FIGURA 2.15. BATERÍA PB-ÁCIDO DE GASTON PLANTÉ (1859) ............................................................... 39
FIGURA 2.16. BATERÍA PB-ÁCIDO, MOSTRANDO LA GEOMETRÍA EN ESPIRAL DE SUS COMPONENTES .............. 40
FIGURA 2.17. ESQUEMA DE UNA BATERÍA DE PB-ÁCIDO TRADICIONAL ...................................................... 41
FIGURA 2.18. REACCIONES ELECTROQUÍMICAS EN LA CARGA DE LAS BATERÍAS PB-ÁCIDO ............................. 41
FIGURA 2.19. REACCIONES ELECTROQUÍMICAS EN LA DESCARGA DE LAS BATERÍAS PB-ÁCIDO ........................ 42
FIGURA 2.20. REACCIONES AL SOBRECALENTAR UNA CELDA DE PB-ÁCIDO. ................................................ 43
FIGURA 2.21. COCHE ELÉCTRICO REVAI, CON BATERÍAS DE PB-ÁCIDO (2009) .......................................... 48
FIGURA 2.22. PRIMERA BATERÍA DE NICD, INVENTADA POR WALDMAR JUNGNER EN 1899 ........................ 49
FIGURA 2.23. BATERÍA DE NICD EN DISPOSICIÓN DE "JELLY ROLL" ........................................................... 50
FIGURA 2.24. REACCIONES ELECTROQUÍMICAS EN LA DESCARGA DE LAS BATERÍAS DE NICD ......................... 51
FIGURA 2.25. FORD TH!NK (2002) .................................................................................................... 55
FIGURA 2.26. ESQUEMA DE BATERÍA DE NIMH DE DISPOSICIÓN CILÍNDRICA .............................................. 57
FIGURA 2.27. REACCIONES DURANTE LA DESCARGA DE LAS BATERÍAS DE NIMH. ........................................ 57
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6
FIGURA 2.28. BATERÍA COMERCIAL DE NIMH CON VENTILADORES. ......................................................... 60
FIGURA 2.29. FORD RANGER EV (1997 - 2002) .................................................................................. 61
FIGURA 2.30. BATERÍA DE NIMH DE UN TOYOTA PRIUS (2008) ............................................................. 62
FIGURA 2.31. FLUJO DE LOS IONES EN LAS BATERÍAS DE ION-LITIO............................................................ 64
FIGURA 2.32. PARTES Y FUNCIONAMIENTO DE UNA BATERÍA DE ION-LITIO DE FORMA CILÍNDRICA. ................ 65
FIGURA 2.33. VALORES NOMINALES DE LAS BATERÍAS DE ION-LITIO .......................................................... 65
FIGURA 2.34. “ACCIONA 100% ECOPOWERED”, PRIMER COCHE ELÉCTRICO EN PARTICIPAR EN UN DAKAR
(2015) .................................................................................................................................. 68
FIGURA 2.35. ESQUEMA GENERAL DE LAS BATERÍAS DE METAL-AIRE ......................................................... 69
FIGURA 2.36. ESQUEMA DE REACCIONES ELECTROQUÍMICAS PARA BATERÍAS METAL-AIRE............................ 70
FIGURA 2.37. ESQUEMA GENERAL DE LAS BATERÍAS DE ALUMINIO-AIRE. ................................................... 71
FIGURA 2.38. COCHE ELÉCTRICO DE PHINERGY ..................................................................................... 72
FIGURA 2.39. ESQUEMA DE UNA BATERÍA DE ZINC-AIRE ......................................................................... 73
FIGURA 2.40. ESQUEMA GENERAL DE LAS BATERÍAS DE LITIO-METAL ........................................................ 74
FIGURA 2.41. ESQUEMA DE BATERÍAS DE LITIO-AIRE MIXTAS. .................................................................. 75
FIGURA 2.42. ESQUEMA DE BATERÍAS DE LITIO-AIRE CON ELECTROLITO POLIMÉRICO CERÁMICO.................... 76
FIGURA 2.43. ESQUEMA DE LAS BATERÍAS DE SODIO-AZUFRE .................................................................. 78
FIGURA 2.44. ESQUEMA DE LAS BATERÍAS ZEBRA (NA-NICL2) ............................................................... 80
FIGURA 2.45. DISEÑO Y FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE UN SUPERCAPACITOR ............................................. 81
FIGURA 2.46. ESTRUCTURA DEL GRAFENO ........................................................................................... 82
FIGURA 2.47. GRAFICA COMPARATIVA DE LAS BATERÍAS UTILIZADAS EN LOS VEHÍCULOS ELÉCTRICOS ............. 84
FIGURA 2.48. ROTOR ELECTROMAGNÉTICO DE FARADAY (1821) ............................................................ 85
FIGURA 2.49. RUEDA DE BARLOW (1823) .......................................................................................... 86
FIGURA 2.50. MOTOR ELÉCTRICO DE DAL NEGRO (1830) ...................................................................... 86
FIGURA 2.51. MOTOR ELÉCTRICO DE THOMAS DAVENPORT (1831) ........................................................ 87
FIGURA 2.52. MOTOR ELÉCTRICO ROTATIVO DE JACOBI (1834) .............................................................. 87
FIGURA 2.53. PRIMER MOTOR DE CHARLES G. PAGE (1838) .................................................................. 88
FIGURA 2.54. ESQUEMA DEL PRIMER MOTOR DE INDUCCIÓN DE CORRIENTE ALTERNA DE FERRARIS (1885) .... 89
FIGURA 2.55. MOTOR SÍNCRONO DE HASELWANDER (1887) ................................................................. 90
FIGURA 2.56. PRIMER MOTOR TRIFÁSICO DE DOLIVO-DOBROWOLSKY (1890) .......................................... 91
FIGURA 2.57. SECCIÓN GENERAL DE MOTOR ELÉCTRICO ......................................................................... 92
FIGURA 2.58. TIPOS DE MOTORES ...................................................................................................... 93
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7
FIGURA 2.59. ESQUEMA DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN (IZQ.) Y UNO SÍNCRONO DE IMÁN PERMANENTE (DCHA.)
............................................................................................................................................. 95
FIGURA 2.60. MOTOR DE IMANES PERMANENTES DE CORRIENTE ALTERNA ................................................ 96
FIGURA 2.61. MOTOR DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA ................................................................... 97
FIGURA 2.62. GRÁFICAS DE PAR-VELOCIDAD Y POTENCIA-VELOCIDAD ....................................................... 98
FIGURA 2.63. ESQUEMA CONJUNTO MOTOR ELÉCTRICO EN UN VEHÍCULO ELÉCTRICO ................................ 100
FIGURA 2.64. MAPA DE EFICIENCIA DE UN MOTOR ELÉCTRICO............................................................... 102
FIGURA 2.65. CONVERSOR Y SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO .......................................................... 103
FIGURA 2.66. INVERSOR Y SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ............................................................. 104
FIGURA 2.67. ESQUEMA BÁSICO DE UN CONVERTIDOR BOOST .............................................................. 105
FIGURA 2.68. ESQUEMA BÁSICO DE UN SISTEMA DE ELECTRÓNICA DE ..................................................... 106
FIGURA 2.69. ESQUEMA BÁSICO DE UN SISTEMA DE ELECTRÓNICA DE ..................................................... 106
FIGURA 2.70. FUNCIONAMIENTO SISTEMA DE FRENADA REGENERATIVA ................................................. 109
FIGURA 2.71. SISTEMA DE SUSPENSIÓN REGENERATIVO DE INTERTRONIC GRESSER GMBH......................... 110
FIGURA 3.1. COMPAÑÍA ARNOLD 1896 ............................................................................................ 111
FIGURA 3.2. VOITURETTE DISEÑADA POR LOS HERMANOS PIEPER (1899) ............................................... 112
FIGURA 3.3. VEHÍCULO HÍBRIDO LOHNER-PORSCHE (1899) ................................................................. 113
FIGURA 3.4. LOHNER-PORSCHE CON TRACCIÓN A LAS 4 RUEDAS (1903) ................................................ 114
FIGURA 3.5. VEHÍCULO HIBRIDO DE GENERAL MOTORS, GM512 (1969) .............................................. 115
FIGURA 3.6. ANUNCIO DE OPEL KADETT STIR-LEC I (1969) .................................................................. 116
FIGURA 3.7. PRIMER AUDI HÍBRIDO, AUDI DUO (1989) ...................................................................... 117
FIGURA 3.8. TOYOTA PRIUS DE LA FLOTA DE TAXIS DE MADRID (2009 - PRESENTE) .................................. 119
FIGURA 3.9. SUPERDEPORTIVO HÍBRIDO: PORSCHE 918 SPYDER ........................................................... 119
FIGURA 3.10. ESQUEMA DE CONFIGURACIÓN HÍBRIDA EN PARALELO ...................................................... 123
FIGURA 3.11. ESQUEMA DE CONFIGURACIÓN HÍBRIDA EN SERIE ............................................................ 124
FIGURA 3.12. ESQUEMA DE CONFIGURACIÓN HÍBRIDA COMBINADA ....................................................... 124
FIGURA 3.13. RATIO DE USO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN Y EL ELÉCTRICO PARA CADA CONFIGURACIÓN. .... 125
FIGURA 3.14. ESQUEMA DE UN SISTEMA DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA DE UNA HÍBRIDO ENCHUFABLE ....... 127
FIGURA 4.1. PRIMER VEHÍCULO DE COMBUSTIÓN INTERNA DE HIDRÓGENO Y DE LA HISTORIA ..................... 132
FIGURA 4.2. CONFIGURACIÓN DE LA PILA DE COMBUSTIBLE DE WILLIAM R. GROOVE ................................ 132
FIGURA 4.3. DISEÑO DE BMW DE UN VEHÍCULO CON MOTOR DE COMBUSTIÓN DE HIDRÓGENO ................. 135
FIGURA 4.4. DISEÑO DEL VEHÍCULO BASADO EN PILA DE COMBUSTIBLE, MERCEDES-BENZ CLASE B F CELL. .. 136
FIGURA 4.5. COMPONENTES PRINCIPALES VEHÍCULO DE PILA DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO .................. 143
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8
FIGURA 4.6. ESQUEMA DEL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO 144
FIGURA 4.7. EXTERIOR DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE EN SU APLICACIÓN PARA VEHÍCULOS (NISSAN) .......... 145
FIGURA 4.8. ESQUEMA TANQUE DE HIDRÓGENO COMPRIMIDO ............................................................. 146
FIGURA 5.1. COMPARATIVA DE CARACTERÍSTICAS Y PRESTACIONES DE LOS VEHÍCULOS ELÉCTRICOS VS
COMBUSTIÓN ........................................................................................................................ 154
FIGURA 5.2. CAPTURA DE PANTALLA DE LOS DATOS DE LOS VEHÍCULOS EN EL MODELO DE DECISIÓN (EXCEL) . 182
FIGURA 5.3. CAPTURA DE PANTALLA DE LOS CÁLCULOS Y RESULTADOS EN EL MODELO DE DECISIÓN (EXCEL) . 183
FIGURA 5.4. CAPTURA DE PANTALLA DE LOS CÁLCULOS Y RESULTADOS EN EL MODELO DE DECISIÓN PARA EL
CASO 1 ................................................................................................................................. 184
FIGURA 5.5. CAPTURA DE PANTALLA DE LOS CÁLCULOS Y RESULTADOS EN EL MODELO DE DECISIÓN PARA EL
CASO 2 ................................................................................................................................. 186
FIGURA 5.6. CAPTURA DE PANTALLA DE LOS CÁLCULOS Y RESULTADOS EN EL MODELO DE DECISIÓN PARA EL
CASO 3 ................................................................................................................................. 188
FIGURA 5.7. CAPTURA DE PANTALLA DE LOS CÁLCULOS Y RESULTADOS EN EL MODELO DE DECISIÓN PARA EL
CASO 4 ................................................................................................................................. 189
FIGURA 5.8. CAPTURA DE PANTALLA DE LOS CÁLCULOS Y RESULTADOS EN EL MODELO DE DECISIÓN PARA EL
CASO 5 ................................................................................................................................. 191
FIGURA 6.1. EVOLUCIÓN DEL PRECIO DE LAS BATERÍAS DE ION-LITIO DE LOS COCHES ................................. 196
FIGURA 6.2. MAPA DE LAS ESTACIONES DE RECARGA EN LA ZONA AL SUR DE MADRID ............................... 198
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9
Índice de Tablas
TABLA 1.1. EVOLUCIÓN DE LAS NORMAS EURO PARA TURISMOS CON MOTORES GASOLINA ......................... 18
TABLA 1.2. EVOLUCIÓN DE LAS NORMAS EURO PARA TURISMOS CON MOTORES DIÉSEL .............................. 18
TABLA 1.3. IMPUESTOS DE MATRICULACIÓN EN ESPAÑA. ....................................................................... 19
TABLA 2.1. VALORES NOMINALES DE LAS BATERÍAS DE PB-ÁCIDO ............................................................. 44
TABLA 2.2. VALORES NOMINALES DE LAS BATERÍAS DE NICD ................................................................... 53
TABLA 2.3. VALORES NOMINALES DE LAS BATERÍAS DE NIMH ................................................................. 59
TABLA 2.4. DIFERENTES CONFIGURACIONES DE BATERÍAS DE ION-LITIO SEGÚN EL MATERIAL ACTIVO DEL
CÁTODO ................................................................................................................................. 63
TABLA 2.5. COMPARATIVA DE LAS DIFERENTES TECNOLOGÍAS DE BATERÍAS METAL-AIRE .............................. 70
TABLA 2.6. RESUMEN BATERÍAS DE METAL-AIRE MÁS IMPORTANTES ........................................................ 76
TABLA 2.7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE LOS MOTORES ELÉCTRICOS DE C.A Y DE C.C. ........................... 94
TABLA 2.8. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS PRINCIPALES MOTORES ELÉCTRICOS. ................................... 95
TABLA 2.9. RESUMEN DE LAS PRINCIPALES TÉCNICAS DE RECUPERACIÓN DE ENERGÍA. ............................... 108
TABLA 4.1. EFICIENCIAS VOLUMÉTRICAS Y MÁSICAS DE DIFERENTES TECNOLOGÍAS DE ALMACENAMIENTO DE
HIDRÓGENO .......................................................................................................................... 139
TABLA 5.1. FICHA TÉCNICA VOLKSWAGEN E-GOLF............................................................................... 151
TABLA 5.2. FICHA TÉCNICA VOLKSWAGEN GOLF 1.6 TDI BMT ............................................................. 152
TABLA 5.4. FICHA TÉCNICA TOYOTA MIRAI ........................................................................................ 177
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10
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Alternativas al Automóvil Convencional – Introducción
11
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Motivación del proyecto
Desde hace algunos años, especialmente con la creciente preocupación
por el medio ambiente y las recientes crisis del petróleo, la apuesta por
buscar alternativas al automóvil convencional se está volviendo una
prioridad. Por ello se está invirtiendo mucho tiempo y dinero, no solo los
grandes referentes en la industria del automóvil, sino también los gobiernos
de muchos países que ofrecen ayudas económicas, con el fin de dar un
empujón definitivo a este sector.
Hoy en día, parece que se está a punto de llegar a un punto de inflexión,
en el que está claro que los vehículos de combustión interna irán perdiendo
protagonismo progresivamente hasta una hipotética desaparición. Lo que
no resulta tan evidente es que alternativas serán las que tengan más
desarrollo en un futuro, y mucho menos aún el ritmo al que se irá
desplazando al vehículo convencional.
Otro tema es que, aunque la sociedad se preocupe cada vez más por
buscar alternativas que cuiden el medio ambiente, para la mayoría de la
población todavía tiene más peso el factor económico, en especial en estos
tiempos de crisis. Con este fin, se abordarán estas alternativas al vehículo
de combustión interna con dos vertientes bien diferentes: Por un lado, se
estudiará de una manera más técnica las alternativas principales,
explicando los conceptos básicos de cada tecnología; y por otro, se hará un
estudio económico de detalle de cada alternativa, con un estudio del
mercado actual, para un cliente tipo y haciendo especial hincapié en la
amortización que requeriría la compra de estos vehículos, frente al uso del
convencional. Además, se harán estudios de tanto el impacto energético
como del impacto medioambiental para cada tecnología.
1.2 Movilidad Sostenible
Hay un concepto que destaca para la contextualización de este
proyecto: La movilidad sostenible. Este término viene del de sostenibilidad
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Alternativas al Automóvil Convencional – Introducción
12
o desarrollo sostenible, cuya primera definición y más relevante aparece en
la Comisión Mundial de Medio Ambiente y Desarrollo de 1987, más
conocido como Informe Brundtland: “El desarrollo que satisface las
necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las
posibilidades de las generaciones futuras para satisfacer sus propias
necesidades.”
Por tanto no se refiere únicamente a una dimensión medioambiental,
sino que también se refiere a cuestiones sociales y económicas. Aplicado al
ámbito que nos ocupa, la movilidad sostenible tiene que proteger el medio
ambiente, respondiendo también a las necesidades económicas y sociales.
Según la Ley 9/2003 de la Movilidad: “Movilidad sostenible es la movilidad
que se satisface en un tiempo y con unos costes razonables y que minimiza
los efectos negativos sobre el entorno y la calidad de vida de las personas”.
Las alternativas al vehículo de combustión interna son por tanto, una
necesidad para poder llegar a la movilidad sostenible, ya que solucionarían
total o parcialmente los grandes problemas del transporte de hoy en día,
como el excesivo consumo de energía, la contaminación del aire y los
peligrosos efectos sobre la salud de los ciudadanos.
1.3 El consumo de energía
Según datos de 2010 proporcionados por el Instituto para la
Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), en España el sector del
transporte lleva siendo el mayor consumidor de energía mucho tiempo,
muy por encima de la industria, comercio o del sector residencial, como se
observa en la Figura 1.1. El transporte directo supone cerca del 40% del
consumo de energía nacional final, siendo un 80 % de este consumo
provocado por el transporte por carretera. Eso sin tener en cuenta el coste
de mantenimiento y de fabricación de vehículos y carreteras, llegando la
energía acumulada a configurar alrededor del 50 % del total.
No sólo eso, sino que además prácticamente la totalidad de los
combustibles usados para el transporte tienen su origen en los derivados
del petróleo. Esto contribuye enormemente a que la dependencia
energética en España, una de las más grandes de Europa, esté próxima al
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Alternativas al Automóvil Convencional – Introducción
13
80%, muy por encima del 54% de la media europea. Todo ello se observa en
la Figura 1.2.
Figura 1.1 Evolución estructura sectorial de la demanda de energía final. Fuente: MITYC/IDAE.
Figura 1.1.1. Dependencia energética en España y UE27. Fuente: EUROSTAT (2009)/ MITYC (2010)
Otro factor a tener en cuenta, es que esta dependencia energética en
los derivados del petróleo, provoca inestabilidad por varias razones. Por un
lado, se trata de un recurso cuyas grandes reservas están en países con
gobiernos inestables, con las condiciones de inseguridad que esto provoca
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Alternativas al Automóvil Convencional – Introducción
14
para el resto de gobiernos y consumidores. Esto, sumado a que se trata de
un recurso cada vez más escaso, y no renovable a corto plazo, y la gran
fluctuación de sus precios (Figura 1.3), provoca una tremenda
incertidumbre en el sector del transporte.
En la cotización del petróleo intervienen varios factores como la relación
de consumo y demanda y otros factores económicos, la especulación,
factores geopolíticos-militares y factores tecnológicos. Sin embargo, la gran
controladora del precio del petróleo es la OPEP (Organización de Países
Exportadores de Petróleo), al controlar aproximadamente la mitad de la
producción mundial de petróleo y el más del 80% de las reservas.
La OPEP tiene especial influencia si decide aumentar o limitar su nivel
de producción, siendo esta una de las principales razones de la caída de los
precios en 2014, al anunciar la decisión de limitar su producción a 30
millones de barriles por día. Además, seguramente otra razón haya sido por
la guerra de precios entre la OPEP y Estados Unidos, que gracias al boom de
la producción no convencional, fundamentalmente tight oil y shale gas, ha
aumentado su producción de crudo reduciendo en casi un 20% su
importación. De lo que no cabe duda es que volverán a subir los precios,
pues este desplome del precio del petróleo no es novedoso, en 2008 sin ir
más lejos. En aquella ocasión a los pocos meses se volvieron a alcanzar los
precios altos, prueba de la gran oscilación de los precios y de la inestabilidad
del petróleo como fuente de energía a corto y largo plazo.
Figura 1.1.2. Evolución del precio del petróleo. Fuente: Bloomberg
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Alternativas al Automóvil Convencional – Introducción
15
Por las razones explicadas anteriormente, en este sector es fácil ver de
nuevo la necesidad de buscar alternativas al vehículo de combustión
interna, con el fin de reducir el consumo de energía, en especial reduciendo
el consumo de derivados del petróleo, y con ello los problemas que conlleva
el petróleo, y así además reducir la dependencia energética de España.
1.4 Contaminación atmosférica
El amplio uso de motores de combustión interna en el transporte, es
uno de los principales emisores de contaminantes a la atmosfera. Por ello se
estudia brevemente a continuación el proceso de combustión y sus efectos.
1.4.1 La reacción de combustión y sus productos
Ya no parece albergarse ninguna duda de la relación entre las emisiones
de dióxido de carbono (CO2) con el efecto invernadero y calentamiento
global, siendo los vehículos de combustión interna una de las principales
causas de dichas emisiones. No solo eso, sino que además en estos
vehículos la combustión no es ideal, pudiéndose encontrar otras sustancias
en los gases de escape, como representa la Figura 1.4:
Figura 1.1.3. Reacción de combustión real y sus posibles productos contaminantes. Fuente: Motores Térmicos y sus s istemas auxi l iares. David González Cal le ja. Paraninfo, 2013.
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Alternativas al Automóvil Convencional – Introducción
16
A parte del dióxido de carbono (CO2) y del agua (H2O), otros posibles
productos contaminantes pueden ser el nitrógeno (N2), el monóxido de
carbono (CO), óxidos nítricos (NOX), plomo (Pb), dióxido de azufre (SO2),
hidrocarburos (HC) y material particulado (MP). Todas ellas son sustancias
tóxicas que contribuyen a diferentes problemas medioambientales como la
lluvia ácida o la niebla contaminante (smog fotoquímico), a parte del ya
mencionado calentamiento global. A su vez, algunas de estas sustancias son
extremadamente peligrosas para la salud del ser humano, por ejemplo una
proporción del 0,4% de CO en el aire puede ser mortal en menos de una
hora, el NOX irrita los órganos respiratorios pudiendo destruir tejido
pulmonar, y el MP puede producir asma, cáncer de pulmón, problemas
cardiovasculares y muerte prematura.
Las emisiones de gases tóxicos (CO, NOX, SO2, Pb, HC y MP) no
representan más que una mínima parte de la composición total de los gases
de escape, tanto para motores gasolina como diésel, representada en la
Figura 1.5.
Figura 1.1.4. Composición aproximada de los gases de escape en motores de gasolina y diésel. Fuente: Motores Térmicos y sus s istemas auxi l iares. David González Cal le ja. Paraninfo, 2013.
A pesar de ello, la gran cantidad de estos motores que hay circulando
hace que haya una gran cantidad total de sustancias tóxicas muy peligrosa
para el medio ambiente y el ser humano.
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Alternativas al Automóvil Convencional – Introducción
17
1.4.2 Ruido
Otro contaminante, y probablemente uno de los más molestos, es el
ruido. Si bien no se trata de una contaminación que se acumule, traslade o
mantenga en el tiempo como otras, la contaminación acústica o sonora
repercute directamente en la calidad de vida de las ciudades. Según
estudios llevados a cabo en las ciudades de España, el 85% de la población
está sometida a un ruido superior a 70 decibelios, límite superior deseable
según un informe de la OMS (Organización Mundial de la Salud). Además
España en concreto, es el segundo país más ruidoso del mundo tras Japón, y
por tanto el primero de Europa.
El ruido no solo interfiere con las actividades más básicas de los seres
humanos, como dormir, comunicarse o estudiar. Además puede llegar a ser
muy peligroso para el ser humano, y dependiendo de su intensidad puede
producir efectos fisiológicos (pérdida total o parcial de la audición, aumento
de la presión arterial y dolor de cabeza, aumento del colesterol y de los
triglicéridos con los consiguientes riesgos de problemas de corazón, infartos
a personas con previos problemas cardiovasculares, etc.) y psicológicos
(incapacidad, insomnio, estrés, depresión, irritabilidad y agresividad, etc.).
Con la introducción de alternativas a vehículos de combustión interna,
se puede llegar a reducir totalmente la principal fuente de ruido en el
tráfico urbano: la parte mecánica del vehículo, básicamente el procedente
del motor y del escape. Otras fuentes de ruidos como lo son el de rodadura,
producido por el rozamiento de los neumáticos, y el aerodinámico
permanecen igual que con los vehículos convencionales, pendientes de
nuevos avances en sus ámbitos.
1.4.3 Evolución de la normativa anticontaminación
Estudios medioambientales llevados a partir de 1970 revelaron que,
como se ha explicado en apartados anteriores, la atmósfera está altamente
contaminada causado en gran parte por el uso de motores de combustión
interna, y en concreto por el uso de éstos en vehículos. Ante esto los
gobiernos reaccionaron, la Unión Europea dictó leyes que regulaban las
emisiones de los gases de escape de combustión de los vehículos. En las
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Alternativas al Automóvil Convencional – Introducción
18
tablas a continuación se observa la evolución de las diferentes normas
EURO que surgieron para regular las contaminaciones que emiten todo tipo
de vehículos en función del tipo de vehículo y de motor, en concreto se
muestran la de los turismos tanto con motores de gasolina y motores diésel
en las tablas 1.1 y 1.2 respectivamente:
Tabla 1.1. Evolución de las normas EURO para turismos con motores gasolina Fuente: Motores Térmicos y sus s istemas auxi l iares. David González Cal le ja. Paraninfo, 2013.
Tabla 1.2. Evolución de las normas EURO para turismos con motores diésel Fuente: Motores Térmicos y sus s istemas auxi l iares. David González Cal le ja. Paraninfo, 2013.
Un caso especial, es el del CO2. La regulación de las emisiones de este
gas contaminante no está reflejado en las normas EURO. Esto no significa
que no se hayan producido acuerdos internacionales, como por ejemplo en
el Protocolo de Kioto, con el objetivo de disminuir las emisiones de los gases
de efecto invernadero y con especial énfasis en el CO2.
Además sus límites de emisiones están regulados a partir de 2009, por
una normativa europea (EC, No 443/2009), que marca como límite 130
gramos de CO2 por kilómetro, siendo el objetivo para 2020 de 95 g/km de
CO2. Cabe destacar que este valor límite no se aplica individualmente a cada
vehículo fabricado, sino a la media de toda la flota de vehículos fabricados
por un fabricante en un año. Hay pequeñas variaciones en el valor límite de
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Alternativas al Automóvil Convencional – Introducción
19
emisiones de CO2 para cada fabricante, según el peso medio de todos los
vehículos de dicho fabricante en cada año.
A partir de 2012, los fabricantes que no vayan cumpliendo con este
valor límite, deberán pagar una “prima por exceso de emisiones”. Esta
sanción va ascendiendo gradualmente hasta alcanzar el máximo en 2015 de
95 € por cada vehículo del fabricante.
Por otro lado, en la mayoría de los países, no solo de la Unión Europea,
se vinculan las emisiones de CO2 con determinados impuestos relacionados
con los vehículos, como el de matriculación o el de circulación. Por ejemplo,
en España los impuestos de matriculación según las emisiones de CO2, con
excepciones de alguna Comunidad Autónoma que haya realizado alguna
modificación, son los mostrados en la Tabla 1.3:
Para poder cumplir con las normativas de emisiones, cada vez más y
más estrictas, muchos fabricantes coinciden en que habrá un momento que
con mejorar los sistemas anticontaminación de los motores de combustión
interna no será suficiente.
Tabla 1.3. Impuestos de matriculación en España. Fuente: Agencia Tr ibutaria
Estos sistemas de anticontaminación, cada vez más caros, tratan las
emisiones contaminantes sobre todo los vapores de aceite, vapores de
gasolina y gases de escape. Para ello emplean válvulas, filtros, catalizadores
y sondas lambda, sistemas de recirculación de los gases de escape EGR,
unidades de control y diagnóstico, etc.
Con el complicado futuro de los motores de combustión interna con las
normativas, paralelamente a la mejora del rendimiento de estos motores y
de sus sistemas de anticontaminación, los fabricantes comienzan a apostar
seriamente por la introducción de propulsiones alternativas que evitarán
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Alternativas al Automóvil Convencional – Introducción
20
todos los problemas de emisiones mencionados. Es cierto que resolvería el
problema de los fabricantes, que principalmente se preocupan por cumplir
la normativa, pero además se cuidaría el medio ambiente y con ello la salud
de los seres humanos, que no es otra cosa que el objetivo de los gobiernos
al imponer estas normativas.
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Alternativas al Automóvil Convencional – Vehículo Eléctrico
21
2. VEHÍCULO ELÉCTRICO
2.1 Historia del coche eléctrico
Es de creencia general, que la aparición de los coches eléctricos es algo
novedoso, del siglo XXI. Sin embargo, hay que remontarse casi dos siglos
para encontrar los primeros, antes incluso que la aparición de los de
gasolina. En concreto, en su comienzo hubo épocas en los que los coches
eléctricos superaban diez a uno a los modelos de combustión interna.
Desde entonces ha ido teniendo altibajos, y a partir de comienzos del siglo
XX ha sido siempre superado por el de gasolina. A diferencia de entonces,
las condiciones actuales de la tecnología junto con la situación social son
idóneas, y todo parece indicar a que esta vez no será solo una moda de
unos años, sino que parece que han llegado para quedarse. El motor de
combustión interna será sustituido muy probablemente por otro sistema de
propulsión, y muy posiblemente se trate del eléctrico.
Todo comenzó tras grandes avances en el campo del
electromagnetismo, a principio del siglo XIX, que permitieron que en 1834
Thomas Davenport, un herrero norteamericano, fabricase lo que por
algunos se considera el primer coche eléctrico (Figura 2.1). Se trataba de un
pequeño motor eléctrico con una batería no recargable, que recorría entre
15 y 30 kilómetros sobre una trayectoria electrificada fija. Esta idea tuvo
gran éxito durante la segunda mitad del siglo, ya que fue la precursora de la
electrificación de los tranvías.
Figura 2.1. Primer coche eléctrico, Thomas Davenport (1834). Fuente:Motorpasión
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22
Por otro lado, al tratarse el experimento de Davenport de un proyecto a
escala siguiendo una trayectoria circular sobre vías electrificadas, se
considera que el verdadero primer vehículo eléctrico funcional lo construyó
entre 1832 y 1839 el escocés Robert Anderson.
Figura 2.2. Primer coche eléctrico funcional, Robert Anderson (1832-1839) Fuente: Ecointel igencia
1859 fue un año clave para el desarrollo del coche eléctrico, año en el
que el físico francés Gaston Planté realizó, analizó y dio a conocer las
baterías de plomo-ácido, mejorando lo que había demostrado Wilhelm J.
Sinsteden en 1854. La principal innovación de este tipo de baterías, que
sirvieron de base a las que se utilizan hoy en día, es que se trataban de unas
baterías reutilizables, lo que implicó una revolución total para los coches
eléctricos. Hubo que esperar hasta 1881, para que Camille Alphonse Faure,
otro científico francés, mejorará las prestaciones de estas baterías
aumentando su capacidad y por tanto, despegase por completo el potencial
de los coches eléctricos a baterías.
A finales de siglo XIX, tras la aparición de las baterías recargables,
comienzan a aparecer cada vez más y más modelos de coches eléctricos. Así
surge en 1894, el primer vehículo eléctrico que tuvo éxito, el Electrobat
(Figura 2.2) diseñado y construido en Filadelfia por el ingeniero Henry G.
Morris y el químico Pedro G. Salom.
La primera versión de este modelo era lento, pesado y poco práctico,
pues para poder soportar el inmenso peso de la enorme batería de plomo-
ácido, tenía ruedas de acero. Versiones posteriores de este modelo,
pesaban menos y tenían ruedas neumáticas, alcanzaban autonomías de 40
km a una velocidad de 32 km/h.
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Alternativas al Automóvil Convencional – Vehículo Eléctrico
23
Figura 2.3. . Henry G. Morris y Pedro G. Salom en su Electrobat (1894) The Outing Magazine, Volumen 51, Página 210 (1908)
A finales del siglo XIX y principios del XX, coexistieron los vehículos
eléctricos y los basados en motores de combustión interna. El coche
eléctrico se impuso en estas fechas al de gasolina, pues presentaba
numerosas ventajas sobre su competidor. Eran limpios y suaves de
conducir, además no generaban ruidos, malos olores, vibraciones ni eran
tan caros de mantener o de conseguir combustible, cualidades
características de los modelos de gasolina. Así mismo, el arranque era
mucho más sencillo y limpio, ya que el de los motores de gasolina se
realizaba con una manivela que además requería cierta fuerza, lo cual
limitaba más aún su uso. Otra ventaja del coche eléctrico se encontraba en
el cambio de marchas: mientras que los de combustión presentaban una
gran dificultad en el cambio o, si se hacían con una única relación de
marchas, precisaban de un alto tiempo de calentamiento antes de poner a
funcionar el vehículo, en los motores eléctricos se trataba de un proceso
inexistente. Otro gran problema de los modelos de gasolina era la necesidad
de cambiar el agua de refrigeración cada pocos kilómetros, mucho antes
que a los eléctricos, lo que le daba al vehículo eléctrico un mayor rango de
conducción.
Por tanto, a principios del siglo XX los coches eléctricos todavía
predominaban sobre los de combustión. Su llegada a las ciudades fue
progresiva, pues se fabricaron modelos para personalidades importantes, y
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24
además presentaban un coste razonable para las clases altas. Por otro lado,
llegaron a la ciudad de la mano de compañías de taxis, primero en Inglaterra
y más adelante en Francia y Estados Unidos.
Todo parecía ir sobre ruedas, nunca mejor dicho, para los vehículos
eléctricos. Es más en 1899, le daba otro impulso Camille Jenatzy a esta
tecnología al superar con “La Jamais Contente" la barrera de los 100 km/h,
batiendo el record de velocidad vigente hasta entonces.
Figura 2.4. Dibujo de “La Jamais Contente” (1899) Fuente: Wikimedia
Pero según pasaban los primeros años del siglo XX, las cosas empezaron
a cambiar y pronto de produjo un renacimiento de los motores de
combustión interna por varias razones. Por un lado, el invento del motor de
arranque en 1911 por Charles F. Kettering, que se instaló en coches con
motores de combustión, resolvió el problema del incómodo y complicado
arranque con manivela. Además nuevas reservas petrolíferas fueron
descubiertas, con lo que la gasolina quedó mucho más barata y accesible,
además de tratarse de un repostaje mucho más rápido. Pero lo que
realmente desequilibró la balanza y precipitó la caída de los eléctricos, fue
la aparición del Ford T en 1908. Fue el resultado de la aplicación de las
teorías de Taylor sobre la producción en cadena y la perfecta combinación
de hombre y máquina, por parte de Henry Ford, a la industria del automóvil
y en concreto a los vehículos de combustión interna. Así se redujeron
radicalmente los precios de adquisición de estos vehículos, mientras que los
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Alternativas al Automóvil Convencional – Vehículo Eléctrico
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eléctricos, no aptos para la producción en cadena, seguían presentando
precios no accesibles para la clase media.
Figura 2.5. Cadena de producción del Ford T (1908) Fuente: S i lodrome
Además, surge la necesidad de aumentar la autonomía, pues la mejora
de la infraestructura de carreteras interestatales, sobretodo en Estados
Unidos, abre la posibilidad de hacer viajes largos. Esto benefició a los
vehículos de gasolina, ya que a pesar de los elevados consumos de
combustible que manejaban los coches por aquel entonces, el problema se
resolvía con depósitos grandes y una buena infraestructura de repostaje,
mientras que la autonomía de los eléctricos estaban muy limitados por la
tecnología de las baterías.
Este declive de los eléctricos no se adjudica únicamente a los cambios
económicos y tecnológicos, sino que había un trasfondo social. Según el
historiador francés Mathieu Flonneau: “Para ciertos sectores de la población
el coche eléctrico carecía de virilidad. No era lo suficientemente potente, era
demasiado silencioso y por encima de todo, era muy apreciado por las
mujeres. En una sociedad machista como la de la época, el motor térmico
con sus ruidos y sus escapes humeantes se veía como algo más
impresionante y exclusivo. De hecho, su complejidad mecánica hacía que las
mujeres quedarán excluidas en las tareas de reparación y convertía al motor
de combustión en un objeto decididamente masculino.” Influyera esto o no,
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26
los modelos de gasolina ganaron la partida a los eléctricos, quedando éstos
olvidados, sin llegar a desaparecer por completo, pero pasaron a un
segundo plano durante gran parte del siglo XX. Se mantuvieron en la
sombra, como un método de propulsión alternativa con un gran potencial
sin explotar. Tuvo poca continuidad, se caracterizó por los altibajos de esta
tecnología y en general estuvo necesitado de épocas especiales como
guerras o crisis para volver a tomar protagonismo.
La primera reaparición de los eléctricos fue en 1920, cuando desde
Francia se le dio un gran impulso, al buscar reducir su dependencia en el
exterior ya que, entre otras, contaba con una amplia red eléctrica. Así, tras
unos años en los que revolucionaron el transporte público a través de esta
tecnología con los tranvías y el metro, en 1925 George Levy funda la Société
des Véhicules Electriques. En asociación con compañías especializadas, y
bajo las marcas Sovel y Vetra, llegó a fabricar anualmente cientos de
vehículos eléctricos comerciales en Francia. Seguramente por sus limitadas
prestaciones, 30 km de autonomía y 15 km/h, esta tendencia no se trasladó
lo esperado por Europa y sobre todo a Estados Unidos, y además no llegó a
los vehículos particulares, que seguían apostando por los vehículos de
combustión interna.
Figura 2.6. Cartel publicitario de la Société des Véhicules Electriques, de Sovel (1925) Fuente: Wikimedia
Durante la Segunda Guerra Mundial, la dificultad de conseguir gasolina
planteó la idea de buscar propulsiones alternativas, lo que impulso de
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nuevo a los coches eléctricos. En esta ocasión, no solo con la aparición de
nuevos modelos, si no que muchos acondicionaron su coche para poder
equiparlo con motores eléctricos. Sin embargo, los vehículos eléctricos
también sufrieron la Guerra, ya que conseguir materiales como plomo o
cobre para las baterías era muy complicado. El modelo desarrollado en
1941 por el ingeniero francés Jean-Albert Grégorie, el C.G.E. Tudor (Figura
2.7), fue seguramente el más destacado al recorrer unos 250 km, la
distancia entre París y Tours, a 42 km/h con una sola carga de batería.
Figura 2.7. CGE Tudor (1941) Fuente: Wikimedia
Por lo que, a pesar de los problemas de suministro de la Guerra, fue una
buena época para la reaparición de los eléctricos, aunque fuese a pequeña
escala, que concluyó para Francia en 1942 con el decreto que prohibía la
electrificación de los vehículos.
Por entonces surgieron varios modelos, principalmente Peugeot VLV
(Voiture Légère de Ville) un coche urbano ligero en 1941 y la Tama Electric
una furgoneta eléctrica de Nissan y la Tokyo Electric Cars Company en 1947,
pero ninguno tuvo mucha repercusión.
Hay que avanzar hasta finales de los 50 y comienzos de los 60, para
encontrar el siguiente envite por parte de los eléctricos. En aquel momento,
la industria automovilística se había convertido en un pilar para el
desarrollo económico, y los coches un producto de masas tanto en Europa
como en Estados Unidos. Pero este progreso dejó también consecuencias
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negativas, los coches se relacionaban con el peligro, los accidentes, los
atascos y la contaminación, lo que volvió a abrir las puertas de los
fabricantes y centros de investigación al vehículo eléctrico. En un mundo en
el que el coche cada vez más se consideraba un problema, surgen iniciativas
en muchos países a favor del eléctrico, se ponen de moda los minicoches
eléctricos y las scooters eléctricas. No se producen en grandes
proporciones, pero son representativos de un período en el que se
buscaban alternativas.
Así aparece, en 1959 en Estados Unidos, de la mano de Renault y Eureka
Williams, el Henney Kilowatt el primer vehículo eléctrico regulado por
transistores (Figura 2.8). Fue el precursor de muchos modelos eléctricos y
de la tecnología que se usaría en los sistemas híbridos de propulsión. Se
continuó con esta iniciativa en varios países, como en Italia donde Fiat
construyó también su prototipo, apoyado en el Fiat 1100.
Figura 2.8. Henney Kilowatt (1959) Fuente: Wikimedia
Y unos años más tarde, se presenta en el Salón de Ginebra de 1967, el
primer Ford eléctrico, el Ford Comuta (Figura 2.9), que con sus pequeñas
dimensiones, poco más de dos metros de largo, tenía la intención de
instalar el eléctrico en Estados Unidos para el transporte urbano, como
solución para los problemas de tráfico de las grandes ciudades.
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Figura 2.9. Ford Comuta (1967) Fuente: Carsty ling
Hasta mediados de la década de los 70, desde que el vehículo de
gasolina le robase el protagonismo a principios del siglo XX, el vehículo
eléctrico no había sufrido más que pequeños empujones que hacía que a los
pocos años se olvidasen de ellos. No fue hasta la primera crisis del petróleo,
la crisis del petróleo de 1973, cuando la idea de retomar esta tecnología se
plantease como una seria alternativa. Y es que, la decisión de la
Organización de Países Árabes Exportadores de Petróleo de no exportar
petróleo a los aliados de Israel en la guerra de Yom Kippur, puso a los países
aliados (Estados Unidos y a gran parte de Europa Occidental) en jaque. Los
precios se dispararon, en apenas dos meses, de octubre a diciembre de
1973, el precio del petróleo se multiplicó por 4, lo que sumado a la gran
dependencia al petróleo del mundo industrializado, provocó una fuerte
inflación y tuvo fuertes consecuencias en la economía de los países
afectados.
Por tanto, surgió la necesidad de buscar alternativas al petróleo, y
muchos pensaron en el eléctrico. Con ello aparecen organizaciones como la
“Electric Vehicle Council” (Consejo del Vehículo Eléctrico) en Estados Unidos,
la “Tokyo Electric Power Co.” (Compañía de Energía Eléctrica de Tokio) en
Japón o “The Electricity Council” (Consejo de Electricidad) en Inglaterra, que
perseguían este fin.
Así los fabricantes empezaron a diseñar nuevos modelos eléctricos,
como por ejemplo el CitiCar (Figura 2.10), que empezó su producción en
1974 por la compañía estadounidense Sebring-Vanguard. Fue el primer
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coche eléctrico producido en serie, fabricándose hasta 2000 unidades en 3
años.
Figura 2.10. CitiCar (1974) Fuente: Wikipedia
En 1980, Peugeot y Renault también presentaron sus modelos con la
variante eléctrica, el Peugeot 205 y el Renault Express, ambos equipados
con baterías de níquel-hierro y prestaciones muy similares, velocidad
máxima de entorno 100 km/h y autonomía de 140 km. Toyota y Mercedes-
Benz también hicieron sus prototipos, experimentando con baterías de zinc-
bromo y de sal fundida y de sulfuro de sodio respectivamente, obteniendo
resultados menos exitosos.
Por tanto, en las décadas de los 70 y 80, muchas compañías estuvieron
muy involucradas en establecer al vehículo eléctrico como la alternativa al
vehículo de combustión interna. Sin embargo, y pese a sus aspiraciones, se
encontraron con una tecnología aún limitada, que era incapaz de competir
en prestaciones con los modelos de combustión. Esto, unido que al principio
de los 90 el precio del petróleo se encontraba a niveles bajísimos, hizo
olvidar la crisis de 1973 y con ello, la razón por la que estaban buscando
alternativas a los coches de gasolina.
No obstante, a finales de los 90, estudios medioambientales mostraron
los peligros de la contaminación producida por los coches. En concreto, el
principal estudio fue el Protocolo de Kioto en 1997, que establecía la
relación entre las emisiones de CO2 por parte de los vehículos de
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31
combustión interna, y su serio riesgo ambiental y para la salud. Estos
estudios, reavivaron la necesidad de buscar alternativas, y así surgió el GM
EV1 (Figura 2.11) un modelo cuya intención era revolucionar el mercado y la
industria del automóvil por parte de General Motors, uno de los coches
eléctricos más famosos de la historia. Resultó ser un fracaso, se vendieron
poco más de mil unidades, antes de que en 1999 se interrumpiera su
producción y años más tarde se retirasen todos estos vehículos de las
carreteras.
Fue una gran decepción para el vehículo eléctrico, que todavía no podía
competir con el bajo precio de la gasolina, a pesar del intento de
popularizar el coche eléctrico con algunas iniciativas legislativas, como la
Zero Emission Mandate en el estado de California. Así, además del General
Motors EV 1, aparecieron por parte de otros grandes fabricantes mundiales
modelos como el Toyota RAV4 EV, el Ford Th!nk y el Ford Ranger EV, el
Nissan Altra EV o el Honda EV Plus. Casi todos estos fueron modelos
eléctricos de versiones de gasolina ya existentes, en esta época se
desarrollaron muy pocos expresamente para modelos eléctricos.
Figura 2.11. General Motors EV1 (1996-1999) Fuente: Carnewscafe
El último escalón en la historia del vehículo eléctrico se da con la llegada
del siglo XXI, y con él, las baterías de litio que si bien estaban inventadas ya
en 1970, no se introdujeron hasta el comienzo del siglo XXI en los coches
eléctricos. Provenían del sector de la electrónica, y dieron mucho aire a los
coches eléctricos, ya que eran más estables y seguras, más ligeras y con
mayor capacidad energética y resistencia a la descarga que las utilizadas
hasta entonces. Permitieron a los eléctricos aumentar considerablemente
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su autonomía, a la vez que con el poco efecto memoria1 que sufrían,
aumentaban la calidad y la vida útil de las baterías.
Además había una creciente preocupación por cuidar el planeta, tras
nuevos estudios medioambientales, por el agotamiento de las reservas
naturales de fuentes de energía no renovables, como petróleo o el carbón, y
por reducir la dependencia energética del exterior. Todo esto volvió a
disparar la necesidad de encontrar alternativas al petróleo, donde volvió a
aparecer entre otras opciones el petróleo. Esta vez, la mejora de la
autonomía de los coches con la introducción de las nuevas baterías y los
progresos en el terreno de la electrónica de potencia, ponen al eléctrico
como principal alternativa a los de combustión y parece que va a quedarse
para ser su sustituto.
En este desarrollo del coche eléctrico en el siglo XXI fue decisiva la
aparición de Tesla Motors, que en 2006 presentó el deportivo Tesla
Roadster, que incorporaba baterías de ion-litio y que no solo era eficiente y
capaz, sobretodo, era codiciado. Tesla, competía en prestaciones con los
mejores deportivos del mercado y lo que es más importante, cambio por
completo la percepción del vehículo eléctrico de cara a los consumidores.
Figura 2.12. Tesla Roadster (2006) Fuente: Superfuturecars
1 Efecto memoria: Fenómeno que reduce la capacidad de las baterías, provocando
que tras el primer ciclo de carga, la batería nunca llegue a poder almacenar la misma
energía que al comienzo de su vida útil.
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33
En 2010 se lanza al mercado el Nissan LEAF (“Leading, Environmentally
Friendly, Affordable, Family Car” o automóvil líder, ambientalmente
amigable, asequible y familiar), se trata del vehículo eléctrico apto para
carretera más vendido de la historia, con más de 150.000 unidades vendidas
a fecha de finales de 2014.
Figura 2.13. Coche eléctrico más vendido de la historia, Nissan LEAF (2010) Fuente: Extremetech
2.2 Funcionamiento básico
El funcionamiento de un vehículo eléctrico tiene un gran parecido al del
de un vehículo convencional. La mayoría de los componentes mecánicos y
elementos del vehículo son prácticamente los mismos, residiendo la
principal diferencia en el sistema de propulsión.
El principio de funcionamiento de un vehículo eléctrico es sencillo, pero
para poder comprenderlo, antes es necesario saber sus componentes
principales, que se desarrollarán más adelante. Un vehículo eléctrico lo
componen básicamente una batería, un motor eléctrico, un sistema de
electrónica de potencia (un conversor y un inversor) y por último
generalmente, dispositivos recuperadores de energía (como sistemas de
frenado regenerativos o pequeños generadores solares).
Para empezar el proceso de funcionamiento, la batería debe de estar
cargada. Lo que normalmente, para una fuente alimentación externa de
características similares a las de la red doméstica, lleva entre 4 y 8 horas
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según la capacidad de la batería. Sin embargo, esta energía que suministra
la red es de corriente alterna monofásica por lo que hay que procesarla
previamente, ya que la batería para almacenar energía eléctrica requiere
ser alimentada con corriente continua. Para ello se utiliza el conversor
(también conocido como cargador), uno de los dos elementos básicos del
sistema de electrónica de potencia, que convierte precisamente la corriente
alterna en continua pudiéndose llevar así a cabo la recarga de la batería.
Una vez cargada la batería y desconectada la fuente de energía externa,
se pone en funcionamiento el motor, proviniendo el flujo de energía
necesario de la batería cargada. Por la aplicación en la que se le está dando
uso, el motor eléctrico se trata en la mayoría de los casos de un motor
trifásico de corriente alterna. Curiosamente, para cargar las baterías se
convirtió la alterna de la red en continua, y ahora se necesita precisamente
alterna para alimentar el motor. Con esta función, aparece otro elemento
del sistema de potencia: el inversor, que no será necesario para el caso de
los motores eléctricos de corriente continua.
Así la energía almacenada en las baterías por la fuente de energía
externa llega al motor eléctrico, que a su vez este la transmite en forma de
energía mecánica a las ruedas, poniéndose el vehículo en movimiento.
Lo único restante que difiere, y no tanto, en el funcionamiento del
vehículo eléctrico con respecto al de combustión, es la inclusión de sistemas
de recuperación de energía para minimizar perdidas innecesarias y
aumentar el rendimiento, además cargando la batería mientras el coche
está en funcionamiento y así prolongar la autonomía. Son medidas como la
recuperación de energía en la frenada o generadores solares, que casi todos
los modelos eléctricos del mercado llevan equipados de serie.
2.3 Componentes principales
2.3.1 Baterías
Las baterías son sin duda el elemento clave del coche eléctrico, y se
puede afirmar que de la evolución de ellas dependerá el futuro de este
modelo de propulsión. Además, las principales características de todo
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35
vehículo eléctrico (autonomía, coste, tiempo de recarga, velocidad máxima,
etc.) vienen fuertemente determinadas por este elemento en particular.
Las baterías son por tanto el componente primordial de los vehículos
eléctricos, del que dependen sus prestaciones y su porvenir. A continuación
se analizan este fundamental elemento a conciencia.
2.3.1.1 Generalidades
Una batería recargable o secundaria, también denominada acumulador,
es aquel dispositivo que a través de reacciones electroquímicas de
oxidación/reducción, es capaz de almacenar energía eléctrica. Es por tanto
un sistema de almacenamiento de energía, y en concreto es el que más se
adapta a las condiciones del coche eléctrico. Las baterías entran entonces
en la categoría de generadores secundarios, solo pudiendo funcionar si
antes se les ha suministrado energía eléctrica mediante el llamado proceso
de carga.
Una batería consiste en dos o más celdas electroquímicas, son las
unidades básicas de las baterías, también llamadas elementos. Estas celdas
consisten en 2 electrodos, positivo y negativo, separados por un electrolito.
Es precisamente la reacción química entre los electrodos y electrolitos la
que genera la electricidad.
En la mayoría de las baterías comerciales, los electrodos son de
materiales compuestos (composite) y están formados por 3 partes: el
material activo, un conductor que se utiliza para cerciorar la transferencia
de electrones por parte del material activo, y un polímero encargado de
mejorar las propiedades mecánicas del composite. El material activo es el
elemento de donde procede la energía química que se transforma, de
manera directa y espontanea a través de reacciones de reducción-
oxidación, en energía eléctrica. Para que esto sea posible, se instala en el
electrodo positivo o cátodo el compuesto activo con mayor potencial red-ox
y en el electrodo negativo o ánodo el material con menor potencial.
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Figura 2.14. Esquema general de una celda o elemento de una batería Fuente:Wikipedia
Con respecto al electrolito, generalmente se trata de un líquido con dos
propiedades fundamentales, que tenga elevada conductividad iónica y que
sea aislante eléctrico. Para enclaustrar el electrolito en las celdas, éste se
encierra en un separador, así evitando además el contacto directo entre el
cátodo y el ánodo.
Por tanto las celdas son la parte fundamental de las baterías, donde se
está convirtiendo energía química en energía eléctrica. Para mejorar
características fundamentales de las baterías como el voltaje o la capacidad,
se juntan celdas entre sí, pudiéndose conectar en serie, en paralelo o en
una mezcla de las dos maneras.
2.3.1.2 Parámetros fundamentales
Como se ha explicado en el apartado anterior, de las baterías, y por
tanto de las celdas de las que están compuestas las baterías, van a
depender la mayoría de las prestaciones de un vehículo eléctrico. Los
parámetros electroquímicos más utilizados para definir una batería o una
celda son:
Fuerza electromotriz, voltaje o potencial (E). Es la diferencia de
potencial red-ox que hay entre los materiales activos del cátodo
y del ánodo. Es importante que las celdas dispongan de un
potencial alto y así reducir el número de celdas conectadas en
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37
serie necesarias para alcanzar el voltaje nominal deseado para
las baterías. Esta fuerza electromotriz, tanto de las baterías
como de las celdas, se mide en voltios [V].
Capacidad específica (Q). La capacidad es la medida que
muestra la cantidad total de carga eléctrica que la batería puede
almacenar. Se utiliza por lo general el amperio-hora [Ah] como
unidad para este parámetro. A la hora de comparar diferentes
tecnologías de baterías, es muy interesante utilizar lo que se
conoce como unidades de medidas específicas, esto es por
unidad de masa. En este caso se utiliza la capacidad específica, o
capacidad por kilogramo [Ahkg-1]. También es frecuente
encontrarse con capacidad por volumen [Ahl-1]. Ambas
normalizaciones son especialmente útiles en el ámbito del
eléctrico, ya que el peso y el volumen son dos magnitudes a
tener en cuenta e intentar optimizar, a la hora de diseñar y
fabricar los coches eléctricos.
Energía específica (W). Es el parámetro que muestra la cantidad
total de energía eléctrica que la batería es capaz de almacenar.
La energía específica se calcula como:
𝑊 =𝐸 · 𝑄
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎
Como se puede ver, es un parámetro que se mide en [Whkg-1], y
que reúne a los dos anteriores, por lo cobra especial importancia
a la hora de cuantificar las características electroquímicas de una
batería.
Igual que para la capacidad específica, es frecuente encontrar
también la energía normalizada para el volumen de la batería,
midiéndose en Whl-1 y expresándose:
𝑊 =𝐸 · 𝑄
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎
Ciclos de vida. Se considera como los ciclo de vida de una
batería, como la cantidad de periodos de carga/descarga que
una batería aguanta hasta perder un 20% de capacidad, es decir,
hasta que la máxima carga eléctrica almacenable en la batería
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sea del 80% de la nominal. No es otra medida que la de la vida
útil de la batería. Hoy en día se valora que el número mínimo de
ciclos de vida para que una tecnología utilizada para baterías sea
adecuada para el uso en vehículos eléctricos tiene que estar en
torno a los 500 ciclos.
Los fabricantes, ante esta pérdida de eficacia y de la vida útil de
las baterías, especialmente en climas cálidos, suelen compensar
aumentando el tamaño de las baterías permitiendo así un nivel
de degradación mayor sin que esta afecte así a la vida útil.
Conviene señalar que los parámetros expuestos anteriormente son los
que se consideran fundamentales, sin embargo hay muchos otros factores
que influyen en los fabricantes a la hora de decidir que tecnología de
baterías aplicar para el diseño de coches eléctricos. Algunos de estos
factores son el impacto ambiental, que las baterías sean cómodamente
reciclables, el coste económico, la seguridad, la profundidad de descarga o
el rendimiento.
2.3.1.3 Baterías de plomo-ácido
Historia
Como se comentó brevemente en la historia del vehículo eléctrico,
Gaston Planté fue el principal artífice de la evolución de las baterías y por
tanto, uno de los hombres claves en el desarrollo del coche eléctrico. Este
físico francés realizó en 1859, una sucesión de experimentos e
investigaciones que le permitió desarrollar y dar a conocer las baterías de
plomo-ácido, mejorando lo que había demostrado Wilhelm J. Sinsteden en
1854, ya que se trataban de baterías reutilizables.
La primera celda que montó la constituían dos láminas de plomo con un
tejido separándolas, que posteriormente se enrollaban y sumergían en
ácido sulfúrico al 10%. La primera batería completa la presentó un año más
tarde en la Academia de Francia, y estaba compuesta por 10 de estas
celdas. Fue la primera batería de Pb-ácido de 10 celdas, con una tecnología
que tras más de 150 años de desarrollo sigue siendo sorprendentemente
similar a la actual.
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Figura 2.15. Batería Pb-ácido de Gaston Planté (1859) Fuente:Wikimedia
Hubo que esperar hasta 1881, para que Camille A. Faure, otro científico
francés, mejorará las baterías de Planté, que requerían un lento y laborioso
proceso de carga. Mejoró además las prestaciones de estas baterías,
aumentando su capacidad e hizo despegar por completo el potencial de los
coches eléctricos en esa época. Esta innovación demuestra que la energía
puede ser almacenada para luego ser redistribuida, lo que generó una
enorme expectación. No obstante desde entonces, y por los problemas que
tuvieron los eléctricos desde comienzos del siglo XX, no se realizaron
mejoras importantes en esta tecnología. Fue a partir de 1960, cuando se
fueron introduciendo mejoras hasta llegar a la batería de Pb-ácido actual.
Estas mejoras incluyen por ejemplo: la técnica de preparación de la parte de
los electrodos de material activo, la constitución y geometría de los
colectores de corriente o la colocación de los electrodos y electrolitos en las
celdas.
A día de hoy, el diseño más evolucionado de este tipo de baterías se
conoce como “Spiral Wound Valve-Regulated Lead-Acid (VRLA) batteries”.
Este diseño sustituye la disposición habitual del interior de las celdas, en la
que los electrodos se situaban como placas paralelas y el electrolito en
medio de ellas, por una colocación en espiral. De esta forma se enrollan los
electrodos y electrolito en forma de espiral, curiosamente con una
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disposición de gran parecido a como lo hizo Gaston Planté en 1859, hace
más de 150 años. Las ventajas con respecto a la colocación tradicional son
numerosas, de las que destacan un aumento considerablemente de la
potencia de la batería, y un incremento del número de ciclos de vida.
Figura 2.16. Batería Pb-ácido, mostrando la geometría en espiral de sus componentes Fuente: Wikimedia
Otro diseño de una batería Pb-ácido a destacar es el de una compañía
de Texas, que ha desarrollado la batería Horizonte. Se trata de una batería
de ciclo profundo que supondrá una revolución total en esta tecnología. Los
electrodos se unen a través de una fibra de vidrio, que reduce tanto la
resistencia interna, como el tiempo de carga y descarga. De esta forma se
espera aumentar la autonomía del vehículo eléctrico con este tipo de
baterías hasta un 35%.
Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas
Se trata de las baterías más conocidas han sido históricamente las más
utilizadas para vehículos eléctricos. Aunque no se trate exactamente de las
mismas baterías, la misma tecnología de Pb-ácido se usa para los motores
de combustión interna, siendo fundamentales para estos.
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Figura 2.17. Esquema de una batería de Pb-ácido tradicional Fuente:Wikimedia
Para poder comprender este procedimiento, antes de comentar todas
las reacciones que aparecen en los ciclos de carga y descarga, hay que
entender que cuando se fabrican las baterías, se utilizan compuestos en su
forma descargada (en el caso de las baterías Pb-ácido, el sulfato de plomo
PbSO4). Por ello, para su correcto funcionamiento es necesario cargar las
baterías antes de ser utilizadas.
Las reacciones de oxidación y reducción que se llevan a cabo en cada
elemento de estas baterías para los ciclos de carga y descarga son:
Carga:
Figura 2.18. Reacciones electroquímicas en la carga de las baterías Pb-ácido Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.
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Como se puede apreciar en la figura 2.14, durante el inicio de la etapa
de carga, en el electrodo positivo se lleva a cabo la oxidación del Pb2+
perteneciente al sulfato de plomo (Pb(2+)SO4) a Pb4+ en el dióxido de plomo
(Pb(+4)O2) y con la consiguiente cesión de dos electrones. Precisamente
estos electrones reducen, en el electrodo negativo, el Pb2+ provenientes del
sulfato de plomo resultando Pb0 también conocido como plomo metálico.
Así al final de la etapa de carga a través de las reacciones red-ox se han
formado PbO2 y Pb0, en los electrodos positivos y negativos
respectivamente.
Estos compuestos son los que realmente se consideran como los
materiales electroquímicamente activos de este tipo de baterías. En
relación al electrolito, éste se trata de una serie de reacciones cuyo
resultado es una disolución acuosa al 37% en peso de ácido sulfúrico.
Descarga:
Figura 2.19. Reacciones electroquímicas en la descarga de las baterías Pb-ácido Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.
Cuando la batería está funcionando, la batería se encuentra en la etapa
de descarga. En esta fase, se produce en el electrodo negativo una
oxidación espontánea del plomo metálico, que se había formado en la etapa
de carga también en el ánodo, al catión Pb2+ cediendo a su vez 2 electrones.
Este catión se precipita instantáneamente en presencia de los iones sulfato
existentes en el electrolito. Se forma así el electrodo el sulfato de plomo
que había antes de iniciarse el proceso de carga. Lo mismo sucede en el
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electrodo positivo volviendo en los 3 elementos de cada celda a la
composición inicial.
Desafortunadamente las reacciones que hay en las baterías de Pb-ácido,
no son solo las descritas en las Figuras 2.14 y 2.15. Además hay unas no
deseadas, provocadas por la inestabilidad del plomo y del dióxido de plomo
en el ácido sulfúrico, que inducen en una lenta descomposición de estos
compuestos. Esto se expresa con las reacciones:
La descomposición a través de esas reacciones provoca que las baterías
de Pb-ácido tengan una autodescarga, es decir, que la batería se vaya
descargando de forma paulatina pero sin estar en funcionamiento. El ritmo
a la que esta reacción se produce depende de varios factores, de los que
destacan la temperatura, a mayor temperatura más rapidez y la pureza y
calidad de los componentes. Sin embargo, se aproxima que esta descarga
de las baterías en este tipo concreto de tecnología, en general implica una
pérdida que puede llegar al 2% de batería al día.
Otras reacciones con efectos negativos sobre las baterías se producen
cuando la batería se está cargando hasta niveles altos. En esta situación, hay
algunas celdas tienen que tolerar que se sobrecarguen, para que otras
puedan cargarse por completo. Las reacciones que aparecen cuando se
sobrecargan estas celdas se muestran en la Figura 2.16:
Figura 2.20. Reacciones al sobrecalentar una celda de Pb-ácido. Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.
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Frente a estas reacciones que provocan la gasificación del agua, y la
consiguiente formación de oxígeno e hidrógeno en los electrodos, los
fabricantes desarrollan baterías cerradas, para intentar evitar la fuga de
estos gases y así obligarlos con el paso del tiempo a recombinarse en agua.
Características, ventajas y limitaciones
Las características nominales de las baterías de Pb-ácido se muestran a
continuación:
Tabla 2.1. Valores nominales de las baterías de Pb-ácido Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.
Las baterías de Pb-ácido tienen como toda tecnología en este sector sus
ventajas y limitaciones, que hacen que sea una buena o mala elección. Estas
baterías están bien establecidas comercialmente, con un fuerte apoyo de la
industria, se muestran a continuación sus ventajas más significativas:
Bajo precio. No hay duda de que la ventaja más importante de
estas baterías es su coste. Actualmente, se tratan de las baterías
recargables más baratas del mercado en KWh, y sin duda
permanecerá así en un futuro cercano.
Alto voltaje. El voltaje nominal de estas baterías es de hasta 2,0
V. Se trata del mayor voltaje nominal de todas las baterías
fundamentadas en electrolitos acuosos.
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Elevada potencia. Las baterías de plomo tienen una propiedad
que provoca que la reacción en los electrodos sea muy rápida.
Esta propiedad implica que tengan la habilidad de transmitir una
enorme intensidad de corriente y, como consecuencia, una
elevada potencia. Esta ventaja de este tipo de baterías es
especialmente útil en su aplicación a vehículos eléctricos, siendo
muy provechoso para las etapas de aceleración.
Tecnología madura y fácil de fabricar. Como se comentó en el
apartado de historia de estas baterías, Pb-ácido es la primera
técnica que surge en el desarrollo de las baterías. Las baterías de
Pb-ácido son por tanto una tecnología madura, con más de 150
años de historia, muy destacada y trabajada. Además su
fabricación e implementación es sencilla, ya que por ejemplo
ambos electrodos se fabrican con el mismo compuesto inicial
(PbO·H2SO4) o que a los materiales electroquímicamente activos
de los mismos (Pb, PbO2) no hace falta añadirles ningún material
extra para mejorar su conductividad, pues es ya muy elevada. De
esta manera, la fabricación de las baterías Pb-ácido está ya muy
automatizada.
Fácilmente reciclable. Un punto clave para muchos, a pesar de
que como se verá estas baterías tienen un fuerte impacto
ambiental. Sus componentes son fácilmente reciclables, y hay
una tecnología muy desarrollada para ello. Prueba de ello es que
en España se reciclan por encima del 95 % del total de estas
baterías.
Sin embargo, no todo son ventajas para las baterías de Pb-ácido, que
tienen una serie de limitaciones:
Baja densidad de energía y baja energía específica. Este es el
principal problema de estas baterías, debido principalmente al
gran peso de los componentes. Es por esto, que es difícil
encontrar vehículos eléctricos diseñados para mucha autonomía
con estas baterías, pues necesitarían un paquete de baterías
muy grande y pesado.
Impacto medioambiental. Los compuestos de plomo utilizados
en su fabricación son altamente contaminantes. Además del
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plomo, muchas baterías incorporan para la rejilla del colector de
corriente, materiales como el antimonio y arsénico que pueden
formar compuestos de fuerte carácter contaminante, como la
estibina y arsina respectivamente. Todo esto hace que las
baterías de Plomo-ácido presenten un fuerte impacto
medioambiental, que paradójicamente es uno de los puntos
claves del eléctrico.
Vida útil moderada. Estas baterías tienen un número de ciclos
de vida moderado comparado con el resto de las tecnologías.
Este número de ciclos se ve reducida en el caso de descargas
profundas, normalmente entre 400 y 800 ciclos de
carga/descarga. Por ello, es recomendable para las baterías Pb-
ácido evitar consumir más del 80% de su capacidad, lo que se
conoce como profundidad clasificada de descarga (DOD). Es
decir, cuando se está en la etapa de funcionamiento
descargando la batería, tener cuidado de no pasar el nivel del
20% de la capacidad nominal de la batería.
Reacciones electroquímicas no deseadas. Se producen
principalmente en la etapa de carga: Por un lado, la sobrecarga
de algunas celdas, provocando una auto descarga de la batería, y
por otro en la gasificación del agua, provocando un
desprendimiento de gases, hidrógeno y oxígeno. Es
especialmente peligrosa la del hidrógeno, por tratarse de un gas
inflamable.
Electrolito acuoso. La mayoría de las baterías Pb-ácido se
caracterizan por tener el electrolito acuoso, con el posible riesgo
de que en caso de accidente se derrame. Además, por culpa de
este electrolito, tienen la complicación de tener que ser
ensambladas en una posición especial. Hay que mencionar que
también existen, y que cada vez se usan más sobretodo para los
vehículos eléctricos, baterías con el mismo principio de
funcionamiento pero con el electrolito ácido en forma de gel,
evitándose así esos problemas.
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Aplicación en coches eléctricos
Desde la invención de las baterías Pb-ácido por Gaston Planté en 1859
hasta la actualidad, cabe destacar dos modelos de eléctricos con estas
baterías: el GM EV1 y el REVAi. Ambos modelos son relativamente
recientes, y han ocupado puestos importantes en la historia del automóvil
eléctrico.
Empezando por el modelo de General Motors, el EV1 (Figura 2.11), se
lanzó al mercado como una revolución que debía cambiar el rumbo de los
eléctricos. La verdad es que resultó ser un fracaso con poco más de mil
unidades vendidas, pero es uno de los coches más importantes en la
historia del coche eléctrico.
Los ingenieros de GM para este coche eligieron las baterías de Plomo-
ácido básicamente por su bajo coste y su madura tecnología. Montaron un
sistema de 26 acumuladores, consiguiendo una capacidad de
almacenamiento total de 16,3 KWh. Las prestaciones de este vehículo,
gracias al completo sistema de baterías y a su buena aerodinámica, eran
notablemente buenas: 130 km/h de velocidad máxima y 140 km de
autonomía. En general, fue un coche que se adelantó a su época y que, a
pesar de sus prestaciones, fue retirada del mercado a los pocos años
dejando una atmósfera de polémica.
Unos años más tarde, en 2001 se inicia la producción del REVAi (Figura
2.21), diseñado y comercializado para ser utilizado como vehículo urbano,
con baterías de Pb-ácido, por el fabricante indio Reva Electric Car Co. Fue el
coche eléctrico más vendido del mundo hasta 2009, con un total de 4600
unidades hasta que se cerró su producción en 2012.
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Figura 2.21. Coche eléctrico REVAi, con baterías de Pb-ácido (2009) Fuente: RevaNorge
Fue ideado de pequeñas dimensiones para cubrir trayectos urbanos,
para situaciones de tráfico y reducidas velocidades. Se componía de un
sistema de 8 baterías de Pb-ácido, y disponía de una autonomía hasta de 80
km, por su reducida energía específica, que no llegaba a 10 KWh. A pesar de
ello, se consideraba más que suficiente para trayectos urbanos de la
mayoría de la gente.
2.3.1.4 Baterías basadas en el níquel
A partir del trabajo de Edison a finales del siglo XIX, se han desarrollado
baterías usando níquel en el electrodo positivo. Estas baterías incluyen las
de níquel-cadmio (NiCd), níquel-hidruro metálico (NiMH), níquel-hierro y
níquel-zinc. De estas baterías, las de hidruro metálico son las más
importantes, seguidas de las de cadmio. Las de zinc tienen unas
características muy razonables, pero son muy difíciles de encontrar por sus
escasos 300 ciclos de vida. Las de hierro tienen también un uso muy
limitado. Por todo esto, se analizarán más detenidamente las de níquel-
hidruro metálico, y más por encima las de níquel-cadmio, sin entrar en los
otros dos tipos.
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49
a) Baterías de níquel-cadmio
Historia
Las baterías de níquel-cadmio fueron desarrolladas en 1899 por el
inventor sueco Waldmar Jungner, y a pesar de que ofrecían varias ventajas
respecto a las de plomo-ácido, tuvieron un difícil arranque por el elevado
coste de sus materiales.
No se dieron evoluciones en estas baterías hasta 1932, cuando hubo
varios intentos de depositar el material activo en un electrodo de níquel
poroso. Y 15 años más tarde, en 1947, cuando se desarrolló un sistema con
la intención de absorber los gases generados durante la carga, lo que
desembocó en las baterías selladas de hoy en día.
Figura 2.22. Primera batería de NiCd, inventada por Waldmar Jungner en 1899 Fuente: Old Picz – The Evolut ion of the Battery
Se hicieron más progresos en estas baterías en los 80, resultando
baterías con más material activo y más superficie, con lo que se consiguió
reducir la resistencia interna de estas baterías. Además en toda la segunda
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50
mitad del siglo XX se fue reduciendo el coste de fabricación de estas
baterías. Las baterías de NiCd entonces ocupaban una excelente posición en
el mercado, entre otros, con una gran mayoría hasta 1990 en el mercado de
la electrónica.
Las baterías de níquel-cadmio, estaban destinadas a ser la competencia
para las baterías de Pb-ácido, y con la ventaja de poseer casi el doble de
energía específica de las de plomo. Pero como se comentará, no se dieron
mucho uso en los vehículos eléctricos, y por varias razones se usan cada vez
menos en favor de las de níquel-hidruro metálico.
En la actualidad, la totalidad de las baterías de NiCd tienen un diseño en
forma de “Jelly roll” o “Swiss roll”, una disposición cilíndrica de las capas de
materiales activos (Figura 2.23). Se reduce con ella la resistencia interna, al
aumentar considerablemente el área en contacto de estos materiales
activos con los electrodos.
Figura 2.23. Batería de NiCd en disposición de "Jelly roll" Fuente: Encyclopaedia Bri tannica, Inc.
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51
Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas
Estas baterías de NiCd, tienen en el electrodo positivo oxihidróxido de
níquel (NiOOH) y en el negativo cadmio metálico (Cd), mientras que el
electrolito es hidróxido potásico (KOH). La energía se obtiene tras una serie
de reacciones de oxidación y reducción, que se muestran en la Figura 2.24 y
que puede ayudar además a ver el funcionamiento de la batería. En esta
figura se enseñan las reacciones en cada electrodo y de donde vienen los
electrones necesarios para ellas.
Figura 2.24. Reacciones electroquímicas en la descarga de las baterías de NiCd Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.
Aunque como se puede observar, las reacciones de la imagen son para
la etapa de descarga, se trata de un proceso reversible por lo que las
reacciones se revierten para la carga. Observar que en la etapa de descarga
el electrolito pierde agua volviéndose más concentrado cuanto más se
descarga, totalmente lo contrario que pasaban con las de Pb-ácido.
Las reacciones totales a partir de las cuales se obtiene energía, las del
conjunto de la batería se pueden unificar como:
Además, igual que para las baterías de plomo-ácido, se producen
reacciones que provocan la auto descarga de la batería, si bien hay que
matizar que a un ritmo mucho más lento. Y es que, las baterías de NiCd
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52
tienen una manera muy inteligente de tratar con la sobrecarga. Las celdas
están diseñadas de tal forma que haya una cantidad extra de hidróxido de
cadmio, Cd(OH)2 en el electrodo negativo, lo que implica que el electrodo
positivo se cargue siempre por completo primero. La corriente de carga
acaba desembocando en una generación de oxígeno en el electrodo
positivo a través de la reacción:
Como se observa en la reacción 2.5, el oxígeno libre se une, en el
electrodo negativo con el cadmio, y empleando el agua resultante de la
reacción 2.4, produce hidróxido de cadmio:
A la par que estas reacciones, se sigue produciendo la carga normal de
la batería con los electrones provenientes de la reacción 2.4 y con ello la
reacción en este electrodo:
Comparando las tres reacciones anteriores, si se hace un balance entre
ellas resulta que se trata de un sistema perfectamente sostenible. El ratio
de producción del hidróxido de cadmio en la reacción 2.5 es igual que el de
su reconversión en cadmio. El conjunto de las tres reacciones no tiene por
tanto ningún efecto, y por ello la situación de sobrecarga puede continuar
indefinidamente.
Características, ventajas y limitaciones
Las características nominales de las baterías de NiCd se muestran a
continuación:
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53
Tabla 2.2. Valores nominales de las baterías de NiCd Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.
Las baterías de níquel-cadmio presentan las siguientes ventajas con
respecto a otras tecnologías:
Considerable energía específica. Tiene una energía específica
mucho mayor que las de Pb-ácido, pero sin llegar al nivel de
nuevas tecnologías.
Alto número de ciclos de vida. Llega hasta los 2500 ciclos de
vida, muy por encima de la mayoría de las baterías.
Rango de temperaturas. Puede llegar a operar en un abanico
muy amplio de temperaturas, normalmente pueden llegar a
funcionar entre los -40 °C y los +80 °C. Sin embargo, pierden
eficacia a partir de los +35 °C, lo que no debería afectar a su
aplicación a vehículos eléctricos.
Buena reacción a la sobrecarga. Ya se ha explicado que tiene
una muy inteligente forma de tratar con la sobrecarga, que
mediante una serie de reacciones, puede manejar la sobrecarga
indefinidamente. Así, la sobrecarga de algunas celdas es
inofensiva para estas baterías, pero no deja de ser un gasto de
energía necesario si queremos que todas ellas se carguen a su
máximo nivel.
Robustez. Se tratan de unas baterías muy resistentes tanto
mecánica como eléctricamente.
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54
Carga rápida. En comparación con el resto de baterías, las de
NiCd tienen una carga muy rápida. En una hora la recarga se
puede completar, y en nada más que 20 minutos recargar hasta
el 60 % de la capacidad de la batería.
Pero como era de esperar, no todo son ventajas, y más si como se había
comentado no es una de las baterías más usadas hoy en día. Sus
limitaciones principales son:
Complicado adaptación para vehículos eléctricos. Aunque las
baterías de NiCd pueden ser adquiridas en varias formas y
tamaños, resulta especialmente complicado obtener estas
baterías en tamaños grandes, requeridos para vehículos
eléctricos.
Bajo voltaje. Tiene un potencial nominal aproximadamente de
unos 1,2 V, muy bajos frente a los 2,0 V de los de plomo-ácido.
Esto quiere decir, que por ejemplo para hacer una batería de 12
V de voltaje nominal, se requeriría un sistema de 10 celdas de
NiCd en serie mientras solo serían necesarias 6 de plomo.
Alto coste. Principalmente debido a que el precio del cadmio es
varias veces superior al del plomo u otros materiales de
electrodos, algo que no tiene pinta de que vaya a cambiar.
Seguramente el elevado coste de estas baterías este también
muy relacionado con lo comentado anteriormente del bajo
voltaje, pues encima de ser más caro el material, se necesitan
muchas más celdas de NiCd para conseguir iguales voltajes
nominales de las baterías que con otras tecnologías. A pesar de
lo anterior, se considera que esta batería es la más barata en
términos de coste por ciclo.
Fuerte impacto medioambiental del cadmio. Es un material que
puede hacer mucho daño. Por un lado es muy contaminante al
medioambiente, y encima se trata de un material cancerígeno.
Elevado efecto memoria. Como se comentó anteriormente, se
trata de un fenómeno que reduce la capacidad de las baterías.
Provoca que con el uso de la batería, esta nunca llegue a poder
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55
almacenar la misma energía que al comienzo de su vida útil. Las
baterías de níquel-cadmio sufren mucho más este fenómeno que
por ejemplo las de ion-litio o las de plomo-ácido.
Aplicación en coches eléctricos
Por todas las limitaciones anteriores, pero en especial por la dificultad
de hacer baterías grandes, su principal campo de aplicación son
herramientas portables y equipo electrónico, muy lejos de los vehículos
eléctricos.
No obstante, a lo largo de la historia han sido utilizados con cierto éxito
en varios coches. Principalmente en versiones eléctricas de coches como el
Peugeot 106, el Citroën AX y el Renault Clío, pero también en el Ford Th!nk
mostrado en la Figura 2.23.
Figura 2.25. Ford Th!nk (2002) Fuente: Los Ángeles Auto Show (2002)
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56
b) Baterías de níquel-hidruro metálico
Historia
La historia de estas baterías es bastante más reciente que las anteriores,
eso sí teniendo en cuenta que son, a casi todos los efectos, una evolución
de una tecnología que surgió a finales del siglo XIX, las baterías de NiCd.
Se considera que el desarrollo de las baterías de níquel-hidruro metálico
comienza en 1967, cuando Lewis publicó una serie de datos que en 1970
sirvieron para que Junty y col. desarrollaran el primer electrodo de hidruro
metálico. Sin embargo, las inestabilidades con el hidruro metálico llevaron a
los investigadores a desarrollar las baterías de níquel-hidrogeno (NiH) en
vez de las de NiMH. Así hubo que esperar hasta la década de los 90 para
encontrar la primera batería NiMH que se comercializó. Desde entonces,
evolucionó mucho la tecnología, llegando a doblar su energía específica y
aumentando considerablemente sus ciclos de vida. Estas mejoras se
debieron principalmente a las investigaciones sobre el electrodo de hidruro
metálico.
Se ensayaron varias aleaciones de metales para el electrodo del hidruro
metálico, y tras toda la investigación han sido dos aleaciones las más
utilizadas: las denominadas clases AB2 y AB5. La ventaja de la aleación AB2
es una capacidad específica superior (440 Ahkg-1 del AB2 por 300 Ahkg-1 del
AB5), pero sin embargo presentan un coste mucho mayor que la AB5, lo que
hace que esta aleación sea menos utilizada en las baterías comerciales. Este
campo sigue siendo el clave para el desarrollo de estas baterías, por lo que
sigue siendo fundamental continuar con la investigación para así optimizar
las baterías de NiMH, a través de los electrodos de hidruro metálico.
Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas
Como se ha comentado, estas baterías se consideran la evolución
mejorada de las de NiCd, y por tanto tiene en común con ellas algunas
cosas. Ambas tecnologías usan el mismo electrolito, hidróxido potásico
(KOH), y las dos tienen oxihidróxido de níquel (NiOOH) como material activo
en el electrodo positivo. Sin embargo, y la propiedad más novedosa es la
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57
incorporación de una aleación metálica en el electrodo negativo, capaz de
introducir de manera reversible hidrógeno electroquímicamente,
sustituyendo al cadmio de las de NiCd.
Figura 2.26. Esquema de batería de NiMH de disposición cilíndrica Fuente: Robocup
Las reacciones electroquímicas que tienen lugar durante la descarga en
cada electrodo de estas baterías se pueden observar en la Figura 2.27.
Cuando se cargan, las reacciones son las mismas pero reversibles.
Figura 2.27. Reacciones durante la descarga de las baterías de NiMH. Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry .
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58
Las reacciones en el electrodo es exactamente la misma que para las
baterías de NiCd; el oxihidróxido de níquel reacciona para convertirse en
hidróxido de níquel durante la descarga. En cambio, en el electrodo
negativo, se libera hidrógeno del metal al que estaba momentáneamente
adjunto y reacciona para producir agua y electrones libres. El metal usado,
son aleaciones, cuyo funcionamiento básico es una reacción reversible que
el metal absorbe y se fusiona con el hidrógeno, para luego devolverlo como
hidrógeno libre cuando sea necesario.
Mencionar que durante es las reacciones, tanto en las de carga como en
las de descarga, el agua es creada exactamente al mismo ritmo que al que
es usada, y por tanto el electrolito no se ve afectado. Además así, tanto la
resistencia interna como el voltaje del circuito abierto de las celdas son
mucho más constantes.
La reacción total que se produce en estas baterías, y según la cual se
produce energía es:
Otras reacciones se producen, y estas no con efecto positivo. Las
baterías de NiMH tiene una auto descarga mucho mayor que las de NiCd.
Esto se debe a que las moléculas de hidrógeno son muy pequeñas, y pueden
con una relativa facilidad difundirse a través del electrolito y llegar al
electrodo positivo, donde reaccionan según la siguiente expresión:
Como resultado, hidrógeno se pierde del electrodo negativo e hidróxido
de níquel se forma en el positivo, sufriendo así la batería una rápida auto
descarga.
Igual que como sucedía con las baterías de NiCd, estas baterías están
sometidas a la sobrecarga de algunas celdas con el fin de conseguir que la
batería se cargue por completo. Si bien es cierto, que con alguna
complicación más que las de NiCd, pero son capaces de tratar con la
sobrecarga hasta un límite de corriente de carga.
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59
Características, ventajas y limitaciones
Las características nominales de las baterías de NiMH se muestran a
continuación:
Tabla 2.3. Valores nominales de las baterías de NiMH Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowr y.
A la hora de analizar las ventajas y limitaciones de una de estas
tecnologías de baterías es importante también tener en cuenta que otras
tecnologías estaban presentes en su época de introducción. En el caso de
las baterías de níquel-hidruro metálico, la primera batería que se
comercializó fue a finales de los 80 principios de los 90, y para entonces
existían las baterías de Pb-ácido y sus predecesoras las de NiCd. Teniendo
en cuenta esto, sus principales ventajas son:
Mayor energía específica. Sin duda, esta es su mayor ventaja
respecto a las baterías que existían por entonces. Se caracterizan
por tener una energía específica entre 60 y 80 Whkg-1 frente a
los 10-40 Whkg-1 de las de Pb-ácido o hasta los 60 Whkg-1 de las
de NiCd.
Respetuoso con el medioambiente. Estas baterías tiene un
menor impacto sobre el medioambiente que las anteriores,
principalmente por la desaparición del cadmio y el plomo. A
cambio, se introducen los hidruros metálicos que reducen
significativamente la huella ecológica de la batería. Además sus
componentes son fácilmente reciclables.
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Rápida recarga. Su recarga es muy rápida, la recarga completa
puede llevar entre hasta 1 hora, algo más rápido que la de NiCd.
Incluso, que la recarga sea tan rápida sumado a que la reacción
de unión del hidrógeno con el metal es fuertemente exotérmica,
pueden producir problemas de calentamiento de la batería, y
por ello muchas de estas baterías llevan ventiladores acoplados
(Figura 2.28).
Figura 2.28. Batería comercial de NiMH con ventiladores. Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.
Mantenimiento nulo. Prácticamente no requieren ningún
mantenimiento.
En cuanto a las limitaciones de las baterías de NiMH, las más relevantes
son:
Menor número de ciclos de vida. Las baterías de níquel-hidruro
metálico apenas aguantan entre 300 y 600 ciclos de vida. La
razón principal para este discreto número de ciclos de vida es la
corrosión de los hidruros metálicos que se produce en el
electrolito.
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Coste elevado. A pesar de que el precio se ha reducido una vez
que empezó la producción en serie de estas baterías, sigue
siendo unas 3 o 4 veces superior a la de plomo-ácido.
Auto descarga considerable. Aunque menor que las de Pb-ácido,
sufre este efecto. Se puede reducir con aditivos químicos, con el
precio de perder capacidad.
Efecto memoria. Las baterías de NiMH sufren menos el efecto
memoria que por ejemplo las baterías de NiCd, pero aun así sigue
siendo una limitación considerable. Algunas investigaciones apuntan a
que se debe a cambios en la estructura del oxihidróxido de níquel en el
electrodo positivo durante la sobrecarga de la batería.
Aplicación en coches eléctricos
La gran aplicación de las baterías de níquel-hidruro metálico es en la
electrónica de consumo. No obstante, la aplicación de este tipo de baterías
para los vehículos eléctricos ha sido bastante común desde su
comercialización a finales de los 80. Destacan los modelos como la tercera
generación del General Motors EV1, el Honda EV Plus, o el Ford Ranger EV
(Figura 2.29).
Figura 2.29. Ford Ranger EV (1997 - 2002) Fuente: Aust in EV
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62
Sin embargo su aplicación ha sido mucho más destacada para los
vehículos híbridos, destacando el Toyota Prius, primer vehículo híbrido
producido en serie, y el más representativo de este tipo de modelo de
propulsión. Se comenta sobre ello más adelante.
Figura 2.30. Batería de NiMH de un Toyota Prius (2008) Fuente: Wikimedia
2.3.1.4 Baterías de ion-litio
Historia
El litio es el metal más ligero de todos, el que tiene un potencial
electroquímico mayor y el que dispone de la mayor energía específica. Las
baterías de litio recargables tienen hoy en día unas características
impresionantes pero sin embargo, no tuvieron un comienzo sencillo.
La aplicación del litio como tecnología para las baterías empezó en 1912
por G. N. Lewis, si bien hasta la década de los 70 no estuvieron disponibles
las primeras baterías no recargables. Fue entonces cuando M.S.
Whittingham cuando trabajando para Exxon, desarrollo una batería usando
sulfuro de titanio (IV) y litio metal como electrodos. Estas baterías tenían un
problema, los electrodos de litio metal presentaban problemas de
seguridad, pues eran altamente reactivos, incluso en condiciones
atmosféricas, en presencia de agua y oxígeno.
Durante la década de los 80 se intentó desarrollar las baterías
recargables de litio, pero se volvieron a encontrar con el mismo problema:
la inestabilidad del litio metal utilizado en el electrodo negativo. Ante este
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63
problema, surgieron las baterías de ion-litio, al decidirse a sustituir el litio
metal por una tecnología capaz de insertar y desinsertar iones de litio. Las
primeras baterías de Li-Ion fueron desarrolladas por parte de Sony en 1991.
Estas baterías estaban compuestas de grafito en el electrodo negativo, y
oxido laminar de litio y cobalto (LiCoO2) en el positivo. Esta configuración,
denominada C//LiCoO2, es actualmente la más utilizada para las baterías de
iones de litio comerciales.
Por otro lado, en el siglo XXI se están investigando con muchas otras
variantes de baterías de ion-litio, como por ejemplo las de LiMn2O4 o las de
LiFePO4. Estas dos opciones en concreto, presentan varias ventajas con
respecto a las de LiCoO2 fundamentalmente un menor coste y un menor
impacto ecológico. Son las más investigadas y están consideradas como las
principales candidatas a tomar el relevo en las baterías de iones de litio.
Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas
Como se ha comentado, estas baterías tienen como materiales activos
de los dos electrodos compuestos con la habilidad de poder realizar los
denominados procesos de inserción y desinserción de iones de litio (Li+) y
además reversiblemente. Para ello, uno de los dos electrodos debe tener
como material activo algún compuesto que cuente con algo de litio en su
constitución inicial. Entre estos materiales usados para el cátodo de las
baterías comerciales, destacan el LiCoO2, LiMn2O4 y LiFePO4.
Tabla 2.4. Diferentes configuraciones de baterías de ion-litio según el material activo del cátodo Fuente: Sostenib il idad Técnica, económica y ambiental de f lotas comerciales de vehículos
eléctricos . S i lv ia Cestau Cubero (2014). Universitat Poli tècnica de Catalunya.
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Figura 2.31. Flujo de los iones en las baterías de ion-litio Fuente: Battery Univers ity
En cuanto al electrolito, puede tratarse de una disolución líquida
orgánica o de un polímero sólido. En general, el más usado es una
disolución de sal de litio con disolvente orgánico, y una de estas es la
disolución 1M de LiPF6. Esta presenta una composición estequiométrica
(1:1 en peso) de carbonatos de etileno (EC) y de dimetilo (DMC).
El funcionamiento de estas baterías es relativamente sencillo, y parecido
en cierta manera a las anteriores. En las celdas, durante el proceso de carga,
gracias a la aportación de energía del exterior los iones se desplazan entre
el electrodo positivo y el negativo, permaneciendo ahí hasta el comienzo de
la etapa de descarga. En ese momento el proceso se revierte, los iones
llevan el camino opuesto y se libera así energía. La reacción general total de
producción de energía en estas baterías es:
Estas baterías pueden adoptar diferentes formas y tamaños, desde
formas cilíndricas a prismáticas.
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65
Figura 2.32. Partes y funcionamiento de una batería de ion-litio de forma cilíndrica. Fuente: Battery Univers ity
Características, ventajas y limitaciones
Las características nominales de las baterías de ion-litio se muestran a
continuación:
Figura 2.33. Valores nominales de las baterías de ion-litio Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry .
Las baterías de ion-litio presentan numerosas ventajas frente al resto,
son consideradas como las baterías más avanzadas.
Alta energía específica y densidad de energía. Una de las
principales ventajas de las baterías de ion-litio es que posee una
energía específica muy elevada, debido esencialmente a su
reducido peso. No solo presentan una excelente energía por
unidad de masa (80 - 170 Whkg-1), sino también por unidad de
volumen (170 - 450 Whl-1). Son valores en torno a dos veces
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mayores que los valores nominales de las baterías de níquel-
hidruro metálico y 4 veces mayores que los de las baterías de
plomo-ácido.
Voltaje muy elevado. Las baterías de Lion son las que más
potencial nominal poseen. Generalmente, dependiendo de la
capacidad de descarga, oscilan entre los valores de 3 y 4 voltios,
que puede llegar a ser 3 veces superiores a los de NiMH, las otras
baterías más utilizadas. Una de las razones principales de que
estas baterías lleguen a alcanzar este valor de potencial tan
elevado, es la utilización de un electrolito no acuoso.
Auto descarga muy baja. Presentan niveles de auto descarga
muy inferiores a las baterías de NiCd y NiMH.
Efecto memoria nulo. Estas baterías no sufren apenas efecto
memoria, y no necesitan ningún tratamiento especial, como ser
completamente descargadas deliberadamente de vez en cuando,
para conservar la capacidad nominal de la batería. Esta es una
ventaja muy importante frente a las baterías de níquel.
Excelente número de ciclos de vida. Muy relacionado con la
anterior, estas baterías en todas sus configuraciones posibles
presentan muy buena recargabilidad. Estudios por parte del
CSIC, muestran que tras más de 1000 ciclos de vida la batería de
ion-litio mantiene más del 90% de su capacidad.
Impacto medioambiental comedido. Estas baterías, igual que las
de NiMH, están exentas de materiales altamente contaminantes
como el cadmio o el plomo. Además, en prácticamente la
totalidad de estas baterías, más del 95% de la batería es
reciclable. En conjunto su impacto se considera entre moderado
y bajo.
No necesitan mantenimiento.
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67
Con respecto a las limitaciones de las baterías de ion-litio, las más
relevantes son:
Alto coste. Sin duda el punto débil de esta tecnología es su
elevado coste, que llegaron a alcanzar los 800 €/kWh, muy por
encima del resto de tecnologías de baterías. No obstante, este
precio ha ido cayendo considerablemente hasta precios todavía
más altos que los del resto de baterías, pero más razonables.
Esta caída de los precios seguirá, entre otras razones, debido a la
introducción de materiales para el cátodo alternativos al LiCoO2,
como el LiMn2O4 y el LiFePO4.
Degradación y seguridad. Las baterías de ion-litio sufren una
fuerte degradación a altas temperaturas y cuando se almacena
mucho tiempo con un voltaje alto. Además, en el caso de altas
temperaturas (superiores a 50 °C), las baterías muestran una
pérdida importante de prestaciones como consecuencia de la
pérdida de parte de sus propiedades electroquímicas.
Por otro lado las baterías sufren una fuerte degradación cuando
son sometidas a sobrecargas o sobredescargas, perdiendo
capacidad la batería en estas situaciones.
También las baterías de ion litio pueden sufrir procesos de lo que
se conoce como “thermal runaway” o calentamiento
descontrolado. En casos extremos puede provocar problemas de
seguridad, pues puede inducir en la inflamación de la batería. Se
han dado varios casos de estas inflamaciones y explosiones,
desde 2008 en varios modelos de coches eléctricos.
Carga complicada. Estas baterías requieren un circuito de
protección para limitar la corriente y el voltaje durante la carga.
Además no dispone de carga rápida a bajas temperaturas, por
debajo de 0 °C.
Aplicación en coches eléctricos
La aplicación de estas baterías a coches eléctricos está muy
evolucionada, de hecho casi la totalidad de los vehículos eléctricos que se
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68
diseñan a día de hoy, llevan baterías de ion-litio. Cabe destacar dos modelos
en particular, en primer lugar el Tesla Roadster (Figura 2.12) que fue
presentado en 2006 por Tesla Motors, y que con su batería de ion-litio y sus
prestaciones competía con los deportivos de entonces. Y en segundo lugar,
el Nissan LEAF (Figura 2.13), el coche eléctrico más vendido de la historia.
Otra aplicación que indica la importancia de estas baterías, ha sido la
participación en el Dakar por primera vez de un coche eléctrico, el
“ACCIONA 100% EcoPowered”, Figura 2.33. Es significativo que para el
diseño de este coche, alimentado íntegramente por 4 baterías extraíbles,
Acciona escogiese precisamente la tecnología de las baterías de ion-litio.
Figura 2.34. “ACCIONA 100% EcoPowered”, primer coche eléctrico en participar en un Dakar (2015) Fuente: Acciona Dakar
2.3.1.5 Baterías de metal-aire
Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas
Esta familia de baterías se caracteriza por tener sus celdas compuestas
por un metal puro en el ánodo, aire ambiente para el cátodo (cátodo
externo) y habitualmente una solución acuosa para el electrolito, como por
ejemplo un concretado de hidróxido de potasio. Son por tanto, baterías con
sistemas abiertos, siendo esta su principal diferencia con las baterías
tradicionales.
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69
Figura 2.35. Esquema general de las baterías de metal-aire Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)
Dentro de este tipo de tecnología, la primera pila comercial surge en
1930. Se trataba de una pila de Zn-aire, y se utilizó en sistemas señalización
ferroviaria y navegación. Desde entonces, la tecnología ha evolucionado
notablemente y es considerada fuertemente por muchos fabricantes como
el fututo sistema de almacenamiento para los coches eléctricos. La realidad
es que a día de hoy no es más que un candidato a ello. Esto se debe
principalmente a que se tratan de baterías primarias, esto es, baterías no
recargables. Sin esta propiedad se puede afirmar que estas baterías no
tienen futuro posible en su aplicación al vehículo eléctrico. Es precisamente
este su reto primordial, conseguir la recargabilidad eléctrica, para poder
aprovechar así sus ventajas sobre las baterías convencionales, como lo son
una capacidad de almacenamiento superior y un menor peso al usar el
oxígeno como reactivo.
La reacción electroquímica general, a través de la cual una batería de
metal-aire con electrolito acuoso produce energía es:
Siendo M el metal del que está hecho el ánodo (Zn, Al, Mg, Fe, Ca,…). El
esquema general de esta reacción se observa en la Figura 2.36a.
Otra opción de las baterías metal-aire es con electrolitos no acuosos. En
este caso el electrolito no participa en las reacciones electroquímicas de
estas baterías. Por ejemplo para la de Litio-aire de electrolito no acuoso:
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70
El esquema de esta reacción para las baterías de Li-aire con electrolito
no acuoso se muestra a continuación, en la Figura 2.36b.
Figura 2.36. Esquema de reacciones electroquímicas para baterías metal-aire Fuente: Handbook of Battery Materials, Vol 1. Claus Daniel and
Jürgen O.Besenhard. Wi ley -VCH, 2011.
Existen numerosas variantes de esta tecnología, a continuación se
muestra una tabla con sus reacciones electroquímicas y los valores
nominales de la mayoría de ellas:
Tabla 2.5. Comparativa de las diferentes tecnologías de baterías metal-aire Fuente: Paci fic Northwest National Laboratory
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71
De todas las anteriores, que destacan tres tipos de baterías: La de litio-
aire, la de aluminio-aire y la de zinc-aire. Estas tres baterías son la de más
interés actualmente, y por ello se comentan con más detalle:
a) Baterías de aluminio-aire
Estas baterías presentan la configuración típica de las baterías metal-
aire. En el electrodo negativo está el aluminio metal, que si bien tiene
típicamente un grosor inicial de 1 cm, va disminuyendo más y más según la
reacción transcurre. En el positivo, el cátodo de aire, es una estructura
porosa consistente de una malla con una capa de carbón catalítico. Una fina
capa de PTFE (Politetrafloruroetileno) le da la porosidad necesaria para
dejar pasar oxígeno, pero sin dejar pasar al electrolito. Este electrolito suele
ser una solución alcalina, generalmente hidróxido de potasio.
Figura 2.37. Esquema general de las baterías de aluminio-aire. Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.
La reacción electroquímica de las baterías de aluminio-aire es la misma
que la genérica explicada anteriormente. En este caso es el Aluminio el que
se combina con el oxígeno del aire y con agua, para formar hidróxido de
aluminio, liberando energía eléctrica en el proceso. Esta reacción es
irreversible, y es la siguiente:
Esta batería, no se considera recargable, pues la reacción es irreversible.
Su particular forma de “recargar” las baterías, algo bastante común en las
baterías metal-aire, se realiza al remplazar los electrodos negativos una vez
usados. El electrolito se suele cambiar también, al estar contaminado por el
hidróxido de aluminio.
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Estas baterías tienen algunas propiedades muy buenas, como una alta
energía específica o un alto número de ciclos de vida. Sin embargo, tiene
una limitación muy importante, una potencia específica extremadamente
pequeña, lo que complica enormemente la vida a estas baterías sobre todo
de cara a su posible utilización en vehículos eléctricos.
No obstante, hay empresas que están experimentando con las baterías
de aluminio-aire, no solo con el objetivo de diseñar vehículos eléctricos con
solo estás baterías, sino también con el objetivo de que estas baterías se
combinen con otras tecnologías para aumentar las prestaciones del coche
eléctrico. En este contexto, destaca la empresa israelí Phinergy, que fue
fundada por Aviv Tzidon en 2008, aunque ya se desarrollaba su tecnología
desde el año 2000. Trabajan en colaboración con la empresa canadiense
Alcoa Canadá, y actualmente se concentran en las baterías de metal-aire, y
en concreto en las de aluminio-aire y zinc-aire. Esta empresa, mediante un
sistema de baterías hibrido, combinando una batería de ion-litio con una
batería de aluminio-aire, han conseguido diseñar y fabricar un coche
eléctrico, actualmente todavía en pruebas, con una autonomía de más de
1700 kilómetros.
Figura 2.38. Coche eléctrico de Phinergy Fuente: Phinergy
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73
b) Baterías de zinc-aire
Las baterías de zinc-aire son muy similares a las anteriores, en especial a
las baterías de aluminio aire, eso sí con unas mejores prestaciones y en
particular en cuanto a la potencia específica, que es en torno a 10 veces
superior. La estructura es muy similar, tiene un electrodo positivo en el
cátodo en el cual el electrolito reacciona con el oxígeno, en el electrodo
negativo está el zinc metal, y el electrolito se trata de una solución alcalina.
Figura 2.39. Esquema de una batería de zinc-aire Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)
El proceso de producción de energía es muy parecido a las reacciones
generales expuestas anteriormente para las baterías de metal-aire.
Básicamente consiste en la oxidación del zinc a través de los iones que se
producen al reaccionar con el oxígeno proveniente del aire, con ayuda del
catalizador, liberando así electrones y produciendo energía eléctrica. Se
trata de un proceso normalmente irreversible, con la excepción de algunos
fabricantes que afirman haber producido baterías eléctricamente
recargables invirtiendo el proceso, aunque con muy pocos ciclos de vida. La
forma normal de “recargar” estas baterías es remplazar los electrodos
negativos mecánicamente, igual que en las baterías de aluminio-aire y la
mayoría de las baterías de metal-aire. Igual que sucedía antes, también se
suele remplazar el electrolito, en este caso contaminado por óxido o
hidróxido de zinc.
La aplicación de las baterías zinc-aire ha sido durante muchos años
donde su alta densidad de energía los hacía especialmente útiles, por
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74
ejemplo para audífonos. Aparatos que están todo el tiempo virtualmente
encendidos, y que por tanto su alta auto descarga no es un problema tan
grande. En cambio, las baterías de zinc-aire tiene muy poca presencia en la
aplicación en baterías de gran tamaño, ya sea con baterías recargables
mecánicamente o las nuevas, escasas y poco efectivas baterías recargables
eléctricamente. Algo que parece que va a cambiar, pues se está apostando
fuerte por estas baterías y se consideran de gran potencial de cara al futuro.
c) Baterías de litio-aire
Las baterías de litio-aire, son de las pocas baterías metal-aire que puede
funcionar tanto con electrolitos acuosos como no acuosos. En ambos casos,
en el ánodo se sitúa el Li metal, en el electrolito un conductor del ion Li+,
normalmente una sal de litio, y el cátodo de aire. Generalmente es
imprescindible el uso de un catalizador en el cátodo de aire con base de
carbón composite.
Figura 2.40. Esquema general de las baterías de litio-metal Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)
Para el caso de un electrolito no acuoso, la reacción electroquímica es la
que se ha utilizado de ejemplo para representar los tipos de baterías-metal
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75
aire con electrolito no acuoso (Ecuación 2.11 y 2.12), y el esquema de estas
reacciones, el de la figura 2.36b. Este electrolito no acuoso, está compuesto
de una sal de litio y disolventes orgánicos. En el caso de un electrolito
acuoso, suele ser una sal se litio en disolución acuosa. Ambas presentan
estructuras muy similares.
También existen otras dos configuraciones de estas baterías, cada una
con sus ventajas e inconvenientes. La tercera opción para estas baterías de
litio-aire es con el electrolito mixto. Estas se desarrollaron para mejorar las
limitaciones de las anteriores, y presentan la siguiente forma:
Como se puede observar, se caracterizan por tener una membrana
conductora separando los dos electrolitos, el acuoso y el no acuoso. De esta
forma, el electrodo negativo (el de litio metal) está en contacto nada más
que con el electrolito no acuoso, mientras que el positivo (el de carbón
poroso) solo está conectado con el electrolito acuoso.
La última opción es con un electrolito de polímero cerámico, lo que
reduce considerablemente las limitaciones de estas baterías, impidiendo la
formación de dendritas en el Li metal, aportando mayor estabilidad térmica,
eso sí, con una menor conductividad de iones.
Figura 2.41. Esquema de baterías de litio-aire mixtas. Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)
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76
Figura 2.42. Esquema de baterías de litio-aire con electrolito polimérico cerámico Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)
Resumen y conclusiones de las baterías de metal-aire
Los tres tipos de baterías de metal-aire expuestas anteriormente son las
más utilizadas y las que se consideran como grandes tecnologías de cara al
futuro. La tabla a continuación, presenta un resumen de estas baterías:
Tabla 2.6. Resumen baterías de metal-aire más importantes Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)
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77
En conclusión, estas baterías de metal aire son potencialmente las
baterías más compactas y económicas. Además, no tienen apenas impacto
para el medioambiente, y gran parte de sus componentes son reciclables.
Sin embargo, presentan una desventaja que les hace no poder competir con
el resto de las baterías: la recargabilidad eléctrica. Muy pocas baterías
metal-aire poseen esta propiedad, y las que lo poseen todavía tienen
mucho que mejorar, por su pobre rendimiento. Su recarga, generalmente se
realiza mecánicamente remplazando el electrodo negativo y muchas veces
el electrolito también., acción de gran complejidad.
2.3.1.6 Baterías de base Sodio
Son un tipo de baterías de sal fundida, y unas relativamente recientes,
pues se desarrollaron a partir de la década de 1980. Presentan una
importante diferencia con respecto al resto de baterías, necesitan trabajar a
temperaturas muy altas, generalmente por encima de los 300 °C. Esta
diferencia supone una limitación considerable a la aplicación de estas
baterías en diferentes sectores. Destacan dos modelos de esta tecnología:
las baterías de sulfuro de sodio o de sodio-azufre, y las baterías de cloruro
metálico de sodio, más conocidas como baterías ZEBRA.
a) Baterías de sulfuro de sodio
Estas baterías se componen habitualmente de sodio fundido en el
electrodo negativo, de polisulfitos de azufre fundidos en el electrodo
positivo, y un cerámico de beta-alúmina como electrolito. Este electrolito es
sólido, lo que a temperatura ambiente impide el proceso de carga y
descarga, requiriendo altas temperaturas para poder funcionar. La inmensa
mayoría de las baterías de sulfuro de sodio, tienen forma tubular, según la
siguiente figura:
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Figura 2.43. Esquema de las baterías de sodio-azufre Fuente: NASA John Glenn Research Center
La reacción electroquímica básica que se lleva a cabo en las baterías de
sulfuro de sodio es:
Las baterías de sodio-azufre presentan numerosas ventajas como una
elevada energía específica (alrededor de 110 Wh/kg) y densidad de energía,
un elevado número de ciclos y un efecto memoria nulo. Sin embargo,
también presenta numerosas desventajas, como la necesidad de trabajar a
temperaturas entre 300 y 350 °C y lo que ello implica. Esta propiedad hace
que sea imprescindible un contenedor que aísle las celdas, lo que además
de elevar considerablemente el coste, reduce las prestaciones de las
baterías por su elevado peso, como por ejemplo la energía específica.
Además, antes de usarlas precisan un lento precalentamiento hasta
su temperatura de trabajo, y en caso de dejarlas de usar más de un día,
requieren calentadores para mantenerlas a una cierta temperatura. A esto
hay que añadir la exigencia de materiales estructurales que soporten estas
altas temperaturas.
Por otro lado, las baterías de sulfuro de sodio sufren bastantes
problemas de inestabilidad por la reactividad de los materiales, lo que ha
desembocado ya en varios incendios de estas baterías. Además, los
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aislantes manifestaron importantes problemas de corrosión en ese
perjudicial ambiente químico, lo que pagaban los electrodos al volverse
conductores y aumentar la auto descarga de la batería. Estos problemas en
las baterías de sulfuro de sodio, sumado al problema de crecimiento
dendrítico del sodio llevó a desarrollar unas baterías de sodio alternativas:
las baterías ZEBRA.
b) Baterías ZEBRA
Las baterías ZEBRA o Baterías de Na-NiCl2, fueron desarrolladas en 1985
por el grupo Zeolite Battery Research Africa Proyect (ZEBRA), de ahí el
nombre es esta batería. Se trata de una batería recargable que utiliza
cloruro de níquel para el electrodo positivo, sodio líquido para el negativo, y
en cuanto al electrolito se trata de un electrolito doble. Esto es, trabaja en
estado sólido en el lado del electrodo positivo estando esta parte formada
por cerámica beta (Na - β”- Al2O3), mientras que el electrolito en contacto
con el electrodo negativo es un cloruro de sodio-aluminio líquido (NaAlCl4).
En cuanto a la reacción electroquímica global de la batería, a través de la
cual se realiza el proceso de carga y descarga es la siguiente reacción
reversible:
Las baterías ZEBRA reúnen todas las ventajas de las baterías de sulfuro
de sodio y eliminan prácticamente la totalidad de sus limitaciones y
problemas de seguridad. No obstante, la elevada temperatura de trabajo
sigue dando algún que otro problema. De estas complicaciones destacan las
pérdidas térmicas que tiene lugar cuando la batería no se está usando. Por
ello es preferible mantener la batería bajo carga incluso cuando el vehículo
este apagado, quedando así además a disposición para cuando se necesite.
Mientras que si se deja enfriar, el electrolito solidifica y luego puede llegar a
tardar hasta dos días en volver a alcanzar la temperatura necesaria para su
funcionamiento.
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80
Figura 2.44. Esquema de las baterías ZEBRA (Na-NiCl2) Fuente: UPS Battery Center
De todas formas, presentan numerosas ventajas como su bajo peso, el
uso de materiales con una disponibilidad mundial y con poco impacto
medioambiental (sodio, cloro y aluminio), alta densidad de energía y
potencia, una gran durabilidad y baja auto descarga, que predominan sobre
sus inconvenientes, y hacen que se traten de una de las baterías que más
prometen de cara al futuro. De hecho, ya ha habido alguna que otra
aplicación de las baterías ZEBRA a vehículos eléctricos, destacando
sobretodo en autobuses y camiones eléctricos, y también en algunos
modelos del Th!nk City (Figura 2.25).
2.3.1.7 Supercondensadores
Los supercondensadores o condensadores electroquímicos de doble
capa (Electric double-layer capacitor, EDLC), son dispositivos
electroquímicos que disponen de una densidad de energía increíblemente
alta en comparación con los condensadores tradicionales. También son
conocidos como ultracondesadores, supercapacitores o ultracapacitores,
entre otras formas.
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81
Su historia se remonta a 1957, cuando se realizó la primera patente de
un supercondensador, por parte de H.E. Becker, un ingeniero eléctrico. Se
basada en una mejora de los condensadores convencionales, fundamentada
en un aumento del área de las placas y con ello un aumento de la
capacidad. Lo hizo sustituyendo el material entre las placas, el material
cerámico o polimérico se reemplazó por uno poroso de carbono disuelto en
un electrolito, generalmente hidróxidos de sodio o de potasio.
Su diseño básico consiste en dos electrodos separados por una
membrana o separador permeable de iones, y un electrolito que conecta
iónicamente ambos electrodos. Cuando los electrodos estén polarizados
con el voltaje aplicado, los iones del electrolito forman una doble capa
eléctrica de la polaridad opuesta a la de cada electrodo. Todo esto se
observa en la Figura 2.43.
Figura 2.45. Diseño y funcionamiento básico de un supercapacitor Fuente: Tosaka
Este tipo de dispositivos se muestran como una excelente combinación
entre las baterías electroquímicas y los condensadores normales. Gracias a
ello, los supercapacitores de hoy en día presentan numerosas ventajas:
Elevado número de ciclos. Aguantan un número de cargas y
descargas muy superior a cualquier batería en el mercado.
Capacidad. Presentan una capacidad muy elevada, comparable
con la de las baterías de ion-litio.
Recarga rápida. Son capaces de absorber energía en pocos
segundos, frente a las lentas recargas de las baterías. Esto
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además es una gran ventaja en su aplicación a vehículos
eléctricos, ya que esta cualidad es perfecta para el sistema de
frenado regenerativo.
Gran rendimiento. En torno al 98% de rendimiento energético.
Buena energía específica y densidad de energía. Actualmente
no están a la altura de los últimos diseños de baterías, pero no
por ello dejan de tener características muy buenas.
No presentan efecto memoria.
Desde que se desarrollaron los supercapacitores hasta la actualidad, han
sufrido una enorme evolución debido principalmente a la investigación de
nuevos materiales. Este es el caso de la última innovación, la aplicación del
considerado material del futuro, el grafeno.
Figura 2.46. Estructura del grafeno Fuente:Wikimedia
Este material descubierto en 2004 y famoso a partir de que por su
investigación sobre él recibiesen en 2010 el premio Nobel de Física Andréy
Gueim y Konstantín Novosiólov, no es más que carbón puro con una
distribución en patrón regular hexagonal (Figura 2.44). Se lleva estudiando
la aplicación del grafeno a supercondensadores desde hace algunos años, y
han llegado a crear modelos de estos dispositivos capaces de cargarse en
apenas 16 segundos. No solo tienen esta habilidad de cargarse y
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descargarse tan rápidamente, si no que presentan una capacidad muy
aceptable y no sufren apenas desgaste con el número de ciclos.
Todas estas ventajas, unidas a que tendrían un precio
considerablemente menor, hacen que se plantee la aplicación de los
supercondensadores en vehículos eléctricos o híbridos. También cabe
mencionar su posible aplicación como almacenador intermedio entre la
carga y la batería. Así se conseguirían sistemas más resistentes y flexibles,
prolongando la vida de las baterías al estabilizar las demandas de energía
instantáneas por parte del sistema de propulsión.
2.3.1.8 Comparativa y conclusiones
Los fabricantes se enfrentan a la importante decisión de tener que elegir
sistema de almacenamiento para sus vehículos eléctricos. A día de hoy, la
totalidad de estos fabricantes apuestan por una de las tecnologías de
baterías comentadas anteriormente. Más adelante se muestra una gráfica
en la que se comparan estas baterías.
De todas las tecnologías disponibles, no hay ninguna opción claramente
mejor que el resto en todos los aspectos, siendo necesaria encontrar una
relación de compromiso entre estos. A día de hoy, la opción por la que
optan la mayoría de los fabricantes son las baterías de litio.
Sin embargo, todavía existe mucho margen de mejora en todas las
tecnologías, y otras nuevas que puedan aparecer. Un ejemplo de estos son
los ultracondesadores, que también serán un factor a tener en cuenta y no
en un futuro muy lejano. Además, su tecnología avanza más rápido que la
de las baterías, lo que deja entrever una posible sustitución en el sistema de
almacenamiento no solo en el vehículo eléctrico, si no a escala mundial.
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84
Figura 2.47. Grafica comparativa de las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos Fuente: Wikimedia
2.3.2 Motor eléctrico
Los motores son un dispositivo capaz de transformar cualquier tipo de
energía en energía mecánica, que permite realizar un trabajo. En el caso de
los motores de automóviles, esta energía mecánica es transmitida a las
ruedas produciendo así el movimiento de los vehículos.
De esta forma, se puede decir que los vehículos eléctricos tienen un
sistema de propulsión similar a los vehículos convencionales, desde el punto
de vista que es a través de un motor con lo que hacen llegar la energía
mecánica a las ruedas, eso sí, se tratan de dos motores bien diferentes.
Mientras, los vehículos eléctricos transforman en energía mecánica la
energía eléctrica, generalmente almacenada en las baterías, a través de
motores eléctricos. Los vehículos convencionales utilizan motores térmicos,
que mediante un proceso adicional convierten precisamente la energía
térmica presente en un fluido compresible en energía mecánica. Lo hacen
mediante este proceso adicional, en el que transforman la energía química
almacenada en la materia en energía térmica, como es el caso del proceso
de combustión.
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2.3.2.1 Breve historia del motor eléctrico
El principio de funcionamiento de un motor eléctrico, la transformación
de energía eléctrica en energía mecánica (rotación electromagnética), fue
formulado por primera vez en 1821 por Michael Faraday, famoso físico y
químico británico, a partir del principio teórico de André-Marie Ampère
conocido como la Ley de Ampère. La Figura 2.47 representa uno de los
experimentos de Faraday en 1821, estaba compuesto de conductores e
imanes sumergidos en mercurio, y se puede contemplar como el primer
diseño de un motor eléctrico.
Figura 2.48. Rotor electromagnético de Faraday (1821) Fuente: Exper imental Researches in Electrici ty, Volume 2. Michael Faraday (1844)
Cabe mencionar que el físico norteamericano Joseph Henry es
considerado codescubridor de la inducción electromagnética de manera
independiente a Faraday, y a ambos se les atribuye la construcción de los
primeros motores eléctricos experimentales. Los avances de Faraday y
Henry sirvieron de base para la construcción de los diferentes motores
eléctricos, en el periodo de 1822 a 1850. Entre ellos destaca en la historia
del motor eléctrico, el físico y matemático inglés Peter Barlow, que en 1823
con la aplicación de los descubrimientos de Faraday construyó un motor
con un disco giratorio, conocido como la rueda de Barlow. Se trataba de una
rueda de cobre situada entre los polos de un imán, que se ponía a girar al
comunicarle corriente continua como resultado de la interacción entre los
campos magnéticos creados por el imán y por la rueda.
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86
En 1830, Dal Negro construyó una especie de péndulo eléctrico
considerado como un modelo de motor giratorio. En esta máquina, el imán
sufría una oscilación continua debida a la acción del campo producido por
una bobina.
Figura 2.49. Rueda de Barlow (1823) Fuente: The Progress of Invent ion in the Nineteenth Century. Edward W. Byrn (2012)
Figura 2.50. Motor eléctrico de Dal Negro (1830) Fuente: The Progress of Invent ion in the Nineteenth Century. Edward W. Byrn (2012)
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El herrero norteamericano Thomas Davenport, en 1831 fabricó un
motor eléctrico que contenía la primera configuración de un conmutador,
cuyo concepto se usa en los eléctricos de hoy en día. Además recorría una
trayectoria electrificada fija, por lo que algunos lo consideran el primer
coche eléctrico de la historia (Figura 2.1).
Figura 2.51. Motor eléctrico de Thomas Davenport (1831) Fuente: The Progress of Invent ion in the Nineteenth Century. Edward W. Byrn (2012)
En 1834 el ingeniero y físico alemán Jacobi construyó un motor eléctrico
multipolar, con un rudimentario conmutador y sobretodo, el primero con
eje de rotación directa, Figura 2.51. El mismo motor que el mismo instalaría,
unos años más tarde (1838) en una barca en el río Neva, lo que es la
primera aplicación conocida de estos motores a buques.
Figura 2.52. Motor eléctrico rotativo de Jacobi (1834) Fuente: The Progress of Invent ion in the Nineteenth Century. Edward W. Byrn (2012)
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Charles G. Page empezó en 1838 una larga vida dedicada a los motores
eléctricos. Su primer motor, fue una ingeniosa simulación del
funcionamiento de las máquinas de vapor (Figura 2.52). De esta forma el
movimiento alternativo estaba compuesta por un solenoide como cilindro y
una barra de hierro como pistón. Siguieron surgiendo diferentes motores y
mejoras, por parte de estos físicos y muchos otros como Robert Davidson
(Figura 2.2) o Wagner.
Figura 2.53. Primer motor de Charles G. Page (1838) Fuente: American Journal of Science, vol. 35, 1838.
En 1838, el principio de reciprocidad por el que una máquina eléctrica
puede funcionar como generador o como motor fue formulado por Lenz,
demostrando así la reversibilidad de la máquina eléctrica. Algo que no fue
comprobado experimentalmente hasta la Exposición Internacional de Viena
en 1873, cuando Fontaine y Gramme como un sistema de dos dinamos, en
el que la primera actuaba como generador y la segunda transformaba la
energía generada en energía mecánica. Fue un momento clave, que impulsó
a algunos fabricantes a apostar por la tracción eléctrica.
La máquina eléctrica siguió evolucionando con la aparición de celebres
científicos como Siemens o Maxwell. Por otro lado, en 1885 el físico e
ingeniero eléctrico italiano Galileo Ferraris descubrió el campo magnético
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89
giratorio, para ello utilizó algo inédito en este terreno hasta entonces, la
corriente alterna. Lo hizo utilizando dos corrientes alternas independientes
de dos fases diferentes, ambas de igual frecuencia. Ferraris fue
imprescindible en la historia de las máquinas eléctricas de corriente alterna.
Es más, su teorema conocido como “Teorema de Ferraris” es todavía a día
de hoy la base del funcionamiento de toda máquina eléctrica de corriente
alterna. Es indudable que el resultado de este teorema es sorprendente:
“con tres devanados que cada uno de ellos produce un campo alternativo se
ha logrado, al combinarlos adecuadamente en el espacio y con corrientes
apropiadas en el tiempo, un campo magnético de amplitud constante
(circular) y que es giratorio, o de otro modo, el fenómeno es equivalente en
cierta manera a un imán permanente que se moviera a la velocidad de
sincronismo1”
Figura 2.54. Esquema del primer motor de inducción de corriente alterna de Ferraris (1885) Fuente: The invention of the e lectr ic motor. Insti tute of Electr ica l Engineer ing (ETI) .
El mismo descubrimiento lo realizó casi simultáneamente Nikola Tesla,
que en 1887 construyó y patentó el primer motor eléctrico de corriente
alterna, por lo que es considerado el inventor de estos. Se trataba de un
motor asíncrono o de inducción bifásico, de polos salientes en el estator,
con los dos devanados y las dos corrientes desfasadas 90° en el espacio y en
el tiempo respectivamente. George Westinghouse compra un total de 40
patentes en 1888, incluidas las patentes de Tesla, y contrató al propio Tesla
como consultor para su empresa. La empresa Westinghouse, con Tesla y la
ayuda de los ingenieros C.F. Scott y B. G. Lamme, logró desarrollar en 1892
un motor bifásico práctico con los devanados distribuidos en estator y rotor.
1 Máquinas eléctricas. Jesús Fraile Mora. Sexta edición. Mc Graw Hill.
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90
En 1887, Friedrich August Haselwander fue el primero en llegar a la idea
de usar un sistema trifásico de tensión y corriente, en vez de bifásicos.
Construyó el primer motor síncrono trifásico con polos salientes, sin
embargo fue prohibido su funcionamiento por miedo a que perturbase las
líneas de telégrafo. Además, su aplicación de patente también falló.
Figura 2.55. Motor síncrono de Haselwander (1887) Fuente: The invention of the e lectr ic motor. Insti tute of Electr ica l Engineer ing (ETI).
Fue en Europa, Michael Dolivo-Dobrowolsky quien alrededor de 1890,
sugirió la dependencia de las tres corrientes para constituir un sistema
trifásico, mientras trabajaba para la empresa alemana Allgemeine
Elektricitäts-Gesellschaft (AEG). A este sistema lo denominó Drehstrom,
expresión alemana que significa corriente giratoria. Ya en 1893, el propio
Dolivo-Dobrowolsky fabricó motores asíncronos de doble jaula de ardilla, y
también había sugerido la construcción de varios motores como el de
inducción de rotor devanado o con anillos deslizantes.
Es importante destacar también a Maurice Leblanc por sus
investigaciones en el método de arranque de los motores síncronos de una
manera asíncrona, y en concreto por inventar las jaulas amortiguadoras en
los polos de los motores síncronos (1895). Además a finales del siglo XIX se
había alcanzado un alto grado de perfección en la faceta constructiva de los
motores de corriente alterna, principalmente gracias a las aportaciones de
Dolivo-Dobrowolsky, C. E. L. Brown y de Tesla.
Se continuaron investigando en motores eléctricos, tanto de corriente
alterna como de continua, hasta llegar a los de hoy en día, si bien es cierto
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91
que el grueso de la teoría básica de estos motores ya estaba desarrollada a
fechas de 1930. No obstante, para hacerse una idea del desarrollo
tecnológico de estas máquinas, es muy significativo el dato comparativo de
que un motor de 100 CV de 2003 tiene el mismo volumen que uno de 7,5
CV diseñado en 1897.
Figura 2.56. Primer motor trifásico de Dolivo-Dobrowolsky (1890) Fuente: The invention of the e lectr ic motor. Insti tute of Electr ica l Engineer ing (ETI).
2.3.2.2 Elementos básicos de los motores eléctricos
En términos generales los motores eléctricos en cuestión, como toda
máquina eléctrica rotativa, se puede decir que están constituidos por dos
partes: el estator o parte fija de la máquina y el rotor o parte móvil de la
misma. El estator tiene forma cilíndrica, con una relación diámetro/longitud
que varía en función de la velocidad de la máquina, para altas velocidades la
longitud es relativamente larga comparada con su diámetro, al contrario
que para máquinas de velocidades pequeñas. En cuanto al rotor, se coloca
en la cavidad del estator y se acopla en un eje que reposa en dos cojinetes o
rodamientos. A su vez, estos rodamientos pueden, o bien apoyar en sendos
pedestales posados en la bancada, o bien formar parte de las tapas sujetas
a la carcasa del estator, también denominadas culatas.
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92
Entre estator y rotor existe un espacio de aire, fundamental para el
funcionamiento de la máquina además de permitir el libre giro del rotor. Se
denomina entrehierro, y es precisamente el campo magnético en esta
holgura mecánica el medio para el acoplamiento de los sistemas eléctrico y
mecánico, siendo por tanto donde verdaderamente tiene lugar la
conversión electromecánica.
Los motores eléctricos en general, presentan el siguiente esquema:
Figura 2.57. Sección general de motor eléctrico Fuente: Instalaciones eléctr icas bás icas, Enrique Marrufo González, Juan Cast i l lo Pedrosa.
McGraw-Hil l Interamericana de España S.L. 2010
Normalmente, tanto en estator como en rotor existen devanados por
los que circulan corrientes entregadas o cedidas por un circuito exterior.
Estos devanados constituyen el sistema eléctrico de la máquina, y están
normalmente formados por conductores de cobre. Uno de estos
devanados, denominado inductor, es el encargado de crear un flujo en el
entrehierro. Este flujo lo recibe el otro devanado, induciéndose corrientes
en él por lo que es conocido como inducido. En teoría, es indiferente que
devanado se sitúe en que parte de la máquina, ya sea inductor en el rotor y
el inducido en el estator o viceversa. Pero en la práctica, suelen influenciar
diversos factores para escoger una u otra solución, como la facilidad de
construcción, aislamiento o refrigeración.
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93
2.3.2.3 Tipos de motores eléctricos
Como se ha comentado anteriormente, los motores eléctricos son los
encargados de transformar la energía eléctrica almacenada en las baterías
en energía mecánica. Para ello, se introduce en la máquina una corriente a
través de una fuente de alimentación exterior, que interacciona con el
campo magnético inductor resultando un par que ocasiona el movimiento
de la propia máquina.
Figura 2.58. Tipos de motores Fuente: E laboración propia
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94
Los motores eléctricos se clasifican principalmente en dos tipos, según
la energía eléctrica que se les suministra para que la transformen en
trabajo: motores de corriente continua (C.C.) y motores de corriente alterna
(C.A.).
Ambos motores son relativamente similares, cada uno con sus
características técnicas, pero en términos globales ninguno de los dos es
considerado mejor que el otro. Cada uno presenta una serie de ventajas y
desventajas sobre el otro, que se analizan en la tabla a continuación:
Tabla 2.7. Ventajas y desventajas entre los motores eléctricos de C.A y de C.C. Fuente: Perspect iva actual de la tecnología del coche eléctr ico. Anális is de los
cambios en los procesos de producción con la l legada del vehículo e léctrico .
Univers idad Pública de Navarra. Miguel Roig Estrada. (2012)
Tal y como se observa en la tabla, los motores eléctricos de corriente
alterna no precisan de caja de cambios, son más ligeros, más eficientes y
más económicos, pese a que requieren de un sistema de electrónica de
potencia (apartado 2.3.3) más complejo y caro que los motores eléctricos
de corriente continua. En general, los motores de C.A son los más utilizados
para aplicaciones domésticas y de maquinaria industrial, pues además son
más fiables y requieren un mantenimiento prácticamente nulo.
En cuanto a la elección de un tipo de motor específico para su aplicación
en vehículos eléctricos, no se ha establecido ningún tipo de motor eléctrico
más adecuado que el resto en términos absolutos. Esto se debe a que
influyen determinadas variables que deben considerarse antes de escoger
un tipo de motor sobre otro, como cuanta potencia y par se necesita, el
voltaje nominal de las baterías, el coste de fabricación límite que se desea,
el volumen que debe ocupar o el peso que debe tener. Aun con estas
decisiones que tomar, la mayoría de fabricantes se declinan por los motores
de corriente alterna, y en concreto cabe destacar tres tipos: los motores de
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95
corriente continua, los motores de inducción y los motores de imanes
permanentes.
Figura 2.59. Esquema de un motor de inducción (izq.) y uno síncrono de imán permanente (dcha.)
Fuente: Bodine Electric Company
Tabla 2.8. Características técnicas de los principales motores eléctricos. Fuente: Perspect iva actual de la tecnología del coche eléctr ico. Anális is de los
cambios en los procesos de producción con la l legada del vehículo e léctrico .
Univers idad Pública de Navarra. Miguel Roig Estrada. (2012)
De estos tres modelos, hoy en día los más utilizados son los motores
síncronos de imán permanente. Esto se debe a que ofrece unas
características que encajan a la perfección con las necesidades de los
vehículos eléctricos, como su excelente comportamiento, eficacia más alta,
además de proporcionar par y potencia más que suficientes. No obstante,
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96
como también se observa en las tablas, estos motores precisan de un
sistema de control más caro y complejo. Aun así, esto es compensado por
su menor coste de fabricación lo que hace que en conjunto el motor resulte
incluso hasta más económico. Además, otra de las razones por la que estos
motores son los que mejor se adaptan a las necesidades del vehículo
eléctrico es que la utilización de imanes permanentes permite reducir el
tamaño del motor, aparte de tener unas condiciones de mantenimiento y
limpieza mejores.
Figura 2.60. Motor de imanes permanentes de corriente alterna Fuente: Introducción a la Electrónica de Potencia. Univers itat de Valencia
Por otro lado, los motores de inducción son los otros grandes preferidos
por los fabricantes, en concreto los modelos de jaula de ardilla. Esto se debe
a que se trata de una tecnología más madura que el resto de competidores
de motores de corriente alterna, y además presentan una gran fiabilidad,
solidez, precisan de un menor mantenimiento y pueden trabajar en
ambientes hostiles. A pesar de esto, hoy en día es menos usado que el
motor de imanes permanentes por que muestran un incremento
considerable de las pérdidas a grandes velocidades, y con ello una
reducción importante del rendimiento en ese régimen de funcionamiento.
También hay que destacar la apuesta de algunos fabricantes por el
motor eléctrico de inducción como el de los vehículos eléctricos del futuro.
De hecho, se está investigando por compañías como Tesla y Remy, que en
esta búsqueda de un motor de inducción de última generación se plantean
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97
la introducción de materiales que sustituyan al aluminio, utilizado en los
convencionales. De esta manera, según unos estudios la introducción de
cobre en el rotor, reduciría las temperaturas de funcionamiento,
aumentarían la conductividad eléctrica y aumentarían la vida útil hasta un
50%.
Figura 2.61. Motor de inducción de jaula de ardilla Fuente: Motor Electr ics
En cuanto a otras alternativas, los motores de C.C. están cada vez más
en desuso en el sector de la tracción eléctrica, desde el crecimiento de los
motores de C.A. Esto se debe a que, entre otras cosas, su construcción
presenta serios problemas de mantenimiento.
2.3.2.4 Comparación con motores de combustión interna
Como uno se puede imaginar, los motores eléctricos obtienen su
energía de la electricidad, sin necesidad de quemar combustibles y todas las
consecuencias medioambientales que ello conlleva. Otra cosa es de donde
se obtenga esa electricidad en primera instancia, todo lo que se comentará
más adelante.
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98
En concreto, ahora la comparación se refiere a las características
técnicas del motor eléctrico frente al de combustión interna. En cuanto a
esto, los motores eléctricos presentan unas características relativamente
similares a las de un motor de combustión equivalente, pero mucho más
compacto, ocupando un espacio físico mucho menor. Además, se tratan de
motores mucho más simples, con menos elementos mecánicos, por lo que
se reducen más que considerablemente los fallos mecánicos internos.
Asimismo, la desaparición de muchos de los elementos móviles de los
motores de combustión reducen las vibraciones que reciben el resto del
vehículo, funcionando el coche eléctrico de forma más suave y silenciosa,
desembocando en una conducción mucho más confortable y cómoda.
En lo referido al propio funcionamiento del motor, motores eléctricos y
de combustión interna presentan importantes diferencias. Probablemente
la más importante de estas diferencias está en el par y potencia de ambos
motores, y en concreto en las gráficas de par-velocidad y potencia-velocidad
que ofrecen. Aunque los motores de gasolina y los motores diésel
presentan entre si diferencias importantes en cuanto al funcionamiento del
motor, se considerarán como un conjunto (motores de combustión interna)
de cara a la comparación con el vehículo eléctrico.
A continuación se comentan estas diferencias, todas las que se pueden
observar en las siguientes gráficas de par-velocidad y potencia-velocidad
para un modelo eléctrico, el más que conocido Nissan Leaf, frente a un
modelo de combustión interna, y en concreto un gasolina 1.6 de Nissan
también. Ambos son de potencia equivalente, y con curvas típicas y
representativas de cada modelo, por lo que resultan idóneas como
referencia de este análisis.
Figura 2.62. Gráficas de par-velocidad y potencia-velocidad Fuente: Nissan
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99
Empezando por los motores de combustión interna, como se puede ver
en la gráfica, el par máximo se alcanza para una determinada velocidad de
rotación del motor, a partir de la cual irá decreciendo. Según el par decrece,
se llegará al estado de máxima potencia (potencia es par por velocidad de
giro), siendo lo mejor mantener el motor en un rango de funcionamiento
entre estos dos puntos, el de par máximo y potencia máxima. De esta
forma, al trabajar en este rango de funcionamiento, una pérdida de
potencia en un momento dado, por ejemplo, en una pendiente de subida
con el descenso de la velocidad de giro, se compensa con un incremento del
par con la consiguiente recuperación del ritmo deseado.
Además, la particular forma de las curvas de estos motores en forma de
“montaña”, y con fuertes pendientes cuando nos alejamos de los valores
máximos, hace que sea imprescindible la incorporación de un sistema de
cambio de relación de velocidades, que permite el cambio de curva según
interese, ya sea a una curva superior o inferior.
Sin embargo, los motores eléctricos se caracterizan por ofrecer el par
máximo ya desde 0 rpm, es decir, se dispone del par máximo desde el
primer momento de funcionamiento. El par se mantiene constante en su
punto máximo durante un determinado rango de velocidad de giro, en
concreto hasta el punto en el que alcanza el punto de potencia máxima,
momento en el que el par empieza a decrecer a un ritmo proporcional al
que aumenta la velocidad de rotación. De esta forma, en esta etapa de
funcionamiento, el motor entrega potencia constante, ya que como es
conocido potencia es par por velocidad de giro y, precisamente en esta
etapa par y velocidad son inversamente proporcionales. El motor eléctrico
permanece en estas condiciones hasta alcanzar su velocidad de rotación
límite.
Por otro lado, en lo referido a los componentes esenciales del motor,
hay que destacar la ausencia en los vehículos eléctricos de caja de
transmisión. Este componente como se ha comentado, permite el cambio
de una curva a otra en los vehículos de combustión interna administrando la
relación de velocidades entre diferencial y cigüeñal. Esta adecuación de la
relación de velocidades según las necesidades de conducción de cada
momento mediante la caja de transmisión en los vehículos de combustión
interna, es un proceso mecánico que resultan en una mayor complejidad
mecánica, y por tanto mayores pérdidas mecánicas y una menor fiabilidad,
además de afectar a la percepción de los pasajeros de una conducción más
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100
brusca y ruidosa. En cambio, en prácticamente la totalidad de los vehículos
eléctricos se reemplaza la caja de cambios, y es directamente el motor
eléctrico el que transmite la potencia al diferencial, generalmente a través
de un reductor con relación de reducción fija. Sin embargo, como se
comentará más adelante, se está estudiando la incorporación de un sistema
de caja de cambios también para los eléctricos, con el fin de mejorar la
eficiencia a costa de un movimiento menos armónico y tranquilo.
Figura 2.63. Esquema conjunto motor eléctrico en un vehículo eléctrico Fuente: Renault
Por todo lo anterior, del análisis de las gráficas de par-velocidad y
potencia-velocidad de los motores de combustión interna frente a los
motores eléctricos se sacan algunas conclusiones importantes. El hecho de
que los motores eléctricos ofrezcan el par máximo desde el comienzo, le
hace ofrecer una conducción con mucha más sensación de potencia, más
ágil y manejable. Además, por esto mismo, evitan problemas relacionados
con el ralentí, mientras que el de combustión interna es incapaz de
funcionar por debajo de este régimen (unas 700-800 rpm), al volverse
inestable y normalmente calarse. Asimismo, muy relacionado con lo
anterior, en los vehículos eléctricos el motor eléctrico no necesita estar
funcionando cuando el vehículo se encuentra parado, mejor que cualquier
sistema START/STOP que poseen los últimos vehículos de combustión
interna. Todo esto sumado a la ausencia de caja de cambios resulta en que
la conducción de un eléctrico sea una conducción con muchas ventajas,
entre otras una conducción sin sobresaltos, más cómoda y ágil.
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101
Por último, es muy importante mencionar una característica de los
motores eléctricos que los de combustión es imposible que posean. Se trata
de la posibilidad del motor eléctrico de funcionar como generador. En esta
forma de funcionamiento, el proceso se invierte siendo el rotor el que
recibe la energía mecánica y generándose así en el rotor una corriente
eléctrica. Esta característica permite al vehículo recuperar gran parte de la
energía que de otra forma se desaprovecharía. Esta energía recuperada se
puede reutilizar, almacenándola en las baterías, incrementando la eficiencia
y autonomía del vehículo. El sistema de recuperación de energía más
conocido y utilizado se realiza a través del sistema de frenos. Este y otros
sistemas se comentarán más adelante.
Caja de cambio de varias velocidades
Según se ha comentado anteriormente al analizar las curvas de par y
potencia, y el comportamiento del motor eléctrico, éste era capaz de
ofrecer unas prestaciones muy satisfactorias a un amplio rango de velocidad
del motor y con un alto rendimiento con una única relación de velocidades.
Esta es una ventaja importante de estos vehículos frente a los de
combustión interna, ya la eliminación del cambio de marchas que supone
una comodidad extra a su conducción.
Sin embargo, la falta de marchas hace que el rendimiento del motor no
sea tan bueno como podría ser, y por lo tanto hay también un margen de
progreso en las autonomías de las baterías. Esto hace que hoy en día exista
una gran cantidad de estudios enfocados en el posible impacto que tendría
la sustitución de la caja de cambios con una única relación de velocidades
por una de varias velocidades.
Sin duda, esta incorporación de la caja de cambios de varias velocidades
mejorará las prestaciones del motor debido a que podrá trabajar en un
rango de velocidades en la que tenga un rendimiento elevado, tal y como se
observa en la gráfica a continuación:
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102
Figura 2.64. Mapa de eficiencia de un motor eléctrico. Fuente: Perspect iva actual de la tecnología del coche eléc tr ico. Anális is de los
cambios en los procesos de producción con la l legada del vehículo e léctrico .
Univers idad Pública de Navarra. Miguel Roig Estrada. (2012)
Dado que este rango es limitado, lo que interesa es estar siempre
dentro de el para mantener una alta eficiencia. Esto como los coches
eléctricos sería complicado teniendo una caja de cambios con una única
relación de velocidades puesto que suelen utilizarse por zonas urbanas y las
bajas velocidades van asociadas a un rendimiento más bajo. Pero al
incorporar más relaciones de velocidad, habría nuevas curvas par-velocidad
con las que se conseguiría mantener una alta eficiencia
independientemente de la velocidad de giro.
Gracias a este sistema, no solo se conseguiría aumentar la eficiencia del
motor (y por lo tanto aumentar la autonomía) sino que también se
mejoraría el funcionamiento de los frenos regenerativos. Además, se
podrían configurar los vehículos para diferentes perfiles de conducción lo
que aumentaría las posibilidades de venta de dichos vehículos. Estudios
realizados por algún fabricante, demuestran que con una caja de cambios
de dos marchas reduciría el consumo de energía entorno a un 10 %, que
podría aumentar más con cajas de cambios de 3 marchas.
En cambio, este sistema también presenta alguna desventaja. Por un
lado, la disminución de la comodidad de tener una única marcha. Pero por
otro lado, un aumento del coste de fabricación y del peso del vehículo. A
pesar de estos inconvenientes, el ahorro de energía parece más que
suficiente para que los fabricantes sigan estudiando su impacto y simulando
nuevos casos con más relaciones de velocidades.
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103
2.6.1 Electrónica de potencia
Como se explicó en el funcionamiento básico del vehículo eléctrico, un
sistema de electrónica de potencia es fundamental para el funcionamiento
del eléctrico. Esto se debe a que cada elemento que interviene en el
funcionamiento del vehículo tiene sus propios requerimientos, y por tanto
hay que adecuar la forma y características de la energía eléctrica para
cumplir los requerimientos de cada componente. A continuación se
comentan los dos componentes básicos del sistema: el conversor y el
inversor.
Conversor
También conocido como cargador, dispositivo de carga o transformador
convertidor, es el encargado de transformar la energía suministrada por la
red, generalmente en forma de energía eléctrica alterna monofásica de 230
V, en energía eléctrica de corriente continua de 380 V que es la que
habitualmente necesita la batería para poder almacenar dicha energía.
Está compuesto básicamente de dos elementos: rectificador y
transformador. El rectificador es el encargado de transformar la corriente
alterna de la red en corriente continua, corriente que después el
transformador eleva su voltaje de los 230 V de la red hasta los 380 V que
necesita la batería.
Figura 2.65. Conversor y su principio de funcionamiento Fuente: Perspect iva actual de la tecnología del coche eléctr ico. Anális is de los
cambios en los procesos de producción con la l legada del vehículo e léctrico .
Univers idad Pública de Navarra. Miguel Roig Estrada. (2012)
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104
De forma análoga, cuando el motor está funcionando como generador
en la recuperación de energía, generalmente a través del sistema de frenos
regenerativos, será necesario poner un conversor que acondicione la
energía eléctrica a la llegada de la batería.
Inversor
El inversor es el otro elemento fundamental del sistema de electrónica
de potencia, el encargado de adecuar la energía eléctrica que proviene de la
batería de alto voltaje según los requerimientos del motor. Esto se debe a
que como se ha comentado más arriba, hoy en día la inmensa mayoría de
fabricantes optan por motores síncronos de imanes permanentes de
corriente alterna y, como ya se ha mencionado, las baterías trabajan con
corriente continua.
Figura 2.66. Inversor y su principio de funcionamiento Fuente: Perspect iva actual de la tecnología del coche eléctr ico. Anális is de los
cambios en los procesos de producción con la l legada del vehículo e léctrico .
Univers idad Pública de Navarra. Miguel Roig Estrada. (2012)
Por tanto, el inversor convierte la corriente continua proveniente de la
batería en corriente trifásica alterna, y del voltaje requerido en cada
instante por el motor. Esto último se trata de una operación muy delicada,
ya que para que el motor ofrezca una respuesta adecuada a lo necesitado
en cada momento de la conducción, se le debe entregar al motor la
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105
corriente justa (voltaje y energía). En general, los efectos del voltaje se
pueden simplificar en tanto que un aumento de este implica un incremento
de la velocidad de giro, y los efectos de la corriente, en tanto que un
aumento de esta se traduce en un crecimiento del par motor. Para el
adecuado control de esto, se complementa al inversor con una unidad de
control con el fin de asegurar una apropiada alimentación del motor. De
esta forma, además se contribuye a una administración más eficiente de la
energía, y con ello una mejor administración de la autonomía del vehículo.
También es habitual colocar un convertidor Boost (o convertidor DC a
DC) entre batería e inversor, con el fin de reducir las pérdidas disipadas en
forma de calor en el inversor, elevando la tensión continúa a la entrada del
propio inversor y disminuyendo así la corriente.
Lo habitual es que el convertidor Boost eleve la tensión de 380 V que
llega de la batería hasta 500 V, para que después sea adecuada a las
necesidades del motor en el inversor. El proceso de elevar tiene también
sus inconvenientes, ya que esta alta tensión puede presentar una serie de
peligros, como lo son la posibilidad de producirse explosión o cortocircuitos.
Por ello el inversor debe estar protegido y aislado, y así evitar posibles
daños.
Figura 2.67. Esquema básico de un convertidor Boost Fuente: Cyr i l BUTTAY
Resumen y conclusiones
A modo resumen se muestra el siguiente esquema básico de un sistema
de electrónica de potencia para un vehículo eléctrico habitual, en él se
pueden ver los diferentes componentes frecuentes de este sistema:
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Alternativas al Automóvil Convencional – Vehículo Eléctrico
106
Figura 2.68. Esquema básico de un sistema de electrónica de potencia para un vehículo eléctrico
Fuente: Endesa
La siguiente figura muestra el caso particular del sistema de electrónica
de potencia de los vehículos eléctricos con motor eléctrico de corriente
continua. Como se puede observar, a diferencia del anterior, no tiene un
inversor DC/AC antes del motor eléctrico, debido a que de la batería la
energía ya viene con corriente continua. Se trata de un sistema de
electrónica de potencia mucho más simple y barato. Esta es una de las
razones por los que algún fabricante, prácticamente ninguno, optan por la
tracción con motores de CC.
Figura 2.69. Esquema básico de un sistema de electrónica de potencia para un vehículo eléctrico con motor CC.
Fuente: Endesa
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107
Se puede concluir que el sistema de electrónica de potencia es de los
elementos más importantes del vehículo eléctrico. Sin ir más lejos, influye
directamente en tiempos de carga y descarga de las baterías, uno de los
principales puntos débiles de los eléctricos. Por ello, es muy necesario el
desarrollo en este sector para el avance del vehículo eléctrico. Teniendo en
cuenta que se trata de un campo reciente, que se desarrolla desde la
década de los 90, y dada la evolución de los últimos años, parece tener un
futuro prometedor.
2.6.2 Sistemas de recuperación de energía
Como se ha comentado en puntos anteriores, el principal problema del
vehículo eléctrico a día de hoy es la reducida autonomía que estos
presentan frente a los de combustión. A la hora de enfocar esta necesidad
de aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos y a la espera de la
mejora de las baterías, los fabricantes plantean dos posibles soluciones. La
primera consiste en una mejora de la eficiencia de diferentes partes del
vehículo como puede ser la evolución del motor eléctrico o de unos
neumáticos. La otra posible solución, y en concreto la que se comentará en
este apartado, es la incorporación de sistemas de recuperación de energía
que traten de optimizar la energía disponible, reduciendo pérdidas
innecesarias al máximo. Existen otras opciones de aumentar la autonomía
como por ejemplo con pequeños paneles solares, pero la dependencia en
las condiciones climáticas y su poco rendimiento, hacen que en estos
momentos no se contemplen como una opción real.
Los sistemas de recuperación de energía permiten precisamente
recuperar energía que de otra forma se perdería y transformarla en energía
útil, utilizándose para cargar las baterías mientras el coche está en
funcionamiento prolongando así la autonomía. Entre estos sistemas de
recuperación de energía, hoy en día el más utilizado es el sistema de frenos
regenerativos que viene equipado de serie en la mayoría de los vehículos
eléctricos. Por otro lado, se viene estudiando desde hace algunos años la
posibilidad de recuperar energía utilizando la suspensión del vehículo, pero
hay que tener en cuenta que todavía se encuentra en pruebas (*).
A continuación se muestra una tabla que resume las características de
estos sistemas:
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108
Tabla 2.9. Resumen de las principales técnicas de recuperación de energía. Fuente: E laboración propia
A continuación procedemos a analizar el funcionamiento de estos
sistemas:
2.3.4.1 Sistema de frenada regenerativa
Este sistema permite transformar la energía cinética que lleva un
vehículo en energía eléctrica, cuando este decelera. De esta forma,
recupera parte de la energía que se disipaba por completo al frenar un
vehículo con frenos convencionales, por medio del rozamiento de las
zapatas en forma de calor.
Este sistema se basa en el funcionamiento del propio motor eléctrico del
vehículo como generador, de esta forma las ruedas mueven al generador,
que ofrece un par que va ralentizando el vehículo a la vez que genera
electricidad. Esa energía eléctrica llega a las baterías pasando previamente
por un conversor, donde se almacena aumentando así la autonomía del
vehículo.
Todo este proceso de funcionamiento se observa en el esquema a
continuación:
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109
Figura 2.70. Funcionamiento sistema de frenada regenerativa Fuente: How Stuff Works
Sin embargo, este sistema de frenado hay que complementarlo con
unos frenos convencionales por varias razones. Por un lado el dispositivo
pierde eficacia a bajas velocidades, por lo que es imprescindible para
detener el vehículo por completo. Además, pueden ser necesarios también
en el caso de que la capacidad de almacenamiento de las baterías no sea
suficiente, siendo preciso disipar ese exceso de energía en forma de calor
con los frenos convencionales. Asimismo, son necesarios en caso de fallo
ocasional del sistema de frenada regenerativa.
Como se puede ver en la tabla 2.9, este sistema es capaz de recuperar
en torno al 33% de la energía que se pierde en una frenada convencional.
Además, para hacerse una idea de la energía total de frenado en un área
urbana es equivalente como valor general al 34 % de la energía de tracción,
pudiendo llegar al 80 % en grandes ciudades como Nueva York. Por tanto, el
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110
uso del sistema de frenos regenerativos en estas ciudades puede llegar a
suponer un ahorro de energía superior al 25 %.
Por último, comentar que estos sistemas de frenada regenerativa eran
hasta hace poco algo exclusivo de los vehículos eléctricos e híbridos, no
obstante este sistema se está empezando a implantar en vehículos
convencionales, utilizándose en los nuevos modelos para arrancar el motor
equipado con el sistema “Start-Stop”. Sin embargo, este ahorro en energía
para los arranques representa una mínima parte de lo recuperado para los
vehículos eléctricos e híbridos.
2.3.4.1 Sistema de suspensión regenerativa
Este sistema se basa en la recuperación de energía por medio de la
suspensión de los vehículos, de forma que el movimiento vertical generado
en la suspensión se utiliza para generar energía.
Esta idea de aprovechar la energía de la suspensión no es nueva, sin
embargo recientemente la empresa Intertronic Gresser GmbH ha patentado
un nuevo sistema que asegura ser capaz de generar 15 kWh cada 100 km. Si
bien es cierto que todavía no se ha llevado a cabo, de comprobarse esto
sería un punto de inflexión para los vehículos eléctricos. Esto se debe a que
esos 15 kWh por cada 100km supondrían para muchos vehículos doblar su
autonomía actual.
Figura 2.71. Sistema de suspensión regenerativo de Intertronic Gresser GmbH Fuente: Intertronic Gresser GmbH
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111
3. VEHÍCULO HÍBRIDO
3.1 Historia del coche híbrido
A finales del siglos XIX y comienzos del siglo XX, el vehículo eléctrico
reinaba sobre cualquier otro sistema de propulsión, en especial sobre los
incomodos, ruidosos e ineficientes modelos de combustión interna.
Pero a su vez se estaban dando cuenta de que las cosas iban a cambiar,
por la poca autonomía, el elevado peso de las baterías y su lenta recarga, y
sobre todo la mejora de los modelos de combustión. Teniendo en cuenta
los inconvenientes del eléctrico y el progreso de los de combustión, surgió
la idea de combinar las dos formas de propulsión, naciendo así los híbridos.
Las primeras ideas sobre este concepto la tuvieron en 1896, los
británicos H.J. Dowsing y L. Epstein, se trataban de ideas sobre la
hibridación en paralelo que patentaron ese mismo año y que más adelante
se utilizaron en EE.UU para vehículos grandes. Precisamente Dowsing,
instaló en un Arnold una dinamo que además de constituir el primer
arranque automático para motores de gasolina, ayudaba a cargar las
baterías y asistía al vehículo en las subidas. Por ello, se le puede considerar
como el primer vehículo híbrido de la historia.
Figura 3.1. Compañía Arnold 1896 Fuente: Grace’s Guide. Bri t ish Industr ia l h istory
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112
Más adelante, el siguiente modelo que destacó fue la Voiturette que
diseñaron en 1899 Nicolás Pieper y Henri Pieper. Estos hermanos belgas,
incluían bajo el asiento de este modelo un motor eléctrico, unido al motor
de gasolina. El motor eléctrico se utilizaba para dar potencia extra en
momentos en los que la conducción lo requería, normalmente en la
aceleración o en zonas con pendientes ascendentes. De esta forma, el
motor eléctrico en funcionamiento normal trabajaba como generador
eléctrico, almacenando energía eléctrica en las baterías, energía que luego
se suministraba al motor eléctrico para ayudar al vehículo en momentos
puntuales.
Figura 3.2. Voiturette diseñada por los hermanos Pieper (1899) Fuente: H istor ia del coche híbrido: los p ioneros. Motorpas ión
Pero sin duda, en los primeros años de historia de los vehículos híbridos
el personaje más importante fue Ferdinand Porsche, el que años más tarde
fundaría junto con su hijo, una de las empresas de automóviles deportivos
de referencia mundial, Porsche. Fue en el año 1899, cuando tenía 24 años y
trabajaba en Jacob Lohner & Co, cuando hizo su primer diseño de un
vehículo eléctrico lo que mostraba el potencial del que se convertiría en uno
de los ingenieros más importantes y conocidos de la historia de la
automoción.
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113
Fue tal el impacto de la presentación del modelo eléctrico de Lohner-
Porsche en la EXPO de París del año 1900, que atrajo a numerosos
inversores. Lo que porvocó que un año más tarde se diseñase un modelo
que incorporaba un motor de combustión interna con la finalidad de alargar
la autonomía, el primer híbrido de Porsche.
Este modelo presentaba unas características muy peculiares y
avanzadas para esas fechas: se trataba de un motor de gasolina, que
girando a velocidad constante alimentaba una dinamo, que a su vez servía
para el arranque del propio motor de gasolina además de utilizarse para
cargar las baterías. De esta forma, la energía eléctrica iba directamente a los
motores eléctricos, situados por Porsche en las propias ruedas del eje
delantero por primera vez en la historia. Y era con la energía eléctrica que
sobraba de la alimentación de estos motores eléctricos con la que se iba
almacenando las baterías. Se considera por tanto, que Ferdinand Porsche no
diseño solo uno de los primeros híbridos de la historia sino también el
primer vehículo con tracción delantera, un sistema de transmisión que no
se utilizó para vehículos de producción masiva hasta el DKW F1 de 1931 o el
más conocido Citroën Traction Avant de 1934.
Figura 3.3. Vehículo híbrido Lohner-Porsche (1899) Fuente: H istor ia del coche híbrido: los p ioneros. Motorpas ión
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114
En estos modelos, el motor de gasolina no estaba conectado a la
tracción del coche, solo a las baterías, siendo los motores eléctricos los que
transmitían directamente el par a las ruedas. De esta forma, no eran
necesarios sistemas de trasmisión entre el motor de combustión interna y
las ruedas, ni tampoco embrague ni otros elementos mecánicos. Todo ello
contribuía al excelente rendimiento de estos modelos, por encima del 80 %.
El sistema de Lohner-Porsche tuvo mucho éxito, y se crearon diferentes
modelos o versiones, de los que destaca el de tracción a las cuatro ruedas.
Esta idea fue patentada en 1893 por un ingeniero británico, pero sin
embargo, no fue puesta en práctica hasta el modelo diseñado por Porsche
en 1903. Éste incorporaba motores eléctricos acoplados a las cuatro ruedas,
con el mismo sistema de propulsión híbrida que sus modelos anteriores, y
es por ello considerado uno de los primeros vehículos (si no el primero) con
tracción total o integral.
Figura 3.4. Lohner-Porsche con tracción a las 4 ruedas (1903) Fuente: H istor ia del coche híbrido: los p ioneros. Motorpas ión
En total se vendieron por encima de 300 unidades de todos estos
modelos Lohner-Porsche, pero igual que los vehículos eléctricos, los
vehículos de propulsión híbrida se vieron superados por los precios y la
autonomía de los coches de combustión interna. Los Lohner-Porsche no
fueron una excepción de esta crisis de la propulsión electrica e híbrida, y se
abandonó su producción en 1906.
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115
A partir de entonces, la historia de los modelos híbridos va muy ligada a
la de los eléctricos desde el punto de vista que necesitaron momentos
puntuales de la historia en los que se buscaban alternativas a la gasolina
(como alguna crisis del petróleo o alguna guerra) para reaparecer. Sin
embargo, presentaban una fuerte ventaja frente a los eléctricos ya que
estos dependían enormemente de la evolución de la tecnología de las
baterías, cuyas prestaciones eran muy pobres todavía durante todo el siglo
XX, los híbridos presentaban la alternativa a los de combustión más viable.
Así surgieron, sobre todo a partir de finales de los años 60, diferentes
modelos de vehículos híbridos en gran parte gracias al trabajo de los
investigadores: Dr. Baruch Berman, Dr. George H. Gelb y Dr. Neal A. Richard,
cuando trabajaban como ingenieros para TRW Automotive. De esta forma
surgen modelos como el GM512 (Figura 3.5) de General Motors en 1969,
que funcionaba con la combinación de un motor de gasolina de 2 cilindros
con uno eléctrico.
Figura 3.5. Vehículo hibrido de General Motors, GM512 (1969) Fuente: H istor ia del coche híbrido: la tecnología se perfecciona . Motorpas ión
También en 1969 se diseñó otro modelo a destacar el Opel Kadett Stir-
Lec I. En este caso, este coche presentaba unas características muy
peculiares ya que se trataba de un vehículo híbrido formado por un motor
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116
Stirling (como motor térmico) y un motor eléctrico conectado solamente a
las ruedas traseras. Llama la atención el uso de un motor Stirling,
probablemente escogido por su mejor rendimiento, además de utilizar Helio
como combustible, sustituyendo a la gasolina. El par a las ruedas llegaba
únicamente a través del motor eléctrico, utilizándose el motor térmico
como si se tratase de un generador eléctrico para cargar las baterías.
El esquema de este vehículo tan distintivo se muestra a continuación en
este anuncio de 1969:
Figura 3.6. Anuncio de Opel Kadett Stir-Lec I (1969) Fuente: H istor ia del coche híbrido: la tecnología se perfecciona. Motorpas ión
Igual que sucedió con los vehículos eléctricos, la crisis del petróleo de
1973 dio otro gran impulso a la búsqueda de alternativas a los combustibles
fósiles, y con ello al sistema de propulsión hibrida. Así, se diseñaron nuevos
vehículos híbridos como el Volkswagen Taxi en 1973 entre otros, aunque el
desarrollo de la tecnología era todavía muy lento y no consiguieron cuajar
en el mercado.
Más adelante, a finales de los 80 aparece el primer modelo y prototipo
híbrido de Audi, uno de los fabricantes de automóviles referencia a nivel
mundial. Diseñado en 1989, el Audi Duo incorporaba un motor de gasolina
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117
2.3 de cinco cilindros conectado con el eje delantero, y un motor eléctrico
de 9 KW para el eje trasero, usando un sistema de baterías de níquel-
cadmio.
Dos años más tarde, en 1991, se presenta una evolución de este
vehículo por parte de Audi, el Audi Duo II. Se trataba de otro prototipo, que
mejoraba las prestaciones del anterior, y entre otras cosas incorporaba el
conocido sistema Quattro de Audi, consiguiendo tracción a las cuatro
ruedas al funcionar ya fuese únicamente con el motor de gasolina o en
modo híbrido. Sin embargo, en su funcionamiento puramente eléctrico, el
eje delantero se desconectaba pasando a tracción trasera. Por otro lado,
este modelo integraba un sistema de baterías de sulfuro de sodio con las
que podía superar los 80 km de autonomía eléctrica, suponiendo una
mejora respecto a las baterías de níquel-cadmio de la primera versión del
Audi Duo.
Figura 3.7. Primer Audi híbrido, Audi Duo (1989) Fuente: H istor ia del coche híbrido: la tecnología se perfecciona. Motorpas ión
Por último, en su aventura con los híbridos, Audi lanzó una tercera
versión en 1997, el Audi Duo III esta vez con tracción delantera y en
configuración paralela. Este fue el único de los tres modelos de Audi que se
llevó a producción, siendo el primer fabricante europeo en vender un
híbrido, pero sin embargo solo se fabricaron 100 unidades. Como
consecuencia de este fracaso comercial, principalmente debido a su elevado
precio, Audi no volvería a experimentar con la propulsión híbrida hasta
2011.
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118
Mucho más éxito tuvo Toyota, cuando también en 1997 inició la
producción y comercialización del Toyota Prius, convirtiéndose en el primer
vehículo híbrido de producción a gran escala del mundo. Tuvo tal éxito
desde el primer momento (el primer año ya se vendieron más de 18.000
unidades), que a día de hoy, además de haberse convertido sin duda en un
icono mundial representativo de este sistema de propulsión, es el vehículo
híbrido más vendido de la historia. Por ello, en la historia de los vehículos
híbridos Toyota se merece una mención especial, pues desde su aparición
ha aportado numerosas soluciones técnicas favoreciendo el crecimiento de
esta tecnología y convirtiéndose a la par en la gran referente a nivel global
de esta.
A raíz de este éxito de Toyota desde su primera aparición en 1997,
surgieron numerosos modelos híbridos por parte de importantes
fabricantes de los cuales destaca Honda, como modelos como el Honda
Insight y el Honda Civic IMA, y más adelante otros como Lexus o Ford.
En los últimos años, se ha acrecentado la necesidad de una búsqueda
de alternativas con las que rebajar el consumo de combustibles derivados
del petróleo y todos los problemas relacionados con su consumo, lo que
hace que sea difícil encontrar hoy en día algún fabricante que no incorpore
en su flota algún vehículo de estas alternativas al de combustión interna. En
concreto el más utilizado es el de propulsión híbrida, debido a que a día de
hoy es el que más se adapta a las condiciones de los usuarios.
Otra prueba del desarrollo de la tecnología de propulsión híbrida en la
actualidad, es su implantación en la flota de taxis de numerosas ciudades de
todo el mundo. Sin irse más lejos, Madrid es un buen ejemplo de ello con
más de un 40% de la cuota de mercado, donde el Toyota Prius vuelve a ser
el modelo más representativo.
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119
Figura 3.8. Toyota Prius de la flota de Taxis de Madrid (2009 - presente) Fuente: Eco Tax i Madrid
Para acabar con esta breve historia de los híbridos, merece una mención
que en los últimos años está habiendo la tendencia entre los fabricantes de
superdeportivos de aplicar tecnología híbrida a sus últimos modelos. Hay
que especificar eso sí, que en general no solo trata de medidas para mejorar
eficiencia sino que también están fabricados con el fin de mejorar las
prestaciones. Es el caso por ejemplo de Porsche, que lanzó en 2013 el
Porsche 918 Spyder, un híbrido enchufable con unas prestaciones más que
impresionantes.
Figura 3.9. Superdeportivo híbrido: Porsche 918 Spyder Fuente: H ighsnobiety
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120
3.2 Clasificación de los híbridos
Los vehículos híbridos en general son aquellos vehículos que combinan
dos formas cualesquiera de propulsión, sin embargo en este proyecto se
tratará con los vehículos híbridos eléctricos. Esto es, a partir de este
momento cuando se mencione un vehículo híbrido se entenderá como
únicamente aquel que combine un motor de combustión interna (ya sea
gasolina o diésel) con otro motor eléctrico alimentado por baterías.
Hay que distinguir entre los diferentes tipos de vehículos híbridos
eléctricos que existen, con las diferentes configuraciones que estos pueden
tener.
3.2.1 Tipos de híbridos
Existen varios tipos de vehículos híbridos, según su funcionamiento:
Michrohíbrido, Semihíbrido, Híbrido Puro, Híbrido Enchufable y Eléctrico de
Rango Extendido. Estas son sus características:
Microhíbrido: Aunque estrictamente no se pueda considerar
como tecnología híbrida, los microhíbridos contribuyen a un
menos consumo de combustible. Consiste en lo que
comúnmente se conoce como el sistema “Start-Stop”, esto es el
apagado del motor de combustión una vez que el vehículo se
detiene (por ejemplo en los semáforos) y su posterior puesta en
marcha cuando el conductor lo desee. El alternador es el
encargado de volver a arrancar el motor de manera instantánea,
y la batería la encargada de suministrar la energía a este. A su
vez, los vehículos suelen incorporar un sistema de frenada
regenerativa con el fin de cargar la batería para el arranque,
como se comentó en apartados anteriores.
Se estima que prácticamente la totalidad de los vehículos
llevarán incorporado este sistema, en un futuro relativamente
cercano. Hoy en día, ya es ampliamente incorporado por gran
parte de los fabricantes en sus modelos.
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121
Semihíbrido o Mild-Hybrid: Este tipo de híbrido es aquel que
utiliza el motor eléctrico como asistencia al motor de
combustión interna, pudiendo funcionar habitualmente también
como generador como parte del sistema de frenada
regenerativa. El funcionamiento en forma eléctrica al 100% no es
posible, teniendo necesariamente que estar el motor de
combustión encendido.
Frente al híbrido puro presenta la ventaja de ser más sencillo, y
por tanto más económico y más ligero, pero con un ahorro de
combustible menor. Actualmente hay varios modelos de todo
tipo de fabricantes en el mercado, como por ejemplo de
Chevrolet, pasando por BMW o Mercedes, e incluso en
deportivos de alta gama como el Ferrari LaFerrari.
Híbrido puro o Full-Hybrid: Se tratan de los híbridos que cuentan
con el sistema más completo y sofisticado. Permiten circular solo
con el motor eléctrico, solo con el de combustión o con ambos,
seleccionándose de manera inteligente el sistema de propulsión
más adecuado en cada momento. En un funcionamiento normal,
tras el arranque y a bajas velocidades el motor eléctrico por si
solo impulsa al coche. En este tramo, generalmente urbano, se
disfruta por tanto de todas las ventajas del coche eléctrico: una
conducción silenciosa, sin consumir combustible ni contaminar.
A velocidades más altas, el motor de combustión releva al
eléctrico que pasa a un segundo plano, ayudando en momentos
puntuales aportando una potencia extra, mientras sigue
cargando las baterías con la potencia sobrante y durante la
frenada.
Por supuesto, que este tipo de híbrido es el que mejores
resultados consigue en cuanto a disminución de la
contaminación y ahorro de combustible, eso sí a coste de
presentar un precio más alto y una complejidad superior.
Híbrido enchufable o PHEV: También conocido como PHEV
(Plug-In Hybrid Electric Vehicle), este tipo de híbrido de un paso
más hacia la movilidad puramente eléctrica. Dispone de una
batería de alto voltaje con más capacidad que el resto de
híbridos, que es capaz de recargarse por fuentes de energía
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122
externas. De esta forma, los primeros kilómetros hasta que la
batería se agote se hacen únicamente con el motor eléctrico, lo
que les da normalmente una autonomía eléctrica de unos 30 a
40 km. Una vez agotada la batería, pasa a funcionar como un
vehículo convencional, acabando así con la inseguridad de la
escasa autonomía de los eléctricos puros. Estos híbridos siguen
incorporando los sistemas de frenada regenerativa para cargar
las baterías durante el movimiento, y prolongar la autonomía
eléctrica.
Eléctrico de rango extendido o E-REV: También conocido como
E-REV (Extended-Range Electric Vehicle), es un tipo de híbridos
en el que el motor de combustión funciona como generador,
alimentando a las baterías o directamente al motor eléctrico. Es
por tanto, el motor eléctrico el que se utiliza únicamente para la
propulsión, y el motor de combustión se utiliza como motor
auxiliar. Con esta configuración, todo el tiempo se circula en
modo eléctrico, consiguiéndose además una mayor simplicidad
mecánica al no estar el motor de combustión encargado de la
propulsión.
A día de hoy, parece que hay una tendencia hacia los PHEV y E-
REV, ya que nos acercan a la movilidad puramente eléctrica,
quitándole protagonismo al motor de combustión, lográndose
unos consumos y unas emisiones mucho menores.
3.2.2 Configuraciones de híbridos
De acuerdo a la colocación de los diferentes elementos que componen
el sistema de propulsión, y ateniendo al principio de funcionamiento de los
vehículos híbridos, se pueden distinguir tres tipos de configuraciones de
híbridos:
Configuración híbrida en paralelo: En esta configuración, tanto
el motor de combustión como el eléctrico se utilizan para dar par
a las ruedas. El motor eléctrico funciona puntualmente como
generador eléctrico cuando sea necesario cargar las baterías,
dejando de haber tracción eléctrica en el vehículo, pues solo
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123
tiene un motor. Es una configuración relativamente sencilla,
pero lejos de ser la más eficiente.
Configuración híbrida en serie: En este tipo de híbridos, el motor
de combustión interna funciona únicamente como generador
eléctrico, esto implica que no tiene conexión mecánica con las
ruedas. De esta forma, el motor de combustión es el encargado
de suministrar la energía para el funcionamiento del motor
eléctrico, ya sea de manera directa o almacenando previamente
la energía en las baterías. Es esta precisamente la configuración
de uno de los tipos de vehículos híbridos descritos
anteriormente, los eléctricos de rango extendido o E-REV.
Figura 3.10. Esquema de configuración híbrida en paralelo Fuente: Toyota Motor Company
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124
Figura 3.11. Esquema de configuración híbrida en serie Fuente: Toyota Motor Company
Configuración híbrida combinada o en serie/paralelo. Esta
configuración es una combinación de las dos anteriores,
precisamente con el objetivo de combinar las ventajas de cada
una de las configuraciones. Trabaja con los dos motores, y usará
uno, otro o ambos en función de las condiciones puntuales de
conducción, con el fin de lograr el nivel de eficiencia más alto
posible.
Figura 3.12. Esquema de configuración híbrida combinada Fuente: Toyota Motor Company
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125
Como resumen de las tres posibles configuraciones de híbridos, la
imagen siguiente muestra el ratio de uso del motor de combustión (Engine)
y el motor eléctrico (Motor):
Figura 3.13. Ratio de uso del motor de combustión y el eléctrico para cada configuración. Fuente: Toyota Motor Company
De todo lo expuesto anteriormente en la clasificación de los vehículos
híbridos, se puede concluir que la tecnología híbrida tiene muchas
variantes, cada una con sus ventajas e inconvenientes, que se adaptarán
mejor o peor a las condiciones demandadas por los usuarios. En cuanto a las
posibles configuraciones híbridas, actualmente es la combinada o
serie/paralelo la que ofrece unas mejores condiciones de ahorro de
combustible y de conducción.
3.3 Componentes principales
Los componentes de los vehículos híbridos tienen mucho en común con
los de los vehículos eléctricos presentados anteriormente. De los
componentes principales coinciden con los de los vehículos eléctricos las
baterías, el motor eléctrico, el sistema de control de potencia y sistemas de
recuperación de energía, a lo que hay que añadir el motor de combustión
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126
interna. Además tendrá un sistema de transmisión más o menos
complicado, en función de la configuración híbrida que tenga el vehículo.
A continuación se comentarán las especificaciones de cada elemento,
teniendo en cuenta lo ya comentado el apartado de componentes
principales de los vehículos eléctricos:
3.3.1 Baterías
A diferencia de lo que sucede con los vehículos eléctricos, en los que
debido a la necesidad de ganar autonomía las baterías son sin duda el
elemento clave, para los vehículos híbridos estas pierden relevancia ya que
entre otras razones tiene un medio de propulsión alternativo al eléctrico.
Esto no quiere decir ni mucho menos que no sean importantes, siendo
también de vital importancia su desarrollo en casi todos los aspectos del
vehículo híbrido. Este desarrollo de las baterías, por ejemplo, sería
transcendental en el tema económico para aumentar la vida útil de estas,
aumentando el número de ciclos de carga y descarga, y la resistencia a altas
temperaturas reduciendo las averías, y para también abaratar los precios de
las baterías, uno de los elementos más caros del coche. Además, por
ejemplo, la energía recuperada en la frenada o la autonomía inicial de los
híbridos enchufables dependen directamente de ellas.
En cuanto a las baterías que se usan hoy en día en los híbridos, no varían
mucho de los vehículos eléctricos ya que la mayoría de los fabricantes optan
también por las de ion-litio, sustituyendo la tendencia a usar las baterías de
Níquel-Hidruro Metálico (NiMH) que históricamente han sido las más
utilizadas con la tecnología híbrida. De esta forma se reduce peso y volumen
ocupado, a la par que se aumenta la capacidad de las baterías.
Se está estudiando con especial interés la aplicación de
supercondensadores en lugar de las baterías para vehículos híbridos,
porque presentan unas propiedades que permiten que la carga y descarga
de las mismas se lleve a cabo de una manera muy rápida, resultando ideal
para el funcionamiento de los vehículos híbridos en el que es constante la
demanda y el suministro de energía eléctrica por las baterías.
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127
3.3.2 Motor eléctrico
Se componen de uno o dos motores eléctricos, según las condiciones de
cada vehículo. Los motores eléctricos tendrán una función u otra en función
del tipo de vehículo híbrido y su configuración, pero en general estos
motores deberán poder funcionar siempre como generadores eléctricos, tal
y como se explicó anteriormente.
3.3.3 Electrónica de potencia
Los sistemas de electrónica de potencia de los vehículos híbridos
resultan bastante más complejos que los de los eléctricos. El esquema a
continuación muestra un ejemplo de un sistema de electrónica de potencia
de cierta complejidad, que corresponde a un vehículo híbrido enchufable
(PHEV).
Figura 3.14. Esquema de un sistema de electrónica de potencia de una híbrido enchufable Fuente: Perspect iva actual de la tecnolo gía del coche eléctr ico. Anális is de los
cambios en los procesos de producción con la l legada del vehículo eléctr ico .
Universidad Públ ica de Navarra. Miguel Roig Estrada. (2012)
Como se observa en el diagrama, este modelo incorpora dos máquinas
eléctricas. Por un lado un generador eléctrico conectado al motor de
combustión (es este caso un motor diésel) y un motor eléctrico que se
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128
encarga de la propulsión del propio vehículo. Como se puede ver, todo flujo
de energía que llega al motor eléctrico, ya sea desde la batería o
directamente del generador, previamente pasa por el inversor. A su vez,
este está regulado por un controlador conectado con el motor diésel a
través del controlador principal. Por último la energía mecánica a la salida
del motor eléctrico pasa por la caja de cambios, normalmente de una única
relación de reducción, para ir de ahí al diferencial y luego a las ruedas para
mover el vehículo.
Como puede apreciarse, aunque descrito grosso modo, este proceso es
bastante más complejo y delicado que el de los eléctricos puros. El sistema,
a pesar de su enorme evolución en los últimos años, sigue presentando
ciertas deficiencias en la gestión de la energía eléctrica. Destaca el problema
a la hora de la recarga de las baterías, pues los largos tiempos de carga y
descarga son uno de los grandes puntos débiles de estos híbridos, sino la
más grande junto con la capacidad de las baterías. Eso sí, en este sentido los
híbridos en general sufren menos estas deficiencias que los eléctricos puros,
donde dependen exclusivamente de la propulsión eléctrica.
3.3.4 Sistemas de recuperación de energía
Los sistemas de recuperación de energía son fundamentales para
conseguir electricidad y ganar autonomía eléctrica, igual que sucedía con los
vehículos eléctricos o incluso más importantes porque, con excepción de los
híbridos enchufables, estos no dispondrán de alimentación de energía por
fuentes externas.
3.3.5 Motor de combustión interna
En cuanto al motor de combustión interna, tendrá un rol muy diferente
dependiendo del tipo de híbrido y la configuración híbrida de cada vehículo.
En rasgos generales, es como cualquier otro motor de los vehículos
convencionales, lo único que se comentará es la elección para los vehículos
híbridos de un motor gasolina o un motor diésel.
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Alternativas al Automóvil Convencional – Vehículo Híbrido
129
Esta decisión de optar por una tecnología u otra de motores de
combustión para la complementación a los motores eléctricos en los
híbridos, está muy relacionado con el debate existente actualmente en los
vehículos convencionales entre motores gasolina y diésel. Aplicando lo
expuesto en estas discusiones a las particularidades de los vehículos
híbridos, se estudian a continuación las ventajas e inconvenientes de la
aplicación de motores diésel frente a los de gasolina (en igualdad de
condiciones) en vehículos híbridos.
Empezando por las ventajas, los motores diésel consumen menos
combustible que un motor gasolina en igualdad de condiciones,
principalmente por un mayor rendimiento termodinámico. Además de
consumir menos combustible, resulta que el gasóleo es más barato que la
gasolina (a pesar de que últimamente los precios están mucho más
igualados), por lo que tenemos un doble ahorro en combustible. Si a esto se
le añade, que ya de por sí los vehículos híbridos reducen considerablemente
el ahorro de combustible, la combinación resulta interesante.
En cuanto a los inconvenientes, se pueden dividir en 3 grupos. Desde un
punto económico, es un hecho que los motores diésel son más caros que los
de gasolina. Si a esto le sumamos el sobrecoste que ya de por si presentan
los vehículos híbridos, resulta un vehículo bastante caro, y que solo sería
posible amortizar a muy largo plazo por el mayor ahorro en combustible de
los diésel.
Por otro lado, los motores diésel emiten más contaminantes a la
atmosfera (a pesar de reducir las emisiones de CO2), por lo que en parte
desharíamos lo que estamos intentando ganar con la incorporación de
tracción eléctrica en los vehículos híbridos.
Por último, desde el punto mecánico los motores diésel presentan una
curva par-velocidad que no se complementa nada bien con el
funcionamiento de los vehículos híbridos. Esto se debe a que los diésel
otorgan mucho par a bajas revoluciones y poco a altas revoluciones, algo
parecido al motor eléctrico. Mientras que en un híbrido con motor de
gasolina, los motores eléctrico y de combustión se complementan mejor
para lograr una curva de par más plana. Además, los motores diésel son
más ruidosos y vibran más, mientras que
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130
Por todas las razones anteriormente expuestas, los motores diésel
reciben mucho menos uso en vehículos híbridos, optando los fabricantes
generalmente por los motores de gasolina como complemento al eléctrico.
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131
4. VEHÍCULOS DE HIDRÓGENO
Los vehículos de hidrógeno llevan siendo “el futuro de la automoción”
durante más de veinte años, y es que mientras que los vehículos eléctricos a
baterías e híbridos llevan circulando ya unos años por nuestras calles, hace
que uno se pregunte: ¿dónde están los de hidrógeno? ¿En qué consisten y
en qué punto se encuentra esta tecnología? En este apartado se tratarán
todas estas cuestiones, que ahora mismo están pendientes de más
investigadores que aporten nuevas ideas para resolver los problemas que
tienen las pilas de combustible, para poder empezar a aprovechar de sus
enormes ventajas en la aplicación a vehículos.
El hidrógeno se presenta sin duda como el vector energético del futuro,
postulándose como una importante alternativa para sustituir a los
combustibles fósiles en el sector de la automoción. El hidrogeno se trata de
un combustible limpio, pero que tiene que producirse a partir de materias
que lo contengan, pues el hidrogeno en si no se halla libre en la naturaleza.
A continuación se tratarán las principales formas de producción de
hidrógeno, así como las particularidades de su transporte y
almacenamiento. Además, se analizará su utilización en vehículos, el
verdadero objetivo de esta parte del proyecto.
4.1 Historia del vehículo de hidrógeno
La aplicación del hidrógeno para su utilización en vehículos se remonta a
comienzos del siglo XIX, cuando el inventor suizo François Isaac de Rivaz
diseñó y desarrolló el primer motor de combustión interna de la historia en
1804, y curiosamente usaba hidrógeno como combustible. Este motor se
usó para hacer funcionar una bomba, y no fue hasta 1807 cuando lo aplicó a
un pequeño vehículo por primera vez. Trabajó en ello durante los años
posteriores, construyendo en 1813 otro vehículo con el mismo principio de
funcionamiento, pero que esta vez medía 6 metros y pesaba casi una
tonelada. Sin embargo estos modelos no tuvieron aceptación ni continuidad
en una época en la que se pensaba que el motor de combustión interna
nunca llegaría a poder competir con los de vapor.
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132
Figura 4.1. Primer vehículo de combustión interna de hidrógeno y de la historia Fuente: Diario motor
Hay que avanzar unos años más, hasta 1839 para encontrar los primeros
estudios referidos a las pilas de combustible por parte del galés William R.
Grove, quien diseño el primer dispositivo de este tipo. Éste consistía en dos
electrodos de platino, que alimentaba con oxígeno (cátodo) e hidrógeno
(ánodo), y utilizando como electrolito una solución de ácido sulfúrico. A
partir de conectar varias de estas celdas eléctricamente, Groove fue capaz
de obtener una cantidad considerable de energía, con la que entre otras
cosas fue suficiente para realizar una electrolisis del agua.
Figura 4.2. Configuración de la pila de combustible de William R. Groove Fuente: On the Gas Voltaic Batter y. Philosophica l Magazine and Journal of Science (1843) p.
272
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Alternativas al Automóvil Convencional – Vehículo de Hidrógeno
133
Después de sus respectivos inventos, tanto la tecnología de motores de
combustión interna de hidrógeno como la de las pilas de combustible,
estuvieron bastante estancadas, a base solo avances puntuales y
sirviéndose de momentos precisos de la historia en los que había una
necesidad de buscar alternativas a los combustibles fósiles (tal y como
sucedió con los vehículos eléctricos e híbridos)
En lo que refiere a las pilas de combustible, su desarrollo a lo largo de la
historia después de su invento por parte de Groove sí que es algo diferente.
Para comenzar, otros inventores como Becquerel, Lord Rayleigh o Mond y
Langer, fueron introduciendo ciertas mejoras a la tecnología de las pilas de
combustible, pero no fue hasta mediados del siglo XX con la aportación de
Francis Thomas Bacon, un científico inglés, cuando se dio un desarrollo
tecnológico significativo. Bacon levantó una planta energética de 5 kW
basada únicamente en una pila de combustible alcalina, alimentada de
hidrógeno y oxígeno.
Curiosamente, este diseño de Bacon desarrollado por Pratt & Whitney
Aircraft, fue incorporado en los años 60 al programa espacial de EE.UU para
proporcionar electricidad y agua potable a los astronautas a partir del
hidrógeno y oxígeno almacenado en los tanques de la nave espacial. Las
pilas de combustible fueron todo un éxito en estas misiones espaciales,
prueba de ello es que a día de hoy se siguen utilizando en aplicaciones
aeroespaciales.
Por otro lado, la crisis del petróleo de 1973, reactivó la investigación
para el desarrollo de nuevos materiales con la idea de introducir la
propulsión de hidrógeno por parte de fabricantes de automóviles. Desde
entonces, se realizaron algunos intentos de probar las pilas de hidrógeno
para vehículos, con varios prototipos por parte de General Motors, Honda,
Mercedes, Ford, etc. Además se instalaron pilas de combustible en
autobuses y camiones de varias ciudades del mundo (sin ir más lejos,
Madrid), obteniéndose resultados de estas pruebas no muy satisfactorios.
El último escalón en la historia del vehículo es el Toyota Mirai, siendo
uno de los primeros vehículos de producción que cuentan con este tipo de
fuente energética. Cuenta con gran parte de la tecnología existente en los
vehículos eléctricos, como la regeneración de energía en la frenada. Con
una autonomía estimada de alrededor de 500 km y un tiempo de recarga de
5 minutos, se postula con un punto de inflexión en la industria que puede
llevar a este tipo de vehículos a tener mayor importancia en el mercado.
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134
4.2 Tipos de vehículos de hidrógeno
El hidrógeno se puede utilizar para la propulsión de vehículos de dos
formas bien diferentes. Por un lado, se puede utilizar en motores de
combustión de hidrógeno, o por otro en vehículos de pila de combustible de
hidrógeno. A continuación se comentan estas dos formas de propulsión:
4.2.1 Vehículos con motor de combustión de hidrógeno
Estos vehículos se caracterizan por tener motores de combustión
interna de hidrógeno, esto es, utilizando el hidrógeno como combustible
(como si se tratase de gasolina o gasóleo). El funcionamiento de estos
motores es muy similar a los convencionales, pues no dejan de ser motores
térmicos en los que el transforma la energía térmica procedente de la
combustión del hidrógeno en energía mecánica que se transmite a las
ruedas para dar movimiento al vehículo, ya se traten de motores
alternativos o rotativos.
Muchos de los fabricantes, se plantean en sus prototipos usar el mismo
motor convencional que el ya desarrollado para otros vehículos, eso sí con
algunas modificaciones como en la cámara de combustión, en ciertos
componentes de inyección, o en los colectores entre otros. Estas
modificaciones se deben principalmente a que con el hidrógeno se alcanzan
unas temperaturas de combustión mayores que para los modelos con
gasolina o diésel. Por ello deberán analizarse en detalle todos los elementos
del motor que puedan verse afectados, como además lo pueden ser los
pistones, cilindros o bielas.
En general estos vehículos no prescinden del depósito de
gasolina/diésel, por lo que se pueden considerar vehículos bifuel. Esto
constituye una importante ventaja, ya que así si el hidrógeno se agota, se
puede seguir circulando con motores de combustión convencionales. Lo
cual resulta especialmente importante debido a la poca infraestructura de
repostaje de hidrógeno existente a día de hoy.
Estos motores presentan un rendimiento muy parecido al que presentan
los vehículos de combustión convencionales, pero muy por debajo del de
los motores eléctricos (80 a 95%) empleados en los vehículos de pila de
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135
combustible. Además generan emisiones de contaminantes durante su
funcionamiento, en concreto emiten C02 e hidrocarburos por el consumo de
aceite del motor y óxidos de nitrógeno por las altas temperaturas y
presiones alcanzadas en la cámara de combustión.
Por todo ello, en términos de eficiencia y contaminación, esta no es la
mejor forma de emplear el hidrógeno, y más si tenemos en cuenta lo
complicado y costoso que es obtener hidrógeno como se explicará más
adelante.
Figura 4.3. Diseño de BMW de un vehículo con motor de combustión de hidrógeno Fuente: Vehículos e léctricos de p ila de combust ib le de hidrógeno. Motorpas ión.
4.2.2 Vehículos de hidrógeno de pilas de combustible
Estos vehículos, son también conocidos como un tipo de vehículos
eléctricos, pues son impulsados precisamente por motores eléctricos. Para
ello utilizan la energía eléctrica producida en las reacciones químicas que
ocurren en las pilas (o celdas) de combustible. De esta forma, la energía que
alimentan a los motores eléctricos ya no proviene de la almacenada en las
pesadas baterías de los vehículos eléctricos puros, si no que en su lugar
proviene de la energía existente en el hidrógeno que transforma en energía
eléctrica a través de la pila de combustible. Las particularidades de estas
pilas de combustible, se comentarán más adelante cuando se analicen más
detalladamente los componentes de este vehículo de hidrógeno.
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136
Figura 4.4. Diseño del vehículo basado en pila de combustible, Mercedes-Benz Clase B F Cell. Fuente: Diesel S tat ion
Entonces, a diferencia del otro tipo de vehículo a hidrogeno, se elimina
por completo la dependencia en el motor de combustión, y con ello los
problemas de eficiencia y contaminación de estos. Así, resulta un vehículo
con un rendimiento muy superior al de los de combustión (en torno al 60%)
y además un vehículo cuya única emisión es vapor de agua (aunque ya se
verá las singularidades de esto), es decir, un vehículo de cero emisiones
locales.
4.3 Producción y almacenamiento de hidrógeno
Como se comentó anteriormente, el hidrógeno se presenta como una
propulsión alternativa a los vehículos convencionales con un gran futuro.
Sin embargo, el hidrógeno tiene unas condiciones muy particulares en todas
las etapas de su ciclo de vida: producción, transporte y almacenamiento
hasta su posible utilización en vehículos.
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Alternativas al Automóvil Convencional – Vehículo de Hidrógeno
137
4.3.1 Producción de hidrógeno
Puesto que el hidrógeno no se encuentra por si solo en la naturaleza, se
debe obtener a partir de otras materias primas que lo contengan a través
de determinados técnicas de transformación. La producción del hidrógeno,
es un factor limitante de la utilización del hidrógeno en cuanto a las
emisiones contaminantes, ya que la gran mayoría de estas materias primas
utilizadas en su producción proceden de combustibles fósiles (por encima
del 90%).
Hay numerosas formas de obtención de hidrógeno, las más comunes
son: reformado de metano, gasificación de la biomasa y la electrólisis.
Reformado de metano. Sin duda, se trata del proceso más
desarrollado y económico de producción de hidrógeno, y por ello
el más utilizado en la actualidad en procesos industriales, de
hecho casi la mitad de la producción mundial procede de esta
técnica. Este procedimiento sigue la siguiente reacción:
En esta reacción, reacciona el gas natural con vapor de agua,
provocando un gas de salida rico en hidrógeno pero con una
pequeña cantidad de monóxido de carbono. Este a su vez se
suele hacer reaccionar de nuevo con vapor de agua en otro
reactor, obteniendo hidrógeno adicional. El gas resultante, a
pesar de tener un contenido muy elevado de hidrógeno,
presenta también dióxido de carbono, metano sin convertir y
monóxido de carbono remanente, eso sí todos ellos en
cantidades mucho más reducidas. La presencia de CO2 en el gas
resultante provoca que el reformado de metano no se acabe de
considerar la opción ideal para la producción de hidrógeno.
Gasificación de la biomasa. El hidrógeno puede producirse a
partir de la biomasa, una fuente renovable. Esta puede
convertirse en hidrógeno a través de varios procesos
termoquímicos como la licuefacción, combustión, pirolisis y
gasificación, siendo esta ultima la más utilizada. La gasificación
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138
de la biomasa en contacto con oxígeno genera una corriente
gaseosa con alto contenido en hidrógeno, que a su vez se suele
reformar a la salida del gasificador con vapor de agua, para
obtener así una cantidad adicional de hidrógeno. El principal
problema de esta técnica es la formación de alquitrán, además
de pequeñas cantidades de CO, CO2 y CH4.
Electrólisis de agua. Consiste en la separación de la molécula de
agua por medio de electricidad. La reacción que sigue este
procedimiento es la siguiente:
Actualmente tiene un consumo eléctrico muy alto, lo que resulta
generalmente en un balance de energía negativo. Por tanto, este
método de producción de hidrógeno es solo justificable cuando
se deseen obtener pequeñas cantidades de hidrógeno, o para
almacenar energía cuando se produzcan excesos de energía con
energías renovables, generalmente con la energía eólica.
Otros métodos. Existen muchos otros métodos de producción,
pero a día de hoy se sigue investigando en busca de un sistema
que sea viable económica y energéticamente, además de
presentar unas emisiones más reducidas.
4.3.2 Almacenamiento de hidrógeno
Igual que sucedía con la producción del hidrógeno, en cuanto al
almacenamiento también existen numerosas opciones. Y es que el
hidrógeno presenta unas propiedades muy peculiares, por un lado presenta
una energía por unidad de masa muy alta, pero por otro su energía por
unidad de volumen es muy baja. Es precisamente esta última característica
la que provoca que este se trate de un campo de investigación muy
importante de cara al avance de los vehículos de hidrógeno, en esa
búsqueda de aumentar la densidad volumétrica.
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139
La tabla a continuación muestra las características de cada forma de
almacenamiento del hidrógeno, y que será clave en la discusión de optar
por una u otra opción.
Tabla 4.1. Eficiencias volumétricas y másicas de diferentes tecnologías de almacenamiento de hidrógeno
Fuente: Avances de ingenier ía. E l h idrógeno y la energía. José Ignacio Linares Hurtado y
Beatriz Yolanda Morati l la Soria.
Como se puede apreciar en la tabla anterior, las mejores técnicas en
cuanto a prestaciones de cantidad de hidrógeno por unidad de peso son los
sistemas de hidrógeno líquido e hidrógeno comprimido. Los hidruros
también podrían ser una opción interesante dado su elevada densidad
energética volumétrica, pero sin embargo presentan un reducido hidrógeno
almacenado por unidad de peso. Los hidruros metálicos sin en cambio, en
cuanto a prestaciones si resultan competitivos con las otras dos formas de
almacenamiento. A continuación se analizan los dos métodos más utilizados
en el almacenamiento del hidrógeno en su aplicación a vehículos:
Hidrógeno comprimido. Esta forma de almacenamiento es la
más sencilla de todas las otras opciones. Se eleva la presión del
hidrógeno, ya que la densidad energética aumenta
proporcionalmente con la presión (si se considera su
comportamiento como gas ideal).
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140
Para su aplicación en vehículos, no se utilizan las botellas de
acero utilizadas para el almacenamiento en instalaciones
estacionarias, por su elevado peso y volumen, pues no alcanza
presiones suficientemente altas. Por esta razón, en los últimos
años se han desarrollado materiales avanzados de campos
variados como aluminio, compuestos o polímeros, que reducen
significantemente el peso del acero a la vez que presentan unas
propiedades mecánicas muy buenas y permiten almacenar el
hidrógeno a presiones más altas. Lo habitual hoy en día son
depósitos de unos 300 a 350 bar, y llegando incluso a 700 bar los
modelos más avanzados. Como valor de referencia, el consumo
de energía real para comprimir el hidrógeno a 700 bar es
aproximadamente equivalente a un 15% de la energía química
del hidrógeno almacenado.
Hidrógeno líquido. Esta tecnología ha alcanzado un alto nivel de
madurez en los últimos años, estando eso sí mucho menos
extendida que la de hidrógeno comprimido, teniendo aun así
una importante cuota de mercado. Se trata de una tecnología
compleja, que parece que tendrá su aplicación únicamente para
el uso industrial y al almacenamiento a gran escala, incluyendo
esencialmente el transporte en barco.
Para conseguir hidrógeno líquido, es necesario enfriar el
hidrógeno como mínimo hasta su temperatura de saturación,
esto es una temperatura de 20 K (253 °C), estando a una presión
de 1 atm. Este procedimiento plantea por tanto dos problemas
considerables: conseguir que el hidrógeno alcance esta
temperatura y que la mantenga.
El proceso en sí de licuefacción del hidrógeno tiene una
demanda de energía muy alta, pues consume un 30% de la
energía química almacenada en el hidrógeno, aproximadamente
el doble que el sistema de hidrógeno comprimido. Además, otro
inconveniente es la necesidad de mantener el hidrógeno a una
temperatura de 20 K, lo que además consume cada día entre el 1
y 2% de la propia energía almacenada.
Actualmente se está investigando un sistema de
almacenamiento híbrido entre el hidrógeno comprimido y el
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141
líquido. Se conoce como “crio-comprimido”, y se trata de
hidrógeno en estado gaseoso a una presión elevada y a una
temperatura de 77 K alcanzada mediante nitrógeno líquido. De
esta forma, presenta unas prestaciones volumétricas muy
simulares a las del hidrógeno líquido, pero reduciendo tanto las
pérdidas por evaporación como la energía consumida por el
proceso.
4.3.3 Transporte de hidrógeno
Las propiedades del hidrógeno, con su alta volatilidad y su poca
densidad volumétrica hacen que su transporte tampoco sea sencillo. Es un
tema importante de cara al futuro, cuando se vaya proceder a establecer
una estructura de repostaje de hidrógeno (hidrogeneras) más amplia. Se
deberá decidir el estado del hidrógeno para el transporte, ya sea líquido o
comprimido, y además la forma de transporte ya sea por carretera, barco o
tren. También, otra opción que se contempla es la producción in situ en la
medida que sea posible. Todo apunta a que la forma de minimizar el
consumo energético en el transporte de energía será una combinación de
todas las opciones anteriores, según las condiciones de cada
emplazamiento.
4.3.4 Hidrógeno y seguridad
Como todo combustible, la utilización del hidrógeno tiene sus riesgos, y
más considerando que las características que hacen que sea tan buen
combustible, hacen que sea también un combustible potencialmente
peligroso.
Por un lado, de cara a la seguridad el hidrógeno presenta una serie de
ventajas en comparación con otros combustibles. Una ventaja importante
es que lo extremadamente volátil que es el hidrogeno evita grandes
concentraciones de hidrogeno. Además se trata de una sustancia no tóxica,
por lo que su riesgo para el ser humano se reduce a la combustión y el
desplazamiento de oxígeno en determinadas condiciones. La baja densidad
de energía volumétrica que tanto complica su almacenamiento, es sin duda
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142
un gran atributo en cuanto a seguridad se refiere, pues la energía liberada
en la combustión a una cierta presión es menor que la del resto de
combustibles. Asimismo, para su combustión espontánea el hidrógeno
necesita concentraciones muy altas y temperaturas muy altas.
Sin embargo, otras propiedades que convierten al hidrógeno en un buen
combustible, como su elevada densidad energética por unidad de masa, su
baja energía requerida para iniciar la combustión o su baja temperatura de
licuefacción, son desventajas importantes en cuanto a seguridad. Además,
la alta volatilidad y el pequeño tamaño de la molécula de hidrógeno, hacen
que el hidrógeno se fugue con facilidad. Si a esto se le añade el hecho de
que el hidrógeno es invisible, inodoro y que su llama no es visible a luz del
día, el hidrógeno puede presentar un peligro importante de seguridad.
A pesar de todos los problemas de seguridad que puede presentar el
hidrógeno como combustible, es una tecnología muy madura y con una
reglamentación muy completa y precisa que controla el uso del hidrógeno.
Es por ello, que tiene un índice de accidentes muy pequeño pues apenas ha
habido accidentes en los más de cien años de producción industrial, lo que
da una seguridad importante.
4.3.5 Conclusiones
De los apartados anteriores, se puede concluir que aunque el sistema de
propulsión del vehículo de hidrógeno sea muy eficiente (como por ejemplo
la pila de combustible), es preciso analizar desde el punto de vista
energético todo el ciclo de vida del hidrógeno, ya que los consumos de
energía en la producción, almacenamiento o transporte pueden llegar a ser
muy elevados. De esta forma, será necesaria investigación en estos campos
también con el objetivo de multiplicar todo el potencial que ya de por sí
tiene la propulsión con hidrógeno, en cuanto a balance energético y a que
se trata de un combustible limpio.
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Alternativas al Automóvil Convencional – Vehículo de Hidrógeno
143
4.4 Componentes principales
Los vehículos de hidrógeno, teniendo en cuenta que como se comentó
solo se comentarán los vehículos basados en la pila de combustible,
precisan una serie de componentes fundamentales para su funcionamiento.
En la imagen a continuación se pueden observar todos estos elementos y su
disposición en el propio vehículo.
Figura 4.5. Componentes principales vehículo de pila de combustible de hidrógeno Fuente: Diario motor
A continuación se analizan los principales componentes de los vehículos
de pila de combustible de hidrógeno en detalle:
4.4.1 Pila de combustible
La pila de combustible se trata del componente más importante de
estos vehículos, como no podía ser de otra manera. Se trata de un
dispositivo que transforma de forma directa la energía química que tiene un
combustible en energía eléctrica.
Existen diferentes muchos tipos diferentes de pilas de combustible, y
generalmente se clasifican según el electrolito empleado. Las más conocidas
son: pilas de membrana de intercambio protónico (PEMFC), pilas de óxidos
sólidos (SOFC), pilas de carbonatos fundidos (MCFC), pilas de ácido
fosfóricos (PAFC) y pilas alcalinas (AFC). La más utilizada en vehículos
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144
eléctricos son las pilas PEMFC ya que es la que mejor se adapta a las
necesidades de los vehículos eléctricos. Esto se debe principalmente a que,
a pesar de presentar numerosos problemas técnicos relacionados con la
membrana como la gestión de su humedad o sus vibraciones, presenta una
baja temperatura de funcionamiento (40 – 80 °C) facilitando así el periodo
de arranque, la hace ideal para el sector de la automoción.
La figura 4.4 muestra de forma esquemática el principio de
funcionamiento de las pilas de combustible de hidrógeno de tipo PEMFC.
Figura 4.6. Esquema del principio de funcionamiento de una pila de combustible de hidrógeno Fuente: Avances de ingenier ía. E l h idrógeno y la energía. José Ignacio Linares Hurtado y
Beatr iz Yolanda Morati l la Soria.
Como se puede observar en la imagen, se trata de un proceso
electroquímico en el que el combustible, el hidrógeno, se reduce en el
ánodo, resultando por un lado dos iones de hidrógeno (H+) que se dirigen al
cátodo a través del electrolito, y por otro dos electrones que circulan a
través del circuito externo (carga) hacia el cátodo, donde reaccionan junto
con los dos iones de hidrógeno y con el comburente, el oxígeno,
produciendo agua. Todo este funcionamiento queda reflejado en las
siguientes reacciones electroquímicas en el ánodo (4.3) y en el cátodo (4.4):
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145
El electrolito empleado, separa el combustible del comburente para
evitar una reacción de combustión, además de impedir el paso de los
electrones a la vez que constituye el medio que se encarga de transportar
los iones de hidrógeno de un electrodo a otro. En las pilas de PEMFC se
trata de una matriz polimérica conductora de protones, un material aislante
que obliga a los electrones a circular por el circuito externo, donde
realmente se extrae la energía de la pila.
La figura a continuación muestra el exterior de una pila de combustible,
generalmente tienen forma de una pequeña caja metálica, están situadas
en el centro de la parte inferior del vehículo, como mostraba la figura 4.3.
Figura 4.7. Exterior de una pila de combustible en su aplicación para vehículos (Nissan) Fuente: Prothius. Industria l Engineering Cathedra
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146
4.4.2 Depósito de hidrógeno
Como es de imaginar, serán necesarios unos depósitos o tanques para
almacenar el hidrógeno con el que será necesario alimentar la pila de
combustible. Estos depósitos tendrán unas condiciones específicas, tal y
como se comentó en el apartado previo referido al almacenamiento de
hidrógeno. De las dos posibles maneras de almacenamiento que se
contemplaron, se opta generalmente por el sistema de hidrógeno
comprimido pues el de hidrógeno líquido requería una cantidad de energía
demasiado elevada para su licuefacción.
Figura 4.8. Esquema tanque de hidrógeno comprimido Fuente: Hydrogen storage: the remaining sc ient if ic and technolog ica l challenges. Michael
Felderhoff, C laudia Weidenthaler, R ittmar von Helmolt and Ulr ich Eberle.
Como se aprecia en la figura anterior, generalmente consistirán en
depósitos cilíndricos de varias capas de materiales compuestos y reforzado
con fibra de carbono, con unas buenas propiedades mecánicas ya que debe
ser capaz de aguantar presiones de hasta 700 bar a la vez que debe, por
temas obvios de seguridad, aguantar impactos exteriores. Estos tanques,
suelen llevarse más de uno, normalmente se colocan en la parta de atrás
del vehículo, ya sea justo debajo o detrás de los asientos traseros.
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147
4.4.3 Motor eléctrico
Los vehículos de pilas de combustible optan por la propulsión con
motores eléctricos, estando alimentados por la electricidad generada en la
propia pila de combustible. Los motores utilizados, son idénticos a los
empleados tanto en los vehículos eléctricos como en los híbridos. También,
igual que sucedía entonces, serán necesarios una unidad de electrónica de
potencia, una unidad de control, un cargador, y una transmisión con un
engranaje reductor. Lo habitual es que estos motores se sitúen en el eje
delantero.
4.4.4 Batería
Lo más habitual en estos vehículos es la incorporación de una batería de
alto voltaje, ya sea de ion-litio o de níquel-hidruro metálico (NiMH). Su
función es complementar a la pila de combustible en el suministro de
energía a los motores eléctricos, generalmente a bajas velocidades y en
condiciones de mayor demanda de energía. Además son fundamentales
para poder almacenar la energía recuperada por el sistema de frenada
regenerativa.
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Económico, Energético y Medioambiental
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5. ESTUDIO DEL IMPACTO ECONÓMICO, ENÉRGÉTICO Y
MEDIOAMBIENTAL
Una vez que se ha analizado técnicamente el estado del arte de las
alternativas a los vehículos convencionales, se procede a realizar un estudio
desde tres puntos de vista, el económico, energético y medioambiental, de
cada una de ellas, lo que corresponde con la segunda parte del proyecto.
El principal objetivo de esta parte es estudiar si es viable una
amortización económica de la adquisición de un vehículo de cada
alternativa, en comparación con el coste de un vehículo de combustión
interna de características similares.
Además, como se comentó en la introducción del proyecto, la energía
tiene una importancia enorme a nivel global, importancia que va en
aumento con cada año que pasa. La inmensa mayoría de países tiene una
gran dependencia energética que tratan de reducir, algo que parece
imposible dado a que gran parte de esta energía va destinada al transporte,
y este depende casi exclusivamente de los combustibles fósiles de unos
pocos países. Por ello, se analizará cada alternativa no solo desde el punto
económico sino también desde el punto de vista energético con el fin de
determinar el consumo energético real de estas, en comparación con el de
un vehículo convencional.
Por último, estas diferentes alternativas se analizarán desde el punto de
vista medioambiental, llegando a conclusiones de su verdadero impacto. En
ellas se consideran no solo las emisiones locales, sino en el caso del
eléctrico y del hibrido enchufable, las emisiones contaminantes que se
emiten en el procedimiento de producción de energía.
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Económico, Energético y Medioambiental
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5.1 Vehículo eléctrico
5.1.1 Estudio de mercado
A pesar de que llevan ya unos años en el mercado, los vehículos
eléctricos todavía presentan una pequeña cuota del mercado
automovilístico español. Prueba de ello es que en 2014, según datos del
Instituto de Estudios de Automoción (IEA) en España se realizaron un total
de 1.665 matriculaciones de vehículos eléctricos, entre turismos y
comerciales, lo que representa un incremento del 33% con respecto a 2013.
Estas matriculaciones constituyen un 0,2% de los 855.308 coches que se
matricularon en 2014.
5.1.2 Modelo representativo
Una vez estudiado todo el mercado actual de los eléctricos, se escoge un
modelo representativo con el que se procederá a realizar el estudio del
impacto económico, energético y medio ambiental con respecto a un
modelo equivalente de combustión interna.
En el caso de los vehículos eléctricos, se tomará como modelo
representativo el e-Golf, el nuevo modelo eléctrico de Volkswagen, ya que
se considera que ofrece unas prestaciones más que razonables dentro del
promedio de los vehículos eléctricos en el mercado, y a la par porque
resulta realmente sencillo encontrar unos modelos de combustión e
híbridos equivalentes, facilitando toda comparativa y estudios posteriores.
A continuación se muestra la ficha técnica del e-Golf:
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VOLKSWAGEN e-GOLF
Motor eléctrico Motor síncrono AC de imán permanente Potencia: 115 CV / 85 kW. Par: 270 Nm
Batería Batería de Ion-Litio, 323 V.
264 celdas. Peso: 312 kg
Prestaciones Velocidad máxima: 140 km/h
Aceleración de 0 a 100 en 10,4 s Autonomía: 190 km
Peso MMA 1538 kg
Emisiones de CO2 0 g/km
Consumo 12,7 kWh / 100 km
Precio 36.530,00 €
Tabla 5.1. Ficha técnica Volkswagen e-Golf
Fuente: E laboración propia
5.1.3 Comparativa con el modelo de combustión
Se tomaran dos vehículos de combustión interna, uno diésel y uno
gasolina, de características equivalentes al eléctrico, con los que se realizará
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la comparativa y los diferentes estudios. Se han optado por el Golf 1.6 TDI
BMT y por el Golf 1.2 TSI BMT. Entre toda la oferta de modelos Golf, se han
escogido estos pues se consideran los más parecidos al e-Golf en cuanto a
características y prestaciones. Estas son sus fichas técnicas:
VOLKSWAGEN GOLF 1.6 TDI BMT
Motor Motor diésel 1.6 TDI BMT
Potencia: 110 CV / 81 kW. Par: 250 Nm
Prestaciones Velocidad máxima: 194 km/h
Aceleración de 0 a 100 en 10,5 s Autonomía: 1300 km
Peso MMA 1299 kg
Emisiones de CO2 99 g/km
Consumo 3,8 l / 100 km
Precio 22.310,00 €
Tabla 5.2. Ficha técnica Volkswagen Golf 1.6 TDI BMT
Fuente: E laboración propia
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VOLKSWAGEN GOLF 1.2 TSI BMT
Motor Motor gasolina 1.2 TSI BMT
Potencia: 110 CV / 81 kW. Par: 175 Nm
Prestaciones Velocidad máxima: 195 km/h
Aceleración de 0 a 100 en 9,9 s Autonomía: 1000 km
Peso MMA 1229 kg
Emisiones de CO2 112 g/km
Consumo 4,9 l / 100 km
Precio 19.490,00 €
Tabla 5.3. Ficha técnica Volkswagen Golf 1.2 TSI BMT
Fuente: Elaboración propia
Realizando una comparativa entre las características y prestaciones de
estos tres vehículos y representando los datos, se observan que los tres
modelos son muy similares en algunas prestaciones, pese a que tiene
características muy diferentes entre ellos. Es el caso de que el mayor par y
potencia del eléctrico, unido a que otorga para máximo desde bajas vueltas,
compensa el mayor peso de este principalmente debido al sobrepeso de las
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baterías, para tener una aceleración de 0 a 100 muy similar. Las mayores
diferencias están en la velocidad máxima, donde el eléctrico solo alcanza
140 km/h, y sobre todo las emisiones de CO2 a la atmosfera, destacando las
cero emisiones locales del eléctrico.
Figura 5.1. Comparativa de características y prestaciones de los vehículos eléctricos vs combustión Fuente: E laboración propia
En la gráfica anterior no se incluyen dos características bien
importantes, el tiempo de carga y el precio de adquisición. En cuanto a la
carga del e-Golf se puede hacer de tres posibilidades: con un cable para
tomas domésticas, con un tiempo de 13 horas, instalando el Wallbox en la
vivienda reduciéndose a 8 horas el tiempo de carga, o por último usando el
sistema de carga rápida CCS de estaciones públicas que posibilita la carga
del 80% de la batería en 30 minutos. Esta última opción es la que más se
empezaría a aproximar al repostaje de un vehículo convencional, sin
embargo el nivel de exigencia eléctrica es muy alto, y las baterías sufren
más por lo que no es recomendable usarlo como una opción para el
repostaje habitual sino más bien como una solución en caso de necesidad.
Además la instalación de uno de estos sistemas de recarga rápida en el
garaje, ya sea privado o colectivo, es prácticamente inviable pues habría
que hacer una adecuación de la red eléctrica existente, para hacer una
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Económico, Energético y Medioambiental
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referencia, la potencia que requiere este sistema es la equivalente a un
edificio de 15 viviendas.
Una última característica, y muy importante, es el precio de adquisición
de cada vehículo. En cuanto a esto, el eléctrico presenta una diferencia de
exactamente 14.220,00 € con el diésel, y 17.040,00 € con el de gasolina, una
diferencia más que considerable en la que se profundizará en el estudio
económico a continuación.
5.1.4 Estudio económico
En cuanto al tema económico, el vehículo eléctrico como se ha podido
ver en la comparativa frente a unos de combustión equivalente, tiene un
gran inconveniente, y es que presenta un precio de adquisición mucho más
elevado. Este es una de las grandes razones por la que mucha gente ni se
plantea la compra de uno de estos vehículos, olvidándose de las muchas
ventajas económicas que plantean los eléctricos una vez realizado el
desembolso inicial. La clave en este sentido es saber si el ahorro económico
a partir de entonces, es suficiente para poder amortizar económicamente el
vehículo en una cantidad razonable de kilómetros. A continuación se
enumeran las ventajas económicas de los vehículos eléctricos, con respecto
al de combustión.
Ayudas del Estado. El Estado a través del Ministerio de Industria,
Energía y Turismo en 2015 ha destinado 7 millones de euros a
ayudas para la adquisición de vehículos eléctricos. Sin duda estas
subvenciones del Estado con la intención de impulsar la
movilidad eléctrica son más que significativas. En el caso que se
está estudiando, el caso más común, se trata de un turismo de
autonomía eléctrica superior a 90 km, con lo que se recibe una
ayuda de 5.500 euros.
Combustible. Sin duda, uno de los ahorros más considerables a
largo plazo se realizará al sustituir los combustibles
convencionales (gasolina y diésel) por la electricidad necesaria
para recargar las baterías. Este ahorro será mayor, si se recarga
por la noche, aprovechando las tarifas valle, con un coste mucho
más reducido. Este ahorro económico lo calculamos calculando
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el coste en combustible por cada 100 km. Para este estudio se
considera un precio de una tarifa perfectamente normal en la
media de España de 0,070730 €/kWh.
Teniendo en cuenta, el precio anterior de kWh y que el consumo
del e-Golf es de 12,7 kWh por cada 100 km, resulta un coste de
electricidad de 0,898271 euros cada 100 km. Por otro lado,
haciendo un procedimiento similar con el Golf 1.6 TDI BMT
resulta 4,5182 euros cada 100 km, con el consumo establecido
de 3,8 l/100 km y tomando un precio del diésel promedio de
1,189 €/l, y realizando el mismo cálculo para el Golf 1.2 TSI BMT
resulta un coste de 6,6101 euros cada 100 km. A continuación se
representan estos datos en una tabla, donde además se muestra
el cálculo del ahorro económico en combustible del eléctrico en
comparación con los modelos de combustión. Otro factor a tener
en cuenta, es la existencia de puntos de recarga gratuitos, por lo
que esta diferencia podría ser aún mayor.
Tabla 5.4. Diferencias en la economía del combustible entre los vehículos eléctricos y los de combustión.
Fuente: E laboración propia
Impuesto de circulación y matriculación. Como otra manera de
incentivar la movilidad eléctrica, las entidades públicas ofrecen
reducciones en estos impuestos. Por un lado, diversas
Comunidades Autónomas reducen el impuesto de circulación
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157
para vehículos eléctricos e híbridos, como es el caso de la
Comunidad de Madrid cuya reducción es del 75 % durante toda
la vida útil del vehículo. Para calcular el impuesto de circulación,
también conocido como Impuesto sobre Vehículos de Tracción
Mecánica (IVTM), existen tablas para cada municipio con el
importe a pagar en función de los caballos fiscales (CVF). En el
caso de Madrid capital, que según un estudio de 2015 de
Automovilistas Europeos Asociados (AEA), los valores para este
impuesto en función de los caballos fiscales son:
Tabla 5.5. Impuesto de Circulación en Madrid capital en función de los caballos fiscales (CVF)
Fuente: Elaboración propia
En cuanto a los vehículos que estamos analizando, se consulta en
las tablas que pone a disposición el Ministerio de Hacienda y
Administraciones Públicas para determinar los caballos fiscales
de cada vehículo, y poder así conocer el Impuesto de Circulación
de cada vehículo. Esto se resume en la siguiente tabla:
Tabla 5.6. Impuesto de circulación en Madrid de e-Golf, Golf 1.6 TDI BMT y Golf 1.2 TSI BMT.
Fuente: Elaboración propia
Como se puede ver, el impuesto de circulación le supone al
vehículo eléctrico un ahorro de 49,5 euros al año con respecto a
los modelos diésel y gasolina.
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158
En cuanto al impuesto de matriculación, en España se vincula
con las emisiones de CO2, como se vio en la Tabla 1.3, resultando
que los vehículos eléctricos están exentos de este tipo de
impuestos. En concreto, tanto el vehículo diésel como el gasolina
con el que se están comparando, también están por debajo del
límite de 120 g/km establecido, con lo que no hay diferencia
económica entre los vehículos en este sentido.
Mantenimiento. Los vehículos eléctricos requieren un
mantenimiento mucho menor, ya que no requieren cambios de
aceite, ni de lubricantes, filtros, etc. Además el sistema de
frenada regenerativa, le quita mucho trabajo a las pastillas de
freno prolongando su vida útil. Se considerará que tanto el diésel
como el de gasolina precisan del mismo mantenimiento, siendo
éste sin embargo normalmente algo mayor para el diésel. El
único gran inconveniente que pueden presentar los vehículos
eléctricos en cuanto al mantenimiento, es una posible
sustitución de la batería que puede llegar a rondar los 10.000
euros (en torno a un tercio del precio del vehículo). Sin embargo,
a día de hoy los fabricantes se aseguran de que las baterías
presenten una vida útil suficientemente larga, prueba de ello es
que ofrecen garantías exclusivamente para las baterías de estos
modelos. Este es el caso de Volkswagen, que ofrece una garantía
triple para las baterías de todos los modelos eléctricos e híbridos
enchufables de 8 años, 160.000 km o si su capacidad baja del
70%.
Según diversos fabricantes, se ahorra entre un 20 y un 30 % en
gastos de mantenimientos con el eléctrico con respecto a los de
combustión. Es difícil estimar el ahorro económico que se
produce en euros por cada año en este sentido, y más teniendo
en cuenta que el mantenimiento variará cada año en función de
los kilómetros. De todas formas, el propio fabricante te ofrece
una estimación del mantenimiento del vehículo en función del
modelo. Para el caso del Golf, Volkswagen estima este
mantenimiento en 450 euros al año, y por tanto para el e-Golf se
queda en 337,5 euros al año considerando un 25% menos de
mantenimiento. Esto supone un ahorro adicional por parte del
eléctrico de 112,5 euros al año.
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159
Precio del seguro. Por lo general, los precios que las
aseguradoras dan a los vehículos eléctricos para sus seguros son
de un 5 a un 15 % más baratos. En lo que refiere a este estudio,
se pide presupuesto a una aseguradora online, introduciéndose
las mismas condiciones para los tres vehículos, obteniéndose los
siguientes precios para seguros a terceros: 299 € para el e-Golf,
339 € para el Golf 1.6 TDI BMT y 325 € para el Golf 1.2 TSI BMT.
Esto es un ahorro del eléctrico de 40 € al año con respecto al
modelo diésel y 26 € al año con respecto al modelo de gasolina.
Otras ventajas. Además, diversas Comunidades Autónomas
otorgan a los vehículos eléctricos determinadas ventajas, como
una reducción considerable del precio de los parquímetros. En el
caso de la Comunidad de Madrid, los eléctricos pueden aparcar
de forma gratuita en las zonas de parquímetro, consiguiendo
previamente la tarjeta “0 emisiones”. Esto, en un caso de un
ciudadano medio, puede llegar a ahorrar hasta 20 euros al mes.
Teniendo en cuenta todo lo anterior, en el caso de los vehículos que se
están analizando y considerando un ciudadano medio (con un kilometraje
anual de unos 20.000km al año), el vehículo eléctrico se amortizaría en unos
149.000 km con respecto al diésel, y en unos 147.000 km para el de
gasolina.
Sin embargo, teniendo en cuenta que las características actuales del
vehículo eléctrico, sobre todo con su limitada autonomía, está destinado a
unas condiciones de uso muy particulares, no adaptándose bien a todos los
usuarios. Por tanto, tiene más sentido la comparativa de las diferentes
tecnologías segmentando en función del cliente, lo que se realizará una vez
completado el estudio de todas las tecnologías.
5.1.5 Estudio del impacto energético
Una vez realizado un estudio económico, otro importante punto que
contribuyó considerablemente en la motivación de este proyecto es el del
impacto energético. Tal y como se comentó entonces, la energía hoy en día
tiene una importancia enorme nivel global, y precisamente España tiene
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160
una dependencia energética próxima al 80 %. Gran parte de culpa la tiene el
sector del transporte, que supone cerca del 40 % del consumo de energía
nacional final, siendo un 80 % de este consumo provocado por el transporte
por carretera. Todo ello se puede apreciar en las Figuras 1.1 y 1.2.
A continuación se analizará si las diferentes alternativas al automóvil
convencional, pueden contribuir en la reducción de esta dependencia
energética, algo que parece más que razonable a priori, ya que estas
alternativas precisamente sustituyen o disminuyen la demanda de
combustibles con origen en los derivados del petróleo, combustibles que
España tiene que importar. Sin embargo, no es tan sencillo como esto.
Para comenzar, se comparará la energía consumida por cada vehículo
en lo referido únicamente a su utilización. Para ello se tendrá en cuenta el
poder calorífico de cada combustible, y los consumos de cada vehículo. Para
la energía eléctrica, únicamente se hará la conversión de kWh a MJ, siendo
1 kWh igual a 3,6 MJ. De esta forma se obtendrá la energía utilizada
únicamente en combustible, para recorrer 100 km. Todo ello se muestra en
la siguiente tabla:
Tabla 5.7. Consumo energético en combustible del eléctrico, diésel y gasolina. Fuente: E laboración propia
Ahora bien, este consumo de energía es solo una vez que el combustible
se encuentra en el vehículo, lo que tendría sentido si solo estuviésemos
analizando vehículos con el mismo combustible. Sin embargo al tratarse de
combustibles tan diferentes, hay que realizar el estudio energético del
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161
proceso completo, desde el origen de la energía hasta su consumo en los
vehículos, pasando por su transformación, transporte, infraestructura, etc.
Para ello hay un concepto muy importante, la Tasa de Retorno Energética
(TRE o EROI en inglés), que es precisamente el cociente entre la energía
total que una fuente de energía nos devuelve y la energía invertida en
explotar, desarrollar y mantener esa fuente de energía. Se puede calcular
con las siguientes expresiones:
De esta forma, según la propia definición de la Tasa de Retorno de
Energía, a mayor TRE mejor será una fuente de energía, ya que esto implica
que se una cantidad mayor de energía neta utilizable por cada unidad de
energía que se ha invertido en ella. Además, un TRE menor o igual que uno
indica que la fuente de energía no es rentable energéticamente, pues
requiere más energía de la que produce.
En el caso de los vehículos de combustión, se considera la misma TRE
para la gasolina y el diésel debido a que sus procedimientos de extracción
del petróleo, su refinamiento, el transporte y la infraestructura son muy
similares. La TRE del proceso completo de estos combustibles está en torno
a 5, siendo muy difícil de precisar un número exacto ya que se trata de una
tasa situada, es decir, que para un mismo proceso, la TRE varía con el año y
el contexto. Una prueba de ello es que estos combustibles a mediados del
siglo XX, tenía una TRE por encima de 100, esto es que solo era necesario
invertir en la extracción de cada barril de crudo un 1 % de la energía
contenida en cada barril.
En cuanto a los vehículos eléctricos, hay que tener en cuenta otro factor
fundamental para poder calcular el impacto energético, y es tener claro la
procedencia de la energía eléctrica ya que esta no solo tiene un origen. La
gráfica siguiente muestra precisamente la naturaleza de la electricidad en la
península ibérica para el año 2014:
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162
Tabla 5.8. Cobertura de la demanda anual de energía eléctrica peninsular de 2014 Fuente: Red Eléctr ica Española
Las TRE de las fuentes energéticas más importantes, y necesarias para el
cálculo del impacto energético según el estudio EROI of Global Energy
Resources realizado por Jessica Lambert y Charles Hall de la Universidad de
Nueva York, se muestran a continuación, así como su ponderación teniendo
en cuenta el porcentaje de cada fuente en la totalidad de la demanda
energética peninsular en 2014.
Tabla 5.9. TRE de las fuentes de energía presentes en la demanda energética peninsular Fuente: Elaboración propia
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163
Además, en la tabla anterior, se realiza en cálculo de la TRE ponderada
para la totalidad de la energía eléctrica, con el que se procederá a realizar el
cálculo del verdadero impacto ambiental de los vehículos eléctricos, usando
cualquiera de las ecuaciones 5.1 o 5.2.
Tabla 5.10. Cálculo del consumo energético total del eléctrico vs combustión Fuente: E laboración propia
Como se puede ver, en la tabla anterior está calculado el consumo
energético total para cada vehículo, esto es la energía real que emplea cada
vehículo para recorrer 100 km. Analizando los datos, salen resultados
sorprendentes, pues el consumo de energía del vehículo eléctrico desde el
origen de la energía hasta el consumo es más de 18 veces menor que la
requerida para recorrer 100 km con el diésel y más de 21 con respecto al
gasolina. Este resultado se atribuye a varias razones, por un lado como ya se
comentó el vehículo eléctrico presenta un rendimiento mucho mayor que
los de combustión principalmente por el elevado rendimiento de los
motores eléctricos, por encima del 85%, frente al pobre rendimiento de los
motores térmicos, que alcanzan un 30% como máximo. Además, la Tasa de
Retorno Energética ponderada de la energía eléctrica en España y mucho
mayor que la de los combustibles derivados del petróleo, lo que hace que el
uso de esa energía requiera una inversión energética menor.
Por tanto, los coches eléctricos son una buena solución para reducir la
energía consumida a nivel global, y también para ayudar a países, como
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164
España, a reducir su elevada dependencia energética. Eso sí, hay que
matizar que esta elevada reducción de la energía es a nivel global, pues sin
ir más lejos, España no es la encargada de extraer y refinar el petróleo, con
lo que habría que tener en cuenta Tasas de Retorno Energéticas diferentes
a las de la tabla 5.9, ya que estas son del proceso completo hasta que llegan
a su uso. En consecuencia, si se desea evaluar numéricamente la reducción
de la dependencia energética, habría que recalcular este impacto para esas
nuevas TRE, quedando aun así cifras más que notablemente elevadas de
reducción de la demanda energética.
5.1.6 Estudio del impacto medioambiental
El impacto o huella ambiental es sin duda una de las razones por las que
la propulsión eléctrica está cogiendo tanta fuerza. Esto se debe a que los
vehículos eléctricos son vehículos de cero emisiones locales, es decir, no
contaminan nada durante su funcionamiento. Es importante resaltar que se
trata de emisiones locales, otra cosa es la contaminación resultante a la
hora de producir la electricidad necesaria para el funcionamiento de estos
vehículos. Eso es lo que se analizará en este apartado.
Según un estudio de WWF basado en datos de Red Eléctrica Española,
cada kWh de electricidad que se extrae de la red tiene una serie de
emisiones y residuos radiactivos, contenidas en la siguiente tabla. Para
calcular las emisiones del coche eléctrico que se está analizando no hay más
que multiplicar estas emisiones por kWh, por el consumo del propio coche
eléctrico, que es de 12,7 kWh /100 km. Por tanto el total de emisiones
reales del e-Golf por cada 100 km se calcula en la propia tabla.
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165
Tabla 5.10. Emisiones promedio de cada kWh en España en 2014, y emisiones del e-Golf. Fuente: E laboración propia
En cuanto a las emisiones de los vehículos de combustión analizados,
para comenzar, las emisiones de CO2 del diésel son 99 g/km, esto es 9,9 kg
cada 100 km, mientras que las del gasolina son 11,2 kg cada 100 km, esto es
entre 3 y 4 veces superior a las del eléctrico. En cuanto a las emisiones de
otros contaminantes por parte del eléctrico, también son
considerablemente menores que las producidas por los vehículos de
combustión, que están reguladas según las normas EURO (Tabla 1.1 y 1.2). A
esta importante diferencia hay que añadirle que las emisiones de los
vehículos eléctricos se están produciendo donde se genera la electricidad,
no en el lugar de funcionamiento de los propios vehículos, como es el caso
de los de combustión. Esta es una importante ventaja ya que en este último
caso, el funcionamiento se concentra en las ciudades, donde las emisiones
contaminantes pueden tener mayores consecuencias, mientras que por el
otro lado, las emisiones locales de los eléctricos son nulas, incluso un
contaminante que pocas veces se tiene en común pero que puede tener
graves consecuencias sobre la salud humana, el ruido.
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166
5.2 Vehículo híbrido
5.2.1 Estudio de mercado
En cuanto a los vehículos híbridos, estos llevan en el mercado algo más
tiempo que los eléctricos, lo que sumado a sus mejores prestaciones
sobretodo en cuanto a la autonomía, hacen que tengan una presencia en el
mercado algo más destacada. Prueba de ello, el número de coches híbridos
matriculados en 2014 ha sido entre siete y ocho veces superior al de los
eléctricos, sin embargo estas cifras todavía son muy bajas, habiéndose
matriculado un total de 12.369 híbridos, siendo 12.079 de ellos híbridos
convencionales y 290 enchufables. Frente al año 2013, se ha producido un
aumento del 18,4%, algo menor que el crecimiento del eléctrico, que sitúan
al vehículo híbrido con una cuota del mercado del 1,45 % del total de los
855.308 coches matriculados en 2014.
En cuanto al híbrido más vendido en 2014, ha sido el Toyota Auris HSD
2013, repitiendo resultado de 2013. Completan los tres más vendidos, el
Toyota Yaris HSD y el Lexus CT 200h. En cuanto a los híbridos enchufables,
destaca el dominio del Mitsubishi Outlander PHEV con un total de 209
coches vendidos de los 290 totales de este tipo de híbrido, lo que supone
más de un 72% de la cuota de este mercado.
5.2.2 Modelo representativo
Una vez estudiado el mercado actual de los híbridos, igual que se realizó
para los vehículos eléctricos, se escoge un modelo representativo con el que
se procederá a realizar el estudio del impacto económico, energético y
medio ambiental con respecto a un modelo equivalente de combustión
interna. Se tomará como modelo representativo el Golf GTE, el nuevo
modelo híbrido enchufable de Volkswagen, ya que se trata de un vehículo
nuevo, con unas prestaciones razonables dentro de los híbridos del
mercado, y dado la gran variedad de Golf disponibles es asequible encontrar
unos modelos equivalentes de combustión, facilitando toda comparativa y
estudios posteriores. Además, se optó por escoger un PHEV en vez de un
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167
híbrido convencional, ya que a día de hoy es lo que parece tener más
futuro. A continuación se muestra la ficha técnica del Golf GTE:
VOLKSWAGEN GOLF GTE
Motores
Motor eléctrico: Potencia: 102 CV / 75 kW.
Motor de gasolina TSI: Potencia: 150 CV / 110 kW.
Potencia híbrida: 204 CV / 150 kW Par híbrido: 350 Nm
Batería Batería de Ion-Litio, 323 V.
264 celdas. Peso: 312 kg
Prestaciones
Velocidad máxima híbrida: 222 km/h Velocidad máxima eléctrica: 130 km/h Aceleración híbrida de 0 a 100 en 7,6 s
Aceleración eléctrica 0 a 60 en 4,9 s Autonomía eléctrica: 50 km Autonomía híbrida: 939 km
Peso MMA 1510 kg
Emisiones de CO2 35 g/km
Consumo 1,5 l / 100 km
11,4 kWh / 100 km
Precio 39.330,00 €
Tabla 5.11. Ficha técnica Volkswagen Golf GTE
Fuente: E laboración propia
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Económico, Energético y Medioambiental
168
5.2.3 Comparativa con el modelo de combustión
Se tomaran dos vehículos de combustión interna, uno diésel y uno
gasolina, de características más o menos equivalentes al Golf GTE, con los
que se realizará la comparativa y los diferentes estudios. Se han optado por
el Golf GTD 2.0 TDI BMT y por el Golf GTI 2.0 TSI BMT. Entre toda la oferta
de modelos Golf, se han escogido estos pues se consideran los más
parecidos al Golf GTE en cuanto a características y prestaciones. Estas son
sus fichas técnicas:
VOLKSWAGEN GOLF GTD 2.0 TDI BMT
Motor Motor diésel 2.0 TDI BMT
Potencia: 184 CV / 135 kW. Par: 380 Nm
Prestaciones Velocidad máxima: 230 km/h
Aceleración de 0 a 100 en 7,5 s Autonomía: 1190 km
Peso MMA 1395 kg
Emisiones de CO2 109 g/km
Consumo 4,2 l / 100 km
Precio 33.000,00 €
Tabla 5.12. Ficha técnica Volkswagen Golf GTD 2.0 TDI BMT
Fuente: E laboración propia
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169
VOLKSWAGEN GOLF GTI 2.0 TSI BMT
Motor Motor gasolina 2.0 TSI BMT
Potencia: 220 CV / 162 kW. Par: 350 Nm
Prestaciones Velocidad máxima: 246 km/h
Aceleración de 0 a 100 en 6,5s Autonomía: 833 km
Peso MMA 1351 kg
Emisiones de CO2 139 g/km
Consumo 6 l / 100 km
Precio 32.400,00 €
Tabla 5.13. Ficha técnica Volkswagen Golf GTI 2.0 TSI BMT
Fuente: E laboración propia
Si se realiza una comparativa entre las características y prestaciones de
estos tres vehículos, se observan menores diferencias entre ellos que para
el caso del eléctrico. En este caso destaca también el mayor peso del
híbrido, y unas emisiones mucho más reducidas. También destacan una
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Económico, Energético y Medioambiental
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autonomía mucho mayor por parte del modelo diésel frente a los otros dos,
y por parte del gasolina una velocidad máxima y aceleración algo
superiores, pero sobretodo unas emisiones de CO2 bastante más elevadas.
Figura 5.2. Comparativa de características y prestaciones de los vehículos híbridos vs combustión Fuente: E laboración propia
Una última característica, y muy importante, que no se incluye en la
gráfica anterior, es el precio de adquisición de cada vehículo. En cuanto a
esto, el híbrido no llega al caso del vehículo eléctrico, pero aun así presenta
una diferencia también considerable, de exactamente 6.330,00 € con el
diésel, y 6.930,00 € con el de gasolina. Esto es precisamente lo que se
analizará en el estudio económico a continuación.
5.2.4 Estudio económico
Como se ha comentado en la comparativa anterior, los vehículos
híbridos presentan un precio de adquisición más grande, eso sí, no tanto
como el eléctrico. También es cierto, que una vez comprado tampoco tiene
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Económico, Energético y Medioambiental
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tantas ayudas ni ventajas económicas como tenía el eléctrico. Se analiza a
continuación si este desembolso inicial para la compra de un híbrido es o no
amortizable económicamente en un plazo razonable, con respecto a los de
combustión.
Ayudas del Estado. Para el caso de los híbridos, el Estado a
través del Ministerio de Industria, Energía y Turismo ofrece una
ayuda de 3.700 euros para la compra de uno de estos vehículos,
en lugar de los 5.500 que ofrecían para los eléctricos puros.
Combustible. En cuanto al combustible, el híbrido usa una
mezcla de electricidad y gasolina, si bien es cierto que en el caso
de los híbridos enchufables tienen unos primeros kilómetros en
los que pueden funcionar utilizando únicamente electricidad,
reduciendo así aún más el gasto de combustible. Para este
primer estudio económico, esta opción no se considerará,
utilizando ambos combustibles. Se tomarán los mismos precios
de combustible que se consideraron en este mismo apartado de
los vehículos eléctricos, es decir, 0,70730 €/kWh para la
electricidad (en horario con tarifa valle), 1,189 €/l para el diésel y
1,349 €/l para la gasolina. Los resultados del coste del
combustible por cada 100 km para cada alternativa, así como el
ahorro que representa el híbrido con respecto a las otras dos
opciones, se muestran calculadas en la siguiente tabla:
Tabla 5.14. Diferencias economía del combustible entre los vehículos híbridos y los de combustión.
Fuente: E laboración propia
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172
Impuesto de circulación y matriculación. Los híbridos, en menor
medida que los eléctricos pues generalmente depende de las
emisiones de CO2, también reciben reducciones tanto en el
impuesto de circulación como en el de matriculación. Estas
reducciones para el impuesto de circulación, generalmente
otorgadas por Comunidades Autónomas, otorgan a los híbridos
enchufables la misma reducción que para los eléctricos, es decir,
en el caso de la Comunidad de Madrid una reducción del 75 %,
solo que esta vez solo para los 6 primeros años. Este impuesto se
calcula en función de los caballos fiscales, tal como se hizo para
el vehículo eléctrico, teniendo en la tabla 5.5 el Impuesto de
Circulación en Madrid capital en función de los caballos fiscales.
Teniendo en cuenta esto, y los caballos fiscales de cada vehículo
consultando las tablas del Ministerio de Hacienda y
Administraciones Públicas, se calculan en la siguiente tabla:
Tabla 5.15. Impuesto de circulación en Madrid del Golf GTE, Golf GTD 2.0 TDI BMT y Golf GTI TSI BMT
Fuente: Elaboración propia
Como se puede ver, el impuesto de circulación le supone al
vehículo híbrido en este caso un ahorro de 107,25 euros al año
con respecto a los modelos diésel y gasolina, durante los 6
primeros años del vehículo.
En cuanto al impuesto de matriculación, como ya se explicó
tanto en España como en la mayoría de los países de la Unión
Europea, se vincula con las emisiones de CO2, como se vio en la
Tabla 1.3. Aplicando estos valores a los vehículos analizados, los
modelos híbridos y diésel quedan exentos de pagar este
impuesto, mientras que el modelo de gasolina, el Golf GTI, con
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unas emisiones de 139 g de CO2 al km, tienen un impuesto del
4,75% impuesto que ya está incluido en el precio del vehículo.
Mantenimiento. La ausencia de determinados elementos que en
vehículos de combustión requieren de un mantenimiento como
el embrague, alternador o el motor de arranque, además de
cambios de aceite y otros gastos, hacen que el mantenimiento
de los híbridos sea mucho más reducido que el de los de
combustión, tal y como sucede con los eléctricos. Además el
menor desgaste de las pastillas de freno por la incorporación del
sistema de freneda regenerativa, también contribuye a este
ahorro económico en mantenimiento. En concreto, según
Volkswagen, el mantenimiento del Golf GTE ronda los 275 euros
anuales, muy por debajo de los 450 de los de combustión, y algo
inferiores a los 337,5 euros del eléctrico.
Precio del seguro. El precio del seguro del híbrido es muy similar
al de los vehículos eléctricos, manteniéndose de un 5 a un 15 %
por debajo de los de combustión. En concreto, los vehículos de
interés tienen los siguientes precios de seguros a terceros: 312 €
para el Golf GTE, y 343 € tanto para el GTD como el GTI. Esto
supone un ahorro de 31 euros al año al híbrido con respecto a
los de combustión, pero un sobrecoste de 13 euros con respecto
al modelo eléctrico analizado, el e-Golf.
Otras ventajas. Además, diversas Comunidades Autónomas
como es el caso de la Comunidad de Madrid, igual que sucedía
con los eléctricos, permiten a los híbridos determinadas
ventajas, como aparcar gratuitamente en las zonas de
parquímetro.
Teniendo en cuenta todo lo anterior, en el caso de los vehículos que se
están analizando, el vehículo híbrido se amortizaría en unos 61.000 km con
respecto al diésel, y en unos 43.000 km para el de gasolina. Como se ha
podido observar un número mucho más reducido de kilómetros que para la
amortización del vehículo eléctrico, debido únicamente al menor
sobrecoste inicial ya que el eléctrico presenta mayores ahorros una vez
realizado el desembolso inicial.
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174
5.2.5 Estudio del impacto energético
Tal y como se realizó para el vehículo eléctrico, a continuación se analiza
el verdadero impacto energético del vehículo híbrido con respecto a los de
combustión. Para ello, se seguirá exactamente el mismo procedimiento, con
la peculiaridad de que el híbrido mezcla ambos combustibles, por lo que
habrá que realizar algún número más.
Para comenzar, se comparará la energía consumida en combustible por
cada vehículo para recorrer 100 km, lo que se muestra en la tabla siguiente:
Tabla 5.16. Consumo energético en combustible del híbrido, diésel y gasolina. Fuente: E laboración propia
Ahora bien, este consumo energético es únicamente de la utilización del
combustible para la propulsión del vehículo, para analizar el ciclo completo
se utilizará la Tasa de Retorno Energética, tal y como se hizo con el eléctrico.
Además, dado que el híbrido también se alimenta parcialmente de
electricidad, será importante conocer el origen de la electricidad (Tabla 5.8)
para poder aplicar una TRE ponderada según las diferentes fuentes de
energía y su porcentaje con respecto al total. Todo este cálculo está
realizado en la tabla siguiente:
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Tabla 5.17. Cálculo del consumo energético total del híbrido vs combustión Fuente: E laboración propia
Lo que indica la tabla anterior es que para recorrer 100 km con el
híbrido hay que invertir 13,67 MJ, mientras que para el diésel hacen falta
37,653 MJ y 48 MJ para el modelo de gasolina. Esto es, el híbrido necesita
una inversión energética casi 3 veces menor que para el diésel para recorrer
cada kilómetro, y unas 3 veces y media menor que el modelo de gasolina. Es
una diferencia energética más que considerable, pero que si sin embargo lo
comparamos con el eléctrico, el híbrido necesita una inversión más de 7
veces superior.
Por tanto, la sustitución de vehículos convencionales por híbridos sin
duda contribuiría a reducir el consumo global de energía y la dependencia
energética de muchos países, eso sí no tanto como la sustitución por
vehículos eléctricos.
5.2.6 Estudio del impacto medioambiental
El vehículo híbrido, como se ha ido comentando combina la propulsión
eléctrica con la de combustión, por lo que estos vehículos reducen
considerablemente las emisiones con respecto a los convencionales.
Generalmente, estas reducciones rondan los valores del 30 o 40 % con
respecto a los de combustión convencionales. Sin embargo, los híbridos
enchufables van un paso más allá, consiguiendo reducciones de hasta el
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176
70% de las emisiones locales. Hay que especificar, tal y como se hizo con el
eléctrico, que la energía eléctrica utilizada para cargar las baterías en estos
vehículos produce unas emisiones a la atmosfera cuando es producida.
Este factor, también hay que tenerlo en cuenta, pero aun así el balance
medioambiental sigue siendo más que positivo, reduciéndose todas las
emisiones de contaminantes de una manera considerable.
5.3 Vehículo de hidrógeno
5.3.1 Estudio de mercado
A día de hoy, no hay vehículos de pila de combustible de hidrógeno en el
mercado automovilístico español. A nivel global, hay solo dos modelos de
estos vehículos en producción en serie, el Hyundai Tucson ix35 Fuel Cell que
fue el primero en 2013, y el Toyota Mirai de diciembre 2014, y solo son
comerciables actualmente en algunos mercados.
5.3.2 Modelo representativo
Como se ha visto en el estudio de mercado, no hay mucha oferta de
vehículos de hidrógeno donde elegir. Para los estudios siguientes, y
comparativas, se ha escogido el Toyota Mirai ya que se trata del modelo
más nuevo, con una tecnología algo más avanzada. A continuación se
muestra su ficha técnica:
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TOYOTA MIRAI
Motor Motor eléctrico síncrono
Potencia: 152 CV / 113 kW. Par: 335 Nm
Pila de combustible Electrólito de polímero sólido.
370 células en la unidad central
Depósitos de hidrógeno 2 tanques con capacidad total de 5 kg y 122,4 litros
Presión: 700 bar. Tiempo de recarga: 5 minutos
Batería Batería de NiMH. 245 V, 1.6 kWh
Prestaciones Velocidad máxima: 179 km/h
Aceleración de 0 a 100 en 9,6 s Autonomía: 502 km
Peso MMA 1850 kg
Emisiones de CO2 0 g/km
Precio 80.000,00 € (*) (*) Precio estimado cuando llegue a España
Tabla 5.3. Ficha técnica Toyota Mirai
Fuente: E laboración propia
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178
5.3.3 Comparativa con las otras alternativas
Si se realiza una comparativa entre las características y prestaciones de
los tres vehículos de tecnologías alternativas a las convencionales, se
observa perfectamente el estado actual de cada tecnología.
Representándolo en una gráfica:
Figura 5.3. Comparativa de características y prestaciones de los vehículos eléctricos, híbridos y de hidrógeno.
Fuente: E laboración propia
Viendo la gráfica comparativa, se puede entender porque muchos
consideran al vehículo de hidrógeno como la evolución del vehículo
eléctrico, pues tiene unas prestaciones muy parejas, o incluso algo
superiores en particular para estos modelos, a la vez que soluciona los
problemas de autonomía y tiempo de recarga de los vehículos eléctricos.
Además, mantiene las cero emisiones locales del eléctrico, y elimina
también el problema del efecto memoria de las baterías de los eléctricos.
Todo esto, manteniendo las ventajas del motor eléctrico, es decir, un
elevado rendimiento, par máximo desde bajas revoluciones, etc. Sin
embargo, presenta a día de hoy dos importantes inconvenientes que le
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Económico, Energético y Medioambiental
179
hacen no ser una alternativa real: su elevado precio de adquisición y la
reducida infraestructura de repostaje de hidrógeno.
5.3.4 Estudio del impacto económico, energético y medioambiental
Como se ha comentado anteriormente, este vehículo actualmente no se
encuentra en el mercado, ni este ni ninguno de pila de combustible, por lo
será difícil realizar cualquier tipo de estudio. Por otro lado, el estudio de los
tres impactos están muy relacionados entre sí, desde el punto de vista que
tienen una gran dependencia con la forma de obtención y almacenamiento
del hidrógeno (apartado 4.3) por la que se opte. En este sentido, en la
mayoría de las veces, hay conflictos de interés, pues el método de
producción más económico no es precisamente el más respetuoso con el
medioambiente ni tampoco tiene porque ser el más viable
energéticamente.
En cuanto al estudio económico, el coste inicial con el que parece que
llegará a Europa, unos 80.000 euros, hace que sea difícil ver cómo puede
llegar a salir rentable este vehículo desde el punto de vista económico.
Además, el elevado coste de la obtención del hidrógeno hace que
actualmente el hidrógeno ronde los 12 €/kg en una hidrogenera, o lo que es
lo mismo, para el Toyota Mirai un coste de 12 €/100 km, un precio muy
superior al que pagan los coches de combustión equivalentes, por no hablar
de las cantidades mucho más reducidas que pagan los eléctricos y los
híbridos. Por tanto, actualmente la adquisición de estos vehículos tendrá
que ser por otras razones que no sean la económica, ya que el elevado
precio del hidrógeno encarece aún más el importante sobrecoste inicial de
estos vehículos con respecto a las otras alternativas.
Desde el punto de vista energético, se debe prestar especial atención a
los medios de producción y almacenamiento del hidrógeno, pues por
ejemplo la electrólisis del agua presenta en muchas ocasiones ya de por si
un balance energético negativo. En lo referido al almacenamiento, la
compresión es la mejor opción ya que consume un 15 % de la energía
contenida en el hidrógeno, frente al 30 % que consume el almacenamiento
como hidrógeno líquido, además de un 1 o 2 % extra diarios para mantener
el hidrógeno líquido a esas bajas temperaturas.
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Por último, el vehículo de hidrógeno se trata de un vehículo de cero
emisiones locales, ya que los únicos reactivos de las pilas de combustible
son la electricidad y agua. Pero igual que sucede con el vehículo eléctrico, se
debe estudiar el proceso completo para ver el verdadero impacto
medioambiental de estos vehículos. En este sentido, vuelve a ser
fundamental el método de obtención del hidrógeno, ya que las emisiones
varían mucho de uno a otro procedimiento. Siendo la mejor opción la
electrólisis del agua, siempre y cuando para toda la energía necesaria se
utilicen fuentes renovables, si no se vuelve al mismo punto de partida.
Por tanto, se puede concluir, tal y como se hizo cuando se analizó desde
el punto de vista técnico los vehículos de hidrógeno, que es fundamental
que se investigue tanto en la obtención del hidrógeno como en su
almacenamiento, ya que el futuro de esta tecnología depende en gran parte
de la capacidad de reducir los costes económicos, e impactos energéticos y
medioambientales en estos procedimientos.
5.4 Modelo de decisión
Tal como se adelantó en apartados anteriores, los estudios económicos
de amortización que se han realizado para los vehículos eléctricos e
híbridos, en los que se analiza un cliente medio, carecen de mucho sentido
sobre todo para el caso del eléctrico. Esto se debe a que su limitada
autonomía y sus elevados tiempos de recarga limitan mucho a día de hoy
los posibles clientes. Es decir, por mucho que un usuario vaya a superar el
número mínimo de kilómetros total para amortizar un eléctrico, existen
otros factores por los que para este usuario puede no ser viable la opción
del eléctrico. Estos factores son por ejemplo, el kilometraje máximo diario
continuado, la frecuencia con la que hacen viajes largos que superen la
autonomía del vehículo o el porcentaje de kilómetros que se hace por
ciudad y por carretera.
Por tanto, es necesario una segmentación en función de las
características de cada usuario, para determinar que alternativa se adapta
mejor a cada usuario, desde el punto de vista económico. Con este objetivo
se ha creado un pequeño modelo de decisión que introduciendo las
condiciones de cada usuario, indica precisamente la mejor opción de las dos
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181
alternativas, o si por el contrario la opción de los vehículos de combustión
es más rentable.
5.4.1 Funcionamiento
En este modelo de decisión, implementado en Excel, por un se
introducen todos los datos de los vehículos que se desean comparar, desde
los más básicos como la autonomía eléctrica, el consumo de combustibles,
el precio de adquisición, como otros datos que serán importantes para
poder proceder con el estudio económico, como los caballos fiscales, el
mantenimiento anual o el precio del seguro.
Además como ya se verá, también se contempla la posibilidad de
alquilar un coche de combustión para las vacaciones en caso de que con la
autonomía del vehículo eléctrico no sea suficiente. Este último dato, se
calculará solo una vez que se introduzcan los datos del usuario, ya que está
programado con una ecuación resultante de interpolar los precios de
alquiler en función de los días. En el caso de este proyecto se han rellenado
con los datos de los vehículos que se vienen analizando hasta el momento, y
que serán los que se utilicen para este modelo de decisión.
A continuación se adjunta una captura de pantalla de la parte del
modelo de decisión donde se meten estos datos:
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Figura 5.2. Captura de pantalla de los datos de los vehículos en el modelo de decisión (Excel) Fuente: E laboración propia.
Una vez que ya se disponen de los datos de los vehículos, lo único
restante es introducir los datos particulares del usuario, que se deberán ir
introduciendo siguiendo las pautas indicadas. Con ello, el modelo calculará
los kilómetros requeridos para la amortización del vehículo, los años para
que tenga lugar esta amortización y la diferencia económica que supondría
haber optado por una u otra opción en los años en los que el usuario tiene
pensado conservar el vehículo elegido. Automáticamente el Excel indicará la
mejor opción de las 4 contempladas, ya sea el vehículo eléctrico, el híbrido
o cualquiera de los modelos de combustión. Esta es una captura de pantalla
de esta segunda parte del modelo de decisión, en la que los errores son
debidos a que hay datos introducidos:
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Figura 5.3. Captura de pantalla de los cálculos y resultados en el modelo de decisión (Excel) Fuente: E laboración propia.
5.4.2 Análisis de casos reales
Se utilizará el modelo de decisión para analizar casos reales de usuarios,
con diferentes características y necesidades, de forma que se puedan sacar
conclusiones de cuando conviene optar por un vehículo u otro, desde el
punto de vista económico.
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Caso 1
Se trata de un usuario que vive en un piso en el centro de ciudad, no
dispone de plaza de garaje por lo que aparca su vehículo en la calle. Va a
trabajar todos los días en coche, estando su trabajo en ciudad, por lo que el
uso del coche es mayoritariamente urbano, con un uso ocasional
extraurbano. Veranea tres semanas en la playa, situada a 400 km de su
ciudad, donde necesita un coche para moverse. Sin embargo, no le
importaría alquilar coche durante verano si así fuese más económico.
Recorre 10.000 km al año, y pretende conservar el coche durante por lo
menos 8 años.
Figura 5.4. Captura de pantalla de los cálculos y resultados en el modelo de decisión para el caso 1 Fuente: E laboración propia.
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Como se puede observar para este usuario, la mejor opción es optar por
el vehículo híbrido, no solo eso, sino que al finalizar los 8 años que como
mínimo desea tener el coche se habrá ahorrado 3380,26 € que de otra
forma se habría gastado en este periodo con el vehículo diésel equivalente,
y 5811,69 € con respecto al gasolina.
En cuanto al eléctrico, este nunca podría haber sido una opción pues al
no disponer de plaza de garaje, ya que tendría que estar recurriendo
continuamente a puntos de recarga públicos, por lo que realmente el
vehículo eléctrico es inviable. Aun considerando que la opción del eléctrico
es viable en ese sentido, las vacaciones de tres semanas en la playa, donde
necesitaría alquilar un vehículo inducen un sobrecoste más que importante
de unos 1800 euros al año. Esto provoca que el vehículo eléctrico no este ni
cerca de amortizarse en esos 8 años para ninguno de los modelos de
combustión, necesitando por ejemplo casi 29 años para realizar los
288692,68 km necesarios para amortizarlo con respecto al diésel, al ritmo
estimado de 10.000 km anuales.
Caso 2
Usuario que reside en un chalet en ciudad, y por lo tanto dispone de un
garaje donde instalar un punto de recarga. Trabaja en las afueras de la
ciudad, y dispone de otro coche para viajar. Realiza un total de 17.000 km al
año, y desea que el vehículo le dure un total de 15 años.
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Figura 5.5. Captura de pantalla de los cálculos y resultados en el modelo de decisión para el caso 2 Fuente: E laboración propia.
En este caso, la mejor opción es el eléctrico, ya que el usuario cumple
todos los requisitos para ello. Por un lado realiza un kilometraje diario
continuo menor que la autonomía, por otro dispone de otro vehículo para
viajar en verano, por lo que tener el eléctrico no supondría ningún
sobrecoste en este sentido, y además dispone de plaza de garaje donde
recargarlo. El único problema que podría dar es que desea mantener el
vehículo durante 15 años, que pueden ser muchos según la vida útil actual
de las baterías.
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En total, con esta decisión de optar por el eléctrico se ahorraría en los
15 años que quiere tener el vehículo 3779,77 € con respecto al diésel
equivalente, y 5770,47 € con respecto al gasolina. Además si comparamos
con el híbrido, al optar por el eléctrico estaría ahorrando 9527,11 € en 15
años.
Sin embargo hay que recordar que se está comparando coches bien
diferentes, por un lado comparamos el eléctrico e-Golf de unos 115 CV con
los modelos de gasolina y diésel de potencia y prestaciones más o menos
equivalentes, mientras que al compararlo con el Golf GTE, se está
comparando con un coche de casi el doble de potencia y con unas
prestaciones muy superiores a él en todos los aspectos. Por lo que está
diferencia económica no es del todo real.
Caso 3
Un usuario vive en la ciudad, y dispone de plaza de garaje. Va a trabajar
fuera de la ciudad, y en invierno todos los fines de semana que puede, sube
en coche a esquiar a los Pirineos, que están a unos 300 km de su casa. Se
trata de un conductor que por tanto le hace muchos kilómetros al año al
coche, en torno a 30.000 km, y que desea cambiarlo a los 4 años.
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Figura 5.6. Captura de pantalla de los cálculos y resultados en el modelo de decisión para el caso 3 Fuente: E laboración propia.
En este caso, no existe la posibilidad de vehículo eléctrico ya que por
mucho que el usuario disponga de garaje, y realice menos kilómetros diarios
sin interrupción, el hecho de que haga viajes largos todos los fines de
semana, hace que el coche eléctrico no sea una opción. En cuanto a la
mejor opción, en este caso es el híbrido, que se amortizaría en tan solo
52.541,99 km o lo que es lo mismo 1,8 años haciendo sus 30.000 km al año
con respecto al gasolina, y 73.992,91 km o 2,5 años respecto al diésel
equivalente.
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Caso 4
Una empresa de tratamientos de agua a nivel nacional, centralizada en
Madrid, dispone de un vehículo que utilizan sus empleados prácticamente
todas las semanas para realizar visitas de obra. En total el vehículo realiza
unos 35.000 km al año, como se puede imaginar, prácticamente la totalidad
de ellos por carretera. La empresa desea mantener el coche por lo menos 8
años.
Figura 5.7. Captura de pantalla de los cálculos y resultados en el modelo de decisión para el caso 4 Fuente: E laboración propia.
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190
En este caso resulta todavía más evidente que en el anterior, que la
mejor opción es el híbrido, debido a que el vehículo sería principalmente
utilizado para viajes largos, donde la autonomía del eléctrico es todavía muy
reducida, y el tiempo de recarga muy elevado para poder realizar viajes con
él. Por otro lado este elevado kilometraje anual, hace que los ahorros en
combustible anuales del vehículo híbrido sean muy altos en comparación
con los de combustión, lo que hace que el híbrido goce de unos tiempos de
amortización muy reducidos.
Con esta apuesta por el híbrido, la empresa se ahorraría los 5.334,95 €
que se hubiese gastado en el diésel, o los 11916,43 € en el gasolina, al
finalizar los 8 años que desea mantener el coche.
Caso 5
Por último, se analizará la situación de un taxista de una gran ciudad,
que realiza una media de 400 km al día, durante 6 días a la semana, esto es,
un total de unos 120.000 km al año. Además, a pesar del elevado número
de kilómetros anuales, el taxista quiere prolongar la vida de su coche hasta
los 8 años como poco. Por otro lado, el taxista podría disponer de punto de
recarga en su plaza de garaje, si fuese necesario. Además el taxista, cansado
de conducir todo el año no utiliza su coche para irse de vacaciones.
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Figura 5.8. Captura de pantalla de los cálculos y resultados en el modelo de decisión para el caso 5 Fuente: E laboración propia.
Para el caso del taxista, este estudio tiene especial importancia, dado
que el número de kilómetros es tan elevado. Como se puede ver en los
cálculos y resultados del modelo de decisión, lo mejor a día de hoy para los
taxistas es optar por los vehículos híbridos, sin ir más lejos, una prueba de
ello es la gran cantidad de Prius que hay en la flota de taxis de Madrid.
Observando los resultados, se concluye que los taxistas que opten por un
vehículo híbrido ganarán 33831,47 € más en 8 años que los que hayan
optado por un modelo diésel, y 73436,56 € más que los que hayan optado
por el gasolina.
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Económico, Energético y Medioambiental
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El eléctrico es todavía no es una opción debido a que una vez que se
agote la autonomía no pueden estar esperando horas y horas hasta que
carguen de nuevo, ya que dejarían de ganar dinero en una buena parte del
día. La recarga rápida en este sentido vendría bien, ya que le permitiría a los
taxistas recuperar gran parte de la energía en unos pocos minutos, sin
embargo, como ya se comentó, la recarga rápida debe usarse de manera
muy puntual ya que reduce considerablemente la vida útil de las baterías.
De esta forma, hasta que se mejoren una de dos, la autonomía o los
tiempos de carga, los eléctricos no serán una opción real para taxistas de
grandes ciudades.
En concreto, el caso del taxista tiene especial interés no solo en lo
económico ya que, con la gran cantidad de kilómetros que hacen al año y en
ciudad, y teniendo en cuenta todos los taxistas que hay, pueden tener un
gran impacto a la hora de reducir la contaminación en las ciudades. Además
de por supuesto contribuir a reducir la dependencia energética de muchos
países.
Comparativa casos y conclusiones
Estudiando todos los casos analizados, resulta lo que ya se había
comentado, el eléctrico a día de hoy tiene un mercado muy limitado. Esto
se debe, a que tiene dos factores limitantes muy importantes: la autonomía
y el tiempo de recarga. Por un lado tiene una autonomía muy limitada, lo
que imposibilita viajes largos por carretera. Siempre cabe la posibilidad,
siempre que no se traten de viajes muy frecuentes, de realizarlos por
medios alternativos, alquilando coche ahí si fuese necesario. Esta modalidad
sin embargo tiene un sobrecoste altísimo en cuanto tengas que alquilar
unos cuantos días, dificultando seriamente la amortización de estos
vehículos frente a los de combustión y al resto de alternativas. El otro factor
limitante más destacado es el tiempo de recarga, muy relacionado con lo
comentado anteriormente, imposibilita más aun los desplazamientos largos,
pues si aunque se tuviese una autonomía corta se recargasen las baterías en
pocos minutos, todavía se podría viajar. Además para poder plantearse la
adquisición de un vehículo eléctrico se tiene que tener una plaza de garaje
que tenga la posibilidad de instalar un punto de recarga, pues de otra forma
es inviable.
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193
Por tanto, para que sea posible y rentable la compra de uno de estos
vehículos, el usuario tiene que cumplir unas características mínimas
bastante restrictivas. Estas son las siguientes: el desplazamiento máximo
diario y sin interrupción tiene que ser menor que la autonomía máxima del
vehículo, el usuario debe disponer de otro vehículo cuando desee hacer
trayectos largos, o utilizar medios alternativos con el posible sobrecoste de
estos. El usuario deberá disponer también de un lugar donde instalar un
punto de recarga, y por último el usuario debe realizar un kilometraje anual
elevado, y durante un numero considerablemente alto de años para que sea
posible su amortización. Si no cumple cualquiera de estos factores, el
vehículo eléctrico no puede ser considerado como una opción.
Por otro lado, el vehículo híbrido es más flexible, pues no depende
únicamente de la propulsión eléctrica, y tiene un sobrecoste inicial mucho
menor que el eléctrico, lo que facilita mucho la amortización de estos
vehículos, si bien es cierto que tampoco gozan de tantas ventajas
económicas como los eléctricos. Además, los híbridos enchufables tienen la
ventaja de poder funcionar los primeros kilómetros únicamente en
funcionamiento eléctrico. Así estos vehículos son perfectos para aquellos
usuarios que recorran diariamente una distancia inferior a esa autonomía
eléctrica inicial, pero que también usen el vehículo para largos viajes,
disponiendo de autonomías combinadas a la altura de los vehículos
convencionales.
Según el estudio realizado, a día de hoy es muy difícil que
económicamente salgan rentables los vehículos de combustión, solo
resultando en casos muy particulares en los que se realicen muy pocos
kilómetros al año y se cambie de vehículo rápidamente, no dando tiempo al
ahorro de combustible, mantenimiento, seguro, etc. a amortizar los
vehículos eléctricos o híbridos.
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Económico, Energético y Medioambiental
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6. Estudios futuros
Tras realizar el análisis del impacto económico, energético y
medioambiental de las tecnologías híbrida y eléctrica frente a las
convencionales, ambas se presentan como una seria alternativa frente al
petróleo. Esta fuente ha sido utilizada principalmente en el mundo de la
automoción durante más de un siglo, y parece que, durante los últimos
años, más fabricantes y clientes vislumbran en estas tecnologías alternativas
el futuro de la automoción y el transporte.
Como se analizará más a fondo en las conclusiones, tecnologías híbrida y
eléctrica ofrecen periodos de amortización no muy elevados dando
viabilidad económica a los vehículos. Sin embargo, existen una serie de
impedimentos técnicos que hacen que ambas tecnologías, pero sobretodo
la eléctrica, no se hayan terminado de imponer en el mercado.
El primer impedimento siempre han sido las baterías, elementos muy
pesados y cuya duración y tiempos de recarga dejan mucho que desear. Por
otro lado, la infraestructura asociada a la recarga de los vehículos eléctricos
o híbridos enchufables es muy limitada. Por último, los vehículos híbridos y
eléctricos tienen bajas prestaciones dinámicas a favor de un impacto
medioambiental bajo. Aquellos vehículos con prestaciones dinámicas
elevadas cuentan con precios de partida muy elevados.
Por tanto, como posibles estudios futuros se proponen los siguientes; en
primer lugar, la mejora de las baterías y tiempos de recarga. A continuación,
la mejora de la infraestructura y recarga, siendo las baterías intercambiables
una seria opción. Por último, un cambio en el mercado que tenga más en
cuenta las prestaciones, acaparando el público que busca más que la
eficiencia.
6.1 Baterías
Las baterías son el elemento principal en este tipo de vehículos a
estudiar, almacenando la energía que posteriormente será convertida en
trabajo mecánico. Sin embargo, tanto la densidad de carga de las mismas
como su precio siempre han sido su principal hándicap.
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196
En la Figura 6.1 se puede observar como el precio ha ido descendiendo
con el avance de la tecnología y de los años. Y aunque sigue siendo un
desembolso elevado, no conforma la desventaja principal de las mismas,
que es la densidad de carga.
Figura 6.1. Evolución del precio de las baterías de ion-Litio de los coches Fuente: Journal ist’ s Resource. E lectr ic vehicles, battery technology and renewable energy:
Research roundup.
La densidad de carga determina, principalmente, la posible autonomía
eléctrica que tendrá el vehículo en cuestión. Por tanto, si se mejora este
parámetro, se mejorará enormemente la posibilidad de imponer estas
tecnologías a las alternativas.
De este modo, las baterías basadas en el grafeno se muestran como el
camino principal de investigación y principal estudio futuro de este
proyecto. Para ello se sustituyen las baterías convencionales por
supercondensadores de grafeno, el cual almacena la energía en forma de
electricidad estática. Al evitar que la carga se genere a partir de reacciones
físico – químicas, siendo generada a partir de variaciones de la electricidad
estática, los tiempos de recarga se reducen drásticamente. Otra ventaja del
grafeno es su mayor energía específica, por lo que con el mismo peso con
respecto a las baterías convencionales, se podría obtener mayor cantidad
de energía, que se traduce en mayor autonomía.
Por tanto, y como se dijo anteriormente, los principales problemas
asociados a las baterías convencionales son la autonomía y tiempos de
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197
recarga. De esta forma, el grafeno se presenta como el gran avance que
hará que ambos hándicaps desaparezcan, llegando a mejorar las
prestaciones de los vehículos convencionales.
Gracias al grafeno, los investigadores son optimistas y aseguran tiempos
de recarga en torno a los 4 minutos, mientras que Volkswagen es optimista
y asegura autonomías de 600 km para el año 2020. Por tanto, la línea
principal de investigación y futuros estudios se encuentra en el grafeno
siendo descrito en este apartado relacionado con las baterías.
6.2 Infraestructura de recarga. Baterías intercambiables
Como se ha visto en el apartado anterior, el grafeno se presenta como el
futuro de los vehículos basados en la tecnología eléctrica. Sin embargo, más
a corto plazo se debe seguir lidiando con los altos tiempos de recarga de las
baterías convencionales y la deficiente infraestructura asociada a estas
recargas.
En primer lugar, en la Figura 6.2 se puede observar una zona del mapa
de las estaciones de recarga de vehículos eléctricos. Si se desea hacer un
viaje al litoral sur por la A-4, y sin desviarse por el camino, se deberían
recorrer aproximadamente 330 km desde Madrid, valor mucho más elevado
que la autonomía de la mayor parte de los eléctricos. Los modelos de Tesla
tienen elevadas autonomías, pero dichos modelos cuentan con precios
prohibitivos para prácticamente la mayor parte de la población.
Por tanto, y como se debe diseñar una infraestructura para la mayor
parte del parque móvil, habría que aumentar y construir puntos de recarga
en las principales vías de desplazamiento de ámbito nacional, esto son, las
autopistas nacionales y peajes. De esta forma, se propone como otro
posible estudio futuro un nuevo estudio técnico económico para ampliar la
red nacional de puntos de recarga así como un abaratamiento de los
dispositivos de carga rápida.
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198
Figura 6.2. Mapa de las estaciones de recarga en la zona al sur de Madrid Fuente: E lectromaps
Dentro de los tres tipos de cargadores se encuentran el de recarga
convencional, carga semi-rápida y carga rápida, con tiempos de recarga de
aproximadamente 8, 4 horas y 15 minutos (60% carga) respectivamente.
Este último tipo se postula como algo que puede hacer viable los
“repostajes” con un tiempo de espera prudencial, sin embargo, su precio y
elevadísima potencia consumida lo hacen inviable.
Por tanto, como posible estudio futuro se propone el diseño de una
estación de recarga rápida con un consumo eléctrico e inversión
económicas moderadas, que permitan la ampliación de la red eléctrica de
recarga de vehículos.
Por último en cuanto a la infraestructura de recarga, el intercambio de
baterías se presenta como una seria opción. La idea es generar una
infraestructura de estaciones de intercambio, como las estaciones de
servicio y gasolineras en los vehículos convencionales, que mediante un
rápido cambio en las baterías permitiera a vehículo continuar con su
trayecto. En este punto son dos los inconvenientes principales. El primero
es la universalización de los sistemas de baterías en todos los vehículos,
permitiendo que solo exista un tamaño de las mismas. Por otro lado, la
enorme inversión en infraestructura eléctrica que requieren puntos de
recarga donde se recargan tal cantidad de baterías. De esta forma, el
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posible estudio futuro es el estudio técnico y económico para comprobar la
viabilidad de normalizar las baterías a todos los vehículos, para poder llevar
a cabo el intercambio en diversas estaciones de recarga.
6.3 Mejora en las prestaciones dinámicas
Existe una parte de la clientela automovilística que, aparte de buscar
eficiencia económica, también busca que el vehículo tenga un
comportamiento dinámico deportivo.
El principal problema de esto es que, a mayores prestaciones, menor
autonomía eléctrica o mayor consumo de combustible en el caso de los
híbridos.
De esta forma, como último estudio futuro, pero no menos importante,
es el desarrollo de un estudio técnico y económico de mejorar las
prestaciones dinámicas de los vehículos así como un estudio del mercado,
de manera que dichas mejoras abarquen un mayor público que el existente
actualmente.
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7. Conclusiones
Los resultados obtenidos son en todos los sentidos positivos en cuanto a
las alternativas eléctrica e híbrida. Desde el punto de vista económico,
ambos requieren periodos de amortización no muy elevados dando
viabilidad económica a estos vehículos. Sin embargo, existen una serie de
impedimentos técnicos que hacen que ambas tecnologías, pero sobretodo
la eléctrica, no se hayan terminado de imponer en el mercado. Estos están
principalmente en las baterías, que con sus reducidas autonomías y
elevados tiempos de recarga, hacen que los vehículos eléctricos estén
destinados a día de hoy a un sector del mercado bastante específico. Estos
usuarios, además de no utilizar el vehículo para viajes largos, su recorrido
diario continuado debe ser menor que la autonomía del vehículo, y además
debe tener una plaza de garaje donde pueda instalar un punto de recarga.
En lo referido al estudio del impacto energético, los vehículos eléctricos
para recorrer cada kilómetro requieren una inversión energética mucho
menor que los de combustión y las otras alternativas. En concreto para los
modelos estudiados, para cada kilómetro el eléctrico requiere una energía
unas 7, 18 y 21 veces menor que la requerida para cada kilómetro de los
vehículos híbridos, diésel y gasolina respectivamente. En cuanto al híbrido,
sigue aportando una reducción energética importante con respecto a los
modelos de combustión, aun siendo bastante inferior a la del eléctrico.
Por el lado medioambiental, los eléctricos e híbridos vuelven a aportar
una mejora considerable, aun considerando las emisiones producidas por la
generación de la electricidad utilizada. En este sentido, destacan sobretodo
en la reducción de las emisiones locales, o su eliminación en el caso de los
eléctricos, siendo estas las más importantes pues son emitidas en la ciudad,
donde las consecuencias son mayores. Mientras que por otro lado, las
emisiones producidas para la generación de la electricidad se produce
precisamente donde estén esas fuentes, generalmente alejadas de las
grandes ciudades.
En cuanto a los vehículos de hidrógeno, la falta de datos en el sector
automovilístico hace que no se haya podido evaluar por completo esta
tecnología. No obstante, todo apunta a que se trata de una evolución del
vehículo eléctrico, pues tiene unas prestaciones muy parejas, o incluso algo
superiores en particular para estos modelos, a la vez que soluciona los
problemas de autonomía y tiempo de recarga de los vehículos eléctricos.
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Alternativas al Automóvil Convencional – Conclusiones
202
Además, mantiene las cero emisiones locales del eléctrico, y elimina
también el problema del efecto memoria de las baterías de los eléctricos.
Todo esto, manteniendo las ventajas del motor eléctrico, es decir, un
elevado rendimiento, par máximo desde bajas revoluciones, etc. Sin
embargo, presenta a día de hoy dos importantes inconvenientes que le
hacen no ser una alternativa real: su elevado precio de adquisición y la
reducida infraestructura de repostaje de hidrógeno.
Por otro lado, esta alternativa tiene una gran dependencia con la forma
de obtención y almacenamiento del hidrógeno por la que se opte. En este
sentido, en la mayoría de las veces, hay conflictos de interés, pues el
método de producción más económico no es precisamente el más
respetuoso con el medioambiente ni tampoco tiene porque ser el más
viable energéticamente. Y es precisamente en este ámbito donde se deben
centrar las investigaciones para que el vehículo de hidrógeno resulte más
económico, y con menores impactos energético y medioambiental.
Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI)
Alternativas al Automóvil Convencional – Referencias
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