El vehículo eléctrico E-Book

Sociedad de Técnicos de Automoción (STA)

• Herausgeber: Librooks
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2021

Seitenzahl: 364

Beschreibung

La revolución tecnológica, energética y social que supondrá la implantación del vehículo eléctrico es casi una realidad. Para anticiparse a las exigencias futuras del nuevo parque automovilístico, imásImásD ha contado con la Sociedad de Técnicos de Automoción y con la contribución de los mejores especialistas que, de forma didáctica y con la ayuda de ilustraciones a color, describen los detalles del cambio pensando en todos los actores involucrados: - Procesos y componentes para facilitar la adaptación de las empresas del sector y el reciclaje de ingenieros y técnicos de la automoción - Cuestiones de seguridad, mantenimiento y reglamentación específica para fabricantes, mecánicos y talleres de reparación - Condicionantes ambientales y económicos para una mayor sostenibilidad energética tanto en el ámbito del transporte público como privado - Infraestructuras de recarga, una nueva vía de negocio para instaladores, grandes superficies, hoteles, parkings, compañías eléctricas, petroleras y constructoras - Recomendaciones profesionales para adaptarse, reciclarse y aprovechar las oportunidades que brindará la implantación del vehículo eléctrico. Este volumen reúne el material indispensable para afrontar con éxito una revolución que ya está aquí.

Leseprobe

Con el patrocinio de:

Información, contenidos y servicios complementarios en nuestro microsite temático dedicado al vehículo eléctrico: http://vehiculoelectrico.librooks.es

Sumario

PRÓLOGO

PRESENTACIÓN

INTRODUCCIÓN

Historia

El motor de combustión: su primera victoria

Los pioneros del VE

Nace el primer híbrido

Los eléctricos no arrojan la toalla

¿Y el futuro?

Por qué vehículo eléctrico

La cuestión energética

Introducción a la electrificación de vehículos

Cambio tecnológico

Cambio energético

Cambio social

Tipología de módulos de propulsión y arquitectura general del vehículo

VEHÍCULO ELÉCTRICO

Motores eléctricos. Tipología y funcionamiento

Requisitos del motor eléctrico

Sensaciones de la conducción

Rendimiento y eficiencia energética

La entrega de par

Tipos de motor eléctrico

Motor de continua

Motor síncrono

Motor asíncrono

Motor de reluctancia conmutada

Motor de flujo axial

Conclusiones

Electricidad y electrónica

Evolución de la electrónica

Electrónica de potencia

Convertidores estáticos de energía eléctrica

Variadores de velocidad

Convertidor DC/DC

Tomas de corriente

Electrónica de control

Control convencional

Control para vehículos con tracción eléctrica

EMS (Energy Management System)

Seguridad intrínseca en la electrónica de control

Compatibilidad electromagnética

Conceptos previos

Generadores, receptores y acoplamiento de las EMI

Sistemas de recuperación de energía

La electricidad, principal energía de nuestro tiempo

Soluciones de almacenamiento

Cómo elegir una batería

Tipos de baterías

Plomo-ácido

Níquel-cadmio (Ni-Cd)

Níquel-hidruro metálico (Ni-MH)

Ión-litio (Li-ion)

Zinc-aire

Zebra

Supercondensadores

Importancia de la recuperación de energía

Cargas/descargas

Estandarización y reciclaje

Conclusiones

Adaptación de la estructura y carrocería a la nueva arquitectura

Diseño de nuevas arquitecturas: motivos de cambio y posibles soluciones

Baterías

Motor

Confort

Transformación de arquitecturas de vehículos existentes

Seguridad. Nuevas consideraciones

Efectos de una descarga eléctrica

Riesgo sobre los equipos y las personas

Elementos de protección

Protección contra el cortocircuito

Tipo de tierra y neutro

Protección contra la corriente de falta o derivación de masa

La seguridad en vehículos eléctricos según las normas de la IEC

Procedimientos de trabajo eléctricos con y sin tensión

Electricidad estática

Mantenimiento y reciclaje

Dos tipos de mantenimiento…

…y dos tipos de componentes

Mantenimiento del motor eléctrico

Mantenimiento de las baterías

Mantenimiento del sistema de transmisión

Reciclaje profesional de talleres y mecánicos

Emergen nuevas oportunidades de negocio

La necesidad de reparar

Fomentar el reciclaje

Reutilización de las baterías

Confort

Ruidos y vibraciones

Tracción eléctrica

Frenada regenerativa

Comportamiento dinámico

Aire acondicionado, radio, luces…

Interfaz

Homologación de vehículos. Aplicación a vehículos eléctricos

Introducción

Reglamentación y procedimientos de homologación

Homologación de vehículos eléctricos

Reglamentación específica para VE y reglamentación general particularizada a VE

Reglamento 100: homologación de vehículos eléctricos

Reglamento 10 ECE: compatibilidad electromagnética de vehículos

Reglamentos 13 y 13H ECE: frenado de vehículos de turismo y comerciales

Reglamento 79 ECE: sistema de dirección

Reglamento 85 ECE: potencia

Reglamentos 94 y 95 ECE: choque frontal y lateral

Reglamento 101 ECE: consumo de combustible y emisión de CO2

Directivas 2000/53 y 2005/64

Otras reglamentaciones

OTRAS ARQUITECTURAS Y APLICACIONES

Vehículo híbrido e híbrido enchufable

Dimensionar la potencia máxima

Vehículo híbrido eléctrico

Mycro Hybrid

Mild Hybrid

Full Hybrid (HEV)

PHEV-RE

Híbridos enchufables y no enchufables

Conclusiones

Tecnología híbrida en autobuses

¿Por qué hibridar un autobús? Justificación del proyecto

Desarrollo técnico

Selección de los motores

Selección de los ultracaps

Modificaciones electrónicas

Integración de los elementos

Motocicleta eléctrica

Razones de una baja popularidad

Tipologías de motocicletas

Conclusiones

INFRAESTRUCTURAS DE RECARGA

La reinvención de la movilidad

El sistema eléctrico español y la nueva movilidad eléctrica

Potencia y energía para la nueva movilidad

Resistencias al movimiento y cálculo de potencia del vehículo

Nuevas demandas a la red eléctrica

Sistemas, aplicaciones y modos de recarga de los vehículos eléctricos

Clases de cargadores y modos de recarga

Infraestructuras de recarga

Equipos para las viviendas unifamiliares

Flotas de empresas

Aparcamientos en garajes públicos con plazas fijas y en rotación

Infraestructuras en la vía pública

Edificios y aparcamientos en multipropiedad

Electrolineras

Protecciones y posibles afectaciones sobre la red de distribución

Nuevos gestores de recarga y algunos escenarios de futuro

ANEXOS

Glosario

Índice de tablas, gráficos y figuras

Bibliografía

Webs de interés

Créditos fotográficos

Prólogo

En los últimos años los vehículos eléctricos han dejado de ser considerados una quimera para convertirse en una prometedora realidad. A finales de 2010 alrededor de una treintena de modelos de este tipo de vehículos estaban listos para circular por las calles y carreteras de diversos países, y las expectativas son que esta cifra se incremente hasta cerca de setenta este mismo año y a algo más de un centenar el próximo. Sin duda, todavía es demasiado pronto para conocer el nivel de demanda de estos vehículos, aunque los de gama alta parecen haber experimentado una fuerte demanda en los últimos meses y en algunos países ya existen listas de espera para su compra. Al mismo tiempo, numerosas compañías han anunciado en diversas partes del mundo su voluntad de dotarse de flotas de negocios integradas por vehículos eléctricos, lo que en los próximos años podría suponer unos compromisos de compra de cientos de miles de unidades. Y tampoco puede olvidarse que los objetivos gubernamentales apuntan, a escala global, a más de 1 millón de vehículos en 2015 y a 7 millones en 2020. Los principales responsables de la previsible penetración futura a gran escala del vehículo eléctrico son el aumento de los precios del petróleo, las crecientes preocupaciones sobre la seguridad en el abastecimiento de este hidrocarburo y las repetidas advertencias de los científicos sobre la necesidad de reducir las emisiones de CO2 como única vía para estabilizar y mitigar el cambio climático global.

Respecto a esta última cuestión, cabe recordar que el Panel Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático de Naciones Unidas (IPCC) afirma que si para 2050 queremos limitar el aumento de la temperatura media global a 2-2,4 °C debemos reducir las emisiones globales de CO2 en al menos un 50% respecto a los niveles del año 2005. Unos objetivos que según el Escenario Blue Map, desarrollado por la Agencia Internacional de la Energía en su publicación Energy Technology Perspectives 2010, pasan por la reducción en un 23% de las emisiones globales relacionadas con el sector del transporte, mediante el despliegue de tecnologías, ya existentes o de nuevo cuño, bajas en carbono. Estas tecnologías conducentes a la decarbonización del sector del transporte conllevan una fuerte mejora de la eficiencia, la sustitución progresiva de los derivados del petróleo por otros combustibles de muy bajo contenido en carbono, y también la introducción de vehículos eléctricos. A escala mundial, los objetivos de ventas anuales del escenario comentado son: 7 millones para 2020 (calculados sobre la base de una oferta de 70 modelos diferentes a razón de una ventas de 100.000 unidades cada uno), 30 millones para 2030 (150 modelos con unas ventas medias de 200.000 unidades) y 100 millones para 2050 (400 modelos con unas ventas medias de 250.000 unidades).

A nadie se le escapa que alcanzar estos objetivos supone un desafío colosal que requiere de una estrecha colaboración entre gobiernos e industria privada en aspectos tan importantes como la concreción de grandes inversiones en infraestructura de recarga, el despliegue decidido de políticas de promoción de los vehículos eléctricos, lograr que éstos sean competitivos en lo relativo a costes y la puesta en práctica de intensas campañas de información para ayudar a los consumidores a entender estas nuevas tecnologías y los beneficios que de ellas se derivan.

Ciertamente, en la actualidad, además de una recarga más dificultosa y de una menor autonomía, los vehículos eléctricos presentan, en comparación con los convencionales impulsados por un motor de combustión interna, el problema fundamental de su mayor coste. Pero, al margen de que en los próximos años es probable que éste se reduzca, a medida que aumente la escala de producción de baterías y avance la tecnología, no podemos olvidar que las previsiones de precios del petróleo no son nada halagüeñas.

Así, por ejemplo, en su último World Energy Outlook, 2010, la Agencia Internacional de la Energía presenta tres escenarios sobre la evolución futura de los precios del petróleo.

El primero, denominado de «Políticas Actuales», porque proyecta a dónde nos conduce la rutina actual, prevé unos precios promedio para la cesta de crudos de importación de los países industrializados que en términos reales (dólares de 2009) alcanzarían los 110 dólares por barril en 2020 y los 135 dólares en 2035. En términos nominales, es decir, sin tener en cuenta correcciones de la inflación, los precios citados para 2020 y 2035 se convertirían en 172,7 y 243,8 dólares, respectivamente.

El segundo escenario, o de «Nuevas Políticas», difiere del anterior en que asume que todos los compromisos y planes anunciados por los gobiernos del mundo en lo relativo a la reducción de gases de efecto invernadero y la eliminación de subsidios a los combustibles fósiles acabarán cumpliéndose. En este escenario, considerado por la Agencia Internacional de la Energía como su escenario base o de referencia, los precios reales (en términos de 2009) del barril de petróleo evolucionarían de 99 dólares en 2020 a 113 dólares en 2035. Unos guarismos que expresados en términos nominales equivaldrían a 127,1 y 204,1 dólares, respectivamente.

El tercer escenario se denomina «450» porque parte de la base de que los gobiernos del mundo adoptarán un abanico de drásticas medidas conducentes a limitar a 450 partes por millón equivalentes de CO2 la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera, lo que garantizaría con un 50% de probabilidad que la temperatura media del planeta no aumentaría en más de 2 °C. En este escenario voluntarista se contempla una caída en la demanda global a partir de 2020, de modo que este hecho tendría un efecto inmediato sobre los precios del barril que en términos reales (dólares de 2009) se cotizaría a 90 dólares en 2020, para después mantenerse estable en este nivel hasta 2035. Expresados en dólares nominales estaríamos hablando de 115,6 dólares en 2020 y de 162,6 dólares en 2035.

Así, está claro que en cualquier escenario la era del petróleo barato se ha acabado. Sobre todo si tenemos en cuenta que desde mediados de la década de los ochenta hasta 2003 el precio del barril osciló entre los 20-30 dólares reales de 2009.

No es el momento de exponer detalladamente las razones que justifican los escenarios de estos altos precios. Quizá baste con recordar una de las conclusiones de un reciente informe del National Petroleum Council que nos dice que: «el mundo no se está quedando sin recursos fósiles, pero el aumento continuado de la extracción de petróleo a partir de fuentes convencionales presenta cada vez más riesgos y éstos constituyen un serio obstáculo para asegurar la demanda a medio plazo».

Para ir acabando y recalcar la importancia crucial que desde mi punto de vista tendrá el vehículo eléctrico en el futuro, permítanme recordarles un simple dato que sin duda debería hacernos reflexionar: las importaciones de productos energéticos fueron las responsables de cerca del 66% de todo el déficit comercial de España en 2010; en concreto, nuestra factura en compras de petróleo arrojó un déficit de 25.512 millones de euros. No hay duda de que es urgente rebajar dicha deuda. Y ello pasa por el vehículo eléctrico.

Mariano Marzo

Catedrático de Recursos Energéticos de la Universitat de Barcelona

Presentación

Aunque el vehículo eléctrico ya es una realidad tecnológica, todavía no es una alternativa a corto o medio plazo que pueda sustituir al vehículo con motor de combustión interna. En este sentido, tanto los híbridos como los puramente eléctricos serán durante los próximos años vehículos complementarios, ya que estos últimos están sujetos a las limitaciones de autonomía de las baterías y al tiempo de recarga, factores que condicionan su plena implantación.

El impulso que ha recibido el vehículo eléctrico en los últimos tiempos no sólo está relacionado con la necesidad de reducir la dependencia de los combustibles fósiles sino que también está ligado a los avances realizados en materia de capacidad de carga de las baterías. La aparición de dispositivos electrónicos como ordenadores portátiles y teléfonos móviles, entre otros, ha impulsado la investigación en este campo y favorece de esta manera la viabilidad de los vehículos eléctricos. En realidad, éstos existen desde hace muchos años, sobre todo en determinados sectores con flotas que no requieren grandes velocidades ni recorren grandes distancias —como las camionetas de reparto de la leche en el Reino Unido, por ejemplo—, si bien las baterías han sido un factor limitador para su aplicación a gran escala.

Tradicionalmente, la tracción eléctrica también se ha aplicado en el transporte público ferroviario —incluso con locomotoras diésel/eléctricas—, pero en este caso sin las limitaciones de peso ni de espacio para las baterías y con los vehículos conectados a un sistema de alimentación permanente. Además, un ferrocarril suele tener un funcionamiento muy regular, con arranques y frenadas controlados, mientras que el tráfico urbano no es así y necesita más capacidad de aceleración en tiempos cortos, una gran exigencia en el caso de pendientes, condiciones de tráfico variables, etcétera.

Los avances de los últimos veinte años en electrónica y control de la potencia, así como en informática aplicada a los sistemas de conducción, también han sido determinantes para mejorar la tecnología del vehículo eléctrico. Asimismo, los sistemas de carga y descarga de las baterías requieren un control electrónico de precisión para operar de manera correcta. La suma de todos estos factores, añadida a la coyuntura energética actual —peak oil, reservas petrolíferas, reducción de las emisiones de CO2— han sido los desencadenantes del resurgir del vehículo eléctrico.

El vehículo eléctrico presenta una clara ventaja ambiental, al no generar, localmente, las emisiones contaminantes que sí produce el motor de combustión, ni tampoco la contaminación acústica. Teniendo en cuenta que en la actualidad dos terceras partes de la población mundial viven en núcleos urbanos, eso supone un beneficio considerable, pues evita los contaminantes perjudiciales para la salud así como los gases de efecto invernadero.

Ahora bien, es fundamental conocer el sistema de generación de la energía eléctrica, ya que si el porcentaje más alto proviene de centrales térmicas que utilizan carbón o derivados del petróleo, la emisión de compuestos contaminantes y CO2 es muy elevada, independientemente de su ubicación. Éste es un aspecto a tener muy en cuenta cuando se trata del vehículo eléctrico. Si en el caso de los motores térmicos consideramos todo el ciclo well to wheel (del pozo a la rueda), también deberíamos hacerlo en el del vehículo eléctrico y analizar el comportamiento ambiental desde la central de generación a la rueda.

El concepto «cero emisiones» sólo es cierto a nivel local, donde se utiliza el vehículo, pero en el conjunto del ciclo, el nivel de emisiones depende de la tecnología aplicada para producir electricidad. En la actualidad, este valor todavía es irrelevante dada la poca presencia de vehículos eléctricos, pero a la larga será una cuestión a tener muy en cuenta.

En cualquier caso, en términos de rendimiento global, el sistema de generación de energía, almacenamiento y propulsión del vehículo eléctrico es mucho más eficiente que el del motor térmico. Por lo tanto, aportará muchas ventajas en las ciudades, pues buena parte de los usuarios de vehículos privados en Europa —más de un 80%, según las estadísticas— recorren menos de 60 kilómetros al día, fundamentalmente en áreas urbanas y periurbanas. Es una distancia que podrán asumir sin problemas la mayoría de los vehículos eléctricos que se comercializan en la actualidad.

Sin embargo, desde la perspectiva del ciudadano, el precio del vehículo eléctrico sigue siendo demasiado elevado en comparación con el de uno térmico de la misma gama, incluso puede llegar a duplicarlo. Aunque el coste de la energía pueda ser hasta tres o cuatro veces inferior al de combustión, y que en pocos años el ahorro energético permita amortizar buena parte de dicho sobrecoste, el ciudadano suele basar su decisión en el precio inicial. La autonomía y la recarga de las baterías, así como la disponibilidad de una red de «electrolineras» por todo el territorio, son otros factores que influyen en la decisión individual dado que, por el momento, no constituyen una opción competitiva frente a la facilidad con la que se llena el depósito de carburante en los motores térmicos.

En efecto, son muchas las marcas que ya están comercializando o están a punto de lanzar al mercado vehículos eléctricos, con autonomías de unos 160 kilómetros nominales, pero hay que acelerar la implantación de infraestructuras de recarga que faciliten el uso y, por consiguiente, promuevan su elección por parte de los ciudadanos. Ateniéndonos a las perspectivas de crecimiento del parque de vehículos eléctricos en los próximos diez años, la red eléctrica no será un problema, ya que no se prevén situaciones de saturación, según apuntan las compañías eléctricas. Si la transición se gobierna de manera correcta, introduciendo redes inteligentes y aprovechando las horas valle nocturnas, por ejemplo, la recarga no debería afectar al sistema eléctrico, salvo en el caso de algunos territorios que pudieran tener ciertas carencias en este sentido.

El modelo de ciudad también será determinante, porque en los países donde buena parte de la población vive en vertical y no en horizontal, la implementación de los sistemas de conexión en edificios ya existentes resultará más compleja en comparación con aquellos territorios en los que predominen las viviendas unifamiliares. En este sentido, la reglamentación que se está desarrollando para nuevas construcciones prevé la instalación de puntos de recarga en los aparcamientos. Pero es un proceso que requiere tiempo, aunque el vehículo eléctrico y todos los elementos complementarios sean ya una realidad tanto para uso privado como comercial.

Desde la Sociedad de Técnicos de Automoción queremos contribuir a esta importante revolución tecnológica y social con la publicación del presente libro. Hemos reunido la experiencia de los mejores profesionales implicados en la transición hacia el vehículo eléctrico y hemos plasmado todo su saber para poner a disposición del lector un retrato de la realidad actual y las expectativas de futuro de un tema en plena ebullición, que sin duda seguirá evolucionando a pasos de gigante en los próximos tiempos.

Rafael Boronat

Presidente de la Sociedad de Técnicos de Automoción

INTRODUCCIÓN

Historia

Por qué vehículo eléctrico

Introducción a la electrificación de vehículos

Tipología de módulos de propulsión y arquitectura general del vehículo

Historia

El vehículo eléctrico no es una novedad dentro de la dilatada vida del automóvil. Si se echa la vista atrás, hubo un período en la historia en el que el motor eléctrico, el motor de combustión y el motor de vapor estaban a un nivel de prestaciones semejantes, compitiendo cada cual por ser el ganador en la carrera para la propulsión de los vehículos.

Gustave Trouvé fue el primero en ensamblar un vehículo eléctrico en 1881.

En el pasado hubo varios intentos de conseguir un vehículo que se moviera de forma autónoma, y uno de los primeros, si bien no se llegó nunca a construir, fue el que en 1680 ideó Sir Isaac Newton; era un vehículo propulsado a reacción por vapor de agua. Aun así, la idea de vehículo propulsado por un motor de vapor no se materializó realmente hasta 1769 de la mano de Nicholas-Joseph Cugnot. El principal problema del vehículo, que pesaba unas 4,5 toneladas, no se daba a la hora de ponerse en marcha, sino más bien cuando había que detener una inercia tan grande. A partir de este momento aparecieron alrededor del mundo diferentes vehículos propulsados por vapor. Un siglo más tarde, en 1858, Barsanti creó lo que puede considerarse el primer motor de explosión monocilíndrico. El motor estaba anclado a un banco y, aunque éste funcionase con una mezcla de hidrógeno y oxígeno, fue el primero en transformar el movimiento alternativo de un pistón a una rueda. Sin duda, uno de los acontecimientos más importantes en la historia del vehículo de combustión se produjo en 1876 gracias al doctor Nikolaus August Otto. Tras unos problemas relacionados con la patente, Otto se llevó la fama por inventar un motor que poco después dio origen al primer motor de combustión interna de 4 tiempos. En 1892 apareció el motor de encendido por compresión, basado en las investigaciones de Rudolf Diesel. Pero el tanto para el origen del motor eléctrico debe anotárselo Michael Faraday, que en 1821 ya construyó dos aparatos para producir lo que él llamó rotación electromagnética, y que actualmente conocemos como motor eléctrico.

EL MOTOR DE COMBUSTIÓN: SU PRIMERA VICTORIA

Tras tanta tentativa, el motor de combustión acabó imponiéndose como claro vencedor gracias a sus continuas mejoras, que lo llevaron a alcanzar niveles de rendimiento y consumo hasta entonces inverosímiles. Aun así, sus inicios no fueron tan idílicos como pueda parecer. Eran evidentes algunas desventajas con respecto a otros motores, era sucio, ruidoso, con muy bajo rendimiento, era monocilíndrico, lo que obligaba a montarle un gran volante, tenía poca potencia y eran necesarios conocimientos de mecánica tanto para hacerlo funcionar como para hacer frente a cualquier problema técnico. En cambio, el vehículo con tracción eléctrica era muy sencillo de manejar, limpio, no producía humos y en ocasiones era montado en vehículos con carrocerías cerradas. Su mayor problema en comparación con los vehículos de combustión interna era, y sigue siendo, la autonomía. La energía contenida en 1 kg de gasolina era 500 veces superior a la contenida en 1 kg de batería de plomo. Este problema hacía que un coche de unos 100 kg de peso necesitara 300 kg de baterías para conseguir una autonomía de 50 km a unos 40 km/h.

Vehículo eléctrico de Morrison, también conocido como el «Morrison Eléctrico».

LOS PIONEROS DEL VE

Pero si aparcamos por un momento al gigante del combustible fósil y estudiamos la trayectoria del que pretende abrirse camino en el mundo de la automoción, apreciaremos que los esfuerzos de la humanidad para conseguir un vehículo impulsado por energías renovables no han cesado. El primer hombre en ensamblar un vehículo eléctrico fue Gustave Trouvé, en Francia en el año 1881. Era un triciclo de 160 kg y 1/10CV. Dos triciclos más le siguieron en 1882, uno en Inglaterra, fabricado por William Edward Ayrton y John Perry, y otro en Estados Unidos, fabricado por Andrew L. Riker. No fue hasta 1890 que William Morrison construyó el primer vehículo eléctrico de cuatro ruedas en EE UU. Este vehículo, que corría por las calles de Chicago, no era más que una carroza adaptada con motores eléctricos, con un peso de 1931 kg, 3CV, una velocidad aproximada de 22 km/h y baterías de plomo. El propio William fundó la primera empresa que comercializó vehículos eléctricos, llamada Morris & Salomon.

El Jamais Contente fue el primer vehículo en superar los 100 km/h.

En años posteriores parece ser que los inventores o fabricantes de vehículos eléctricos se centraron un poco más en las características técnicas. En 1899, un vehículo llamado Jamais Contente, con una carrocería de aleación ligera en forma de torpedo, fue el primero en superar los 100 km/h pese a la gran carga aerodinámica que otorgaba la mala posición del piloto. Según fuentes de la época, el récord de velocidad en tierra fue establecido por este mismo vehículo, con una marca de 105,882 km/h —en Achères, Yvelines, cerca de París— a cargo del ingeniero Camille Jenatzy. Actualmente este vehículo está expuesto en el museo del automóvil de Compiègne, Francia. Paralelamente, en Viena, Jacob Lohner & Co. también produjo coches propulsados eléctricamente de 1898 hasta 1906. Uno de sus empleados, Ferdinand Porsche, desarrolló un sistema que montaba los motores directamente en las ruedas delanteras y gracias a esta simple idea minimizaba las pérdidas energéticas y reducía el número de partes móviles del coche aumentando su fiabilidad —sistema que en la actualidad se intenta conseguir, dadas sus ventajas—. Los vehículos de este tipo fueron conocidos como Lohner-Porsche. Cada motor disponía de 2,5CV de potencia, alcanzando en períodos cortos de tiempo los 3,5CV, logrando una potencia combinada de 7CV y ofreciendo unas prestaciones modestas, 15 km/h de velocidad de crucero y 50 km/h de velocidad máxima alcanzados después de un largo sprint.

Ferdinand Porsche desarrolló un motor eléctrico ubicado directamente en la rueda.

Lohner-Porsche con cuatro motores en rueda.

NACE EL PRIMER HÍBRIDO

Tras este primer vehículo, en 1900 se presentó lo que fue la sensación en la Exposición Universal de París: el Toujours Contente, sucesor del Jamais Contente de Camille Jenatzy, que integraba cuatro motores eléctricos en los bujes de las ruedas, cada uno de 12CV y con una autonomía entre 50 y 100 km. Ferdinand Porsche lo transformó en un híbrido en serie, utilizando un motor de combustión para cargar las baterías, aumentando así su autonomía. Esta tecnología encumbró a Porsche, que la bautizó con el nombre de mixte, y produjo más de 300 unidades de este vehículo.

Lohner-Porsche híbrido.

A partir de este momento, fueron muchos los fabricantes que apostaron por esa misma tecnología híbrida en serie. En EE UU, por ejemplo, había en 1905 más de 100 fabricantes de coches eléctricos. Un año más tarde, en la exposición de automóviles del Madison Square Garden de Nueva York, se presentaron 220 vehículos con motores de combustión interna, 25 con motores eléctricos y 10 con motores de vapor de agua. Las cifras muestran la clara apuesta de los fabricantes, pero aun así en las calles y carreteras dominaban los coches de propulsión eléctrica. Si atendemos a los reclamos publicitarios de la época, se observa que más que por cuestiones técnicas, parece que el vehículo eléctrico se imponía por cuestiones estéticas y en sociedades con alto poder adquisitivo, donde lo importante era que no hiciera ruido, que fuese limpio y fácil de utilizar para, por ejemplo, ir una noche a la ópera. Las aportaciones en este terreno fueron pocas, la autonomía seguía siendo el problema fundamental y, pese a los esfuerzos de los fabricantes e investigadores, su principal competidor seguía mejorando prestaciones a un ritmo imparable. La empresa más conocida de coches eléctricos, Detroit Electric (1907-1938), consiguió vender 1.500 unidades en 1910. Estos vehículos estaban dotados de dos motores, uno en cada eje, otorgando así una tracción a las cuatro ruedas. Inicialmente, una desempeñaba el papel de volante y no fue hasta 1914 cuando éste se introdujo. Con una velocidad máxima de 40 km/h y una autonomía de 200 km, su precio —2.500 $— era una cantidad considerablemente elevada. A partir de este primer vehículo, la marca americana mejoró y evolucionó sus modelos, ofreciendo mejores prestaciones hasta 1938.

En 1910, Detroit Electric vendió 1.500 unidades de este vehículo dotado de dos motores, uno en cada eje.

LOS ELÉCTRICOS NO ARROJAN LA TOALLA

Los vehículos eléctricos dejaban de lado cada vez más su aspecto de carroza para demostrar que su lucha contra los vehículos de combustión no había cesado. Incluso en Barcelona, en 1922, se introdujo una pequeña flota de autobuses llamados Tilling-Stevens, con tecnología híbrida en serie, que utilizaban un sistema de propulsión electromecánico con un motor de gasolina que accionaba una dinamo, cuya corriente era recibida por un motor eléctrico que propulsaba las ruedas traseras.

Publicidad de The Ohio Electric Car Company, año 1916.

Poco a poco las grandes marcas del mundo de la automoción hacían sus tímidas apuestas, como Renault, que construyó su primer vehículo eléctrico en 1928, o Peugeot que en el año 1941 fabricó 400 coches eléctricos con una autonomía de 80 km y una velocidad punta de 32 km/h. General Motors también lanzó alguna pequeña serie de coches urbanos, pero no fue hasta 1999, con la aparición del GM EV1 (véase cuadro en pág. 23), que contaba con baterías de NiMH y un alcance de 257 km, que cosechó cierto éxito. Mientras, Toyota lanzó en 1997 el modelo Prius, situándose como primer vehículo híbrido fabricado en serie. A éste le siguieron muchos otros, entre ellos el Honda Insight (2000), el Nissan ALTRA EV (1998-2002), el Toyota RAV4 EV (1997-2) y el Chevrolet Volt (2008).

¿Y EL FUTURO?

Después de un pasado como actor secundario, el coche eléctrico se alza como gran favorito al futuro trono de vehículo urbano. Las grandes marcas apuestan por él, ya sea en forma de vehículo eléctrico puro o híbrido, destinando grandes cantidades de dinero a su investigación y presentando prototipos con unas prestaciones que cada vez se acercan más a su claro competidor. Uno de los ejemplos del final de la primera década del siglo XXI lo aporta Seat y su gama León Twin Drive, que combina un motor de explosión con otro eléctrico alimentado por una batería de iónlitio situada en la parte posterior. El motor eléctrico y la batería de tracción ofrecen conjuntamente una autonomía de 50 km con una velocidad máxima limitada a 120 km/h. Para desplazamientos interurbanos cuenta con el otro motor capaz de alcanzar 190 km/h. De la mano de Nissan, viene otro claro ejemplo bautizado como Leaf. Sin duda la apuesta más fuerte de los últimos años dado que es un coche puramente eléctrico. Dispone de un motor de 80kW (109CV), alimentado únicamente por una batería de iones de litio de 345 voltios y cuenta con una autonomía de 160 km según US-LA4 —ciclo de homologación americano—. La propuesta de coche eléctrico de Mitsubishi es el iMiEV. Incorpora un motor síncrono de 47kW con un elevado par motor de 180Nm, unas baterías de ión-litio y puede tener una autonomía de hasta 160 Km. Dispone de un sistema de recarga rápida que puede cargar el 80% de la capacidad máxima de las baterías en 30 minutos.

General Motors lanzó en 1999 el eléctrico GM EV1.

Seat León Twin Drive.

GM EV1

A lo largo de los años General Motors ha presentado algunas propuestas de coche eléctrico básicamente urbano, pero quizá la que más repercusión ha tenido ha sido el EV1.

La decisión de fabricar el EV1 fue debida a la Zero Emission Vehicle Mandatory del Estado de California. El objetivo de esta ley era promover la fabricación de vehículos de emisión local cero.

GM fabricó 1.100 vehículos en dos fases, una de 1997 a 1999 y otra hasta 2001. Estos vehículos se arrendaban a flotas y a particulares de California y Arizona por un período de 3 años o 30.000 millas y recibían una subvención. Debido a que en 2004 se revocó la ley y se sustituyó por una menos restrictiva que abría la puerta a los híbridos y a los biocombustibles, y también por la falta de rentabilidad del proyecto, finalmente se retiraron los vehículos del mercado. El vacío que dejó el EV1 fue ocupado por otro vehículo de GM, el Chevrolet Volt, que se presentó en el salón de Detroit de 2007.

El documental de Chris Paine Who killed the electric car? (¿Quién mató al coche eléctrico?) explica en detalle el nacimiento y la desaparición de este vehículo.

Parece que la historia se repite y de nuevo ambas tecnologías vuelven a competir, y aunque los vehículos de combustión perderán algunas batallas en los próximos años, todavía tardarán en perder la guerra. El objetivo que se tiene que plantear la sociedad es llegar a tiempo con las nuevas tecnologías antes de que se agoten las reservas de los combustibles fósiles.

Por qué vehículo eléctrico

Parece que la principal razón que nos impulsó a abandonar el vehículo eléctrico es la misma que ahora nos lleva aceleradamente hacia él: el petróleo. A grandes rasgos, la sociedad empieza a darse cuenta de la necesidad de no depender de un recurso finito. Los pronósticos no son favorables a corto plazo y el mejor de los casos es incluso peor de lo esperado. Cambio climático, calentamiento global, contaminación ambiental, recursos limitados… Sin duda todos estos conceptos están íntimamente ligados a los vehículos de combustión. Con unas normativas sobre emisiones cada vez más restrictivas, los ingenieros se enfrentan a retos tecnológicos a priori inalcanzables.

En los Gráficos 1 y 2 sobre normativas de emisiones se muestran los niveles de emisión de CO2 y el objetivo establecido por la UE para mediados de 2011, y una comparación de los niveles de NOx a los que hay que llegar, según las normativas europea (Euro), americana (Tier y Bin) y japonesa (LT), en los cuales se puede apreciar una clara tendencia a la baja. Además, en la Tabla 1 se muestran los diferentes niveles que la normativa Euro tiende a limitar y la apuesta, con la Euro 6, para 2014. Tan restrictivos son estos niveles que hacen prever la inminente necesidad de un cambio. Los motores de combustión interna, aunque muy optimizados, emiten y emitirán partículas dadas las características del combustible que utilizan. Llegará un momento en que estas emisiones difícilmente podrán reducirse más, ya que se llegará a su propio límite tecnológico. Se entiende por lo tanto, que si queremos cumplir nuestras propias leyes debemos empezar a incorporar nuevas tecnologías basadas en motores eléctricos, ya sean vehículos eléctricos puros o híbridos.

GRÁFICO 1. Emisiones medias de CO2 en la UE según distintas normativas

Fuente: Comisión Europea

GRÁFICO 2. Restricciones de emisiones de NOx según distintas normativas

TABLA 1. Evolución de las normativas Euro sobre los límites de emisiones contaminantes

Fuente: CESVIMAP (Centro de Experimentación y Seguridad Vial Mapfre)

TABLA 2. Mix energético

Tipo de vehículo

De la producción al depósito del vehículo (Well-to-Tank)

Eficiencia del vehículo (Tank-to-Wheel)

Eficiencia energética total

Vehículo eléctrico

43%(Proceso de transmisión a electricidad)

67%(incluida eficiencia de carga 83%)

29%

Vehículo diésel

88%(Refinado y transporte)

18%

16%

Vehículo híbrido gasolina HEV

82%(Refinado y transporte)

30%

25%

Vehículo gasolina IC

82%(Refinado y transporte)

15%

12%

Fuente: Suzuki

GRÁFICO 3. Procedencia de la energía en el transporte y en la generación eléctrica mundial

Fuente: IEA World Energy Outlook 2006

LA CUESTIÓN ENERGÉTICA

Y es que hablar de vehículo implica directamente hablar de energía. El problema del vehículo de combustión es que, además, implica también hablar de una sola fuente de obtención de dicha energía: los combustibles fósiles. Todo lo contrario ocurre con el vehículo eléctrico ya que la energía almacenada en las baterías, extraída a partir de la red eléctrica, abre las puertas a cualquier tipo de fuente energética, incluidas las energías renovables. Tal y como se refleja en el Gráfico 3, actualmente el transporte en el mundo depende aproximadamente en un 90% del petróleo. Existen muchas otras energías, renovables, que ayudan a olvidar esta dependencia energética de los vehículos hacia el combustible fósil.

Aun así, existe el llamado «mix de energías». A grandes rasgos, no sería equitativo comparar ambas tecnologías únicamente por el CO2 que emite cada una. Se puede afirmar que un vehículo eléctrico en marcha tiene cero emisiones, pero para llegar a tener una batería cargada sí que se ha generado CO2 y otros gases o partículas contaminantes. Esta idea es la que recoge la Tabla 2 donde puede apreciarse que, a nivel de eficiencia energética total, el vehículo eléctrico no gana la carrera con tanta ventaja como se cree. Pero llegar a la emisión cero es un salto demasiado grande. Tal y como muestra la Figura 1, el vehículo híbrido es el puente entre ambas tecnologías.

Otro punto a favor del vehículo eléctrico es el aumento de la urbanización de la población y su reducida movilidad. Según afirma Anna Tibaijuka, directora ejecutiva de ONU-Hábitat, en 2050 un 80% de la población vivirá en ciudades.

FIGURA 1. Niveles de emisión de CO2 según las diferentes tecnologías

Fuente: IDAE

Este dato, junto con otro que afirma que el 80% de las personas hacen menos de 60 km al día1 mitiga en gran medida el principal problema del coche eléctrico: la autonomía.

Además del problema de la autonomía para desplazamientos largos, la infraestructura también juega un papel muy importante en el desarrollo de esta tecnología. Sin puntos de recarga no son factibles los coches eléctricos. Éste es un problema que se suma a la lista de problemas que quizá ya se podrían haber solucionado, o mejorado, si su homólogo de combustión no le hubiese robado tanto protagonismo.

Nissan Leaf, vehículo totalmente eléctrico.

Introducción a la electrificación de vehículos

Con toda seguridad podemos afirmar que un vehículo es una obra de ingeniería, así como cada una de sus partes; en especial, el motor, tanto si es de tracción eléctrica como térmica. Si analizamos ambos vehículos las diferencias saltan a la vista, pero éstas no son las únicas que una transformación tecnológica aportará. Los vehículos forman parte del día a día de muchas personas, así como de sus vidas. Un cambio en la forma de utilizarlos implica un cambio social importante.

Lo que sí es evidente es que estamos inmersos en un cambio que se inicia con la tecnología, arrastra a los métodos de obtención de la energía, continúa con la infraestructura y acabará transformando nuestras vidas.

CAMBIO TECNOLÓGICO

El vehículo eléctrico, tal y como se presenta en la actualidad, parece una innovación. Ya hemos visto que fue inventado en paralelo al de combustión, pero debido al gran desarrollo que ha tenido éste en sus más de 100 años de historia, podría parecer que el vehículo eléctrico nunca ha existido. Y es que una tecnología no evoluciona si no se le dedican inversiones y esfuerzo. El primer vehículo eléctrico se ensambló hace 130 años, pero no ha sido hasta esta última década que las empresas han desarrollado en profundidad este tipo de propulsión. ¿Por qué este retraso en el desarrollo del vehículo eléctrico? George Basalla en su libro La Evolución de la Tecnología2 considera los artefactos tecnológicos como si fueran especies vivientes que siguen las reglas de la evolución de la naturaleza (Darwin), y así justifica que se impusiera el motor térmico de explosión frente a sus coetáneos de vapor y eléctricos. Se ha tenido que llegar a la concienciación de que la energía fósil se agota para retomar otras tecnologías que provengan de fuentes renovables. Pero antes de la implantación del vehículo eléctrico, debemos seguir ciertos pasos y superar ciertas barreras.

Tal y como se muestra en la Figura 2, partiendo de un vehículo de combustión e incorporando, poco a poco, nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia y reducir los agentes contaminantes, nos acercamos al concepto de vehículo eléctrico. El sistema Start/Stop ayuda a reducir el consumo y las emisiones mediante el paro del motor cuando el coche se detiene. El frenado regenerativo consigue recargar las baterías mientras el coche frena. Un apoyo eléctrico a la tracción en determinados momentos se consigue mediante un pequeño motor eléctrico, que solo no podría mover el vehículo pero que ayuda a su compañero de combustión, reduciendo su consumo. La introducción de un motor eléctrico capaz de propulsar el vehículo por sí solo nos lleva a lo que actualmente se denomina vehículo híbrido. El motor de gasolina puede servir únicamente para cargar las baterías y otorgar más autonomía al conjunto, o puede tomar las riendas del vehículo cuando éste se quede sin energía. Un vehículo propulsado únicamente por un motor eléctrico sería el final y el objetivo de esta evolución.

La principal barrera o impedimento que el vehículo eléctrico deberá superar para hacer frente al vehículo de combustión es un aumento en la autonomía. De momento, el vehículo eléctrico podrá tener buenos resultados en desplazamientos urbanos, pero no está preparado para hacer un desplazamiento interurbano. Otra mejora sustancial se producirá cuando disminuyan los tiempos de carga de las baterías. A estas dos limitaciones del propio vehículo, hay que sumar la falta de infraestructura para la carga. No sólo deben cambiar los vehículos, también las ciudades deben estar preparadas para su llegada, así como las viviendas y los aparcamientos.

El vehículo eléctrico se enfrenta a retos de futuro muy ambiciosos a medio y largo plazo, entre ellos conseguir baterías de alta capacidad energética, motores compactos de altas prestaciones, silenciosos y compatibles con fuentes de energía renovables. La tecnología está lista, sólo hace falta saltar la barrera.

FIGURA 2. Evolución hacia el vehículo eléctrico

Fuente: Proyecto Movele, IDAE

CAMBIO ENERGÉTICO

El motor de combustión interna depende totalmente del petróleo. Como combustible fósil, la tierra ha necesitado millones de años para generarlo, y la humanidad tan sólo unos pocos siglos para casi agotarlo. Como muestra el Gráfico 4, la demanda de producción es cada vez mayor y los yacimientos petrolíferos que se espera descubrir serán cada vez menos. Así, dado el tiempo que requiere la explotación de nuevos yacimientos y a la vista del descenso en el ritmo de descubrimiento de nuevas reservas, las previsiones de la Agencia Internacional de la Energía (AIE) apuntan que en los años 2015-2020 se generarán importantes tensiones entre oferta y demanda. Probablemente la única forma de resolver estos conflictos sea con un aumento de los precios. Según parece, los especialistas coinciden en afirmar que la era del petróleo fácil y barato en la que el mundo ha vivido durante el siglo XX está llegando a su fin. Tal y como vemos en el Gráfico 6, las previsiones en el aumento del precio del petróleo se aceleran a partir de 2015.

Según la conocida curva de Hubbert en el ámbito del petróleo, éste llegará a su cénit y después caerá tan rápido como creció, resaltando que el factor limitador de su extracción será el gasto energético requerido y no su coste económico. El debate no se centra en la veracidad de este hecho, ya que tanto científicos como petroleras aprueban dicha teoría, sino más bien en cuándo se producirá. Como señala el Gráfico 7, existen diversos pronósticos, desde los más reticentes como el de la ASPO (Asociación para el Estudio del Pico del Petróleo y el Gas, por sus siglas en inglés) que sitúan el pico en el año 2010, hasta los más optimistas, que aseguran que faltan por lo menos 100 años para que se produzca. Quizá lo más razonable sería trabajar con el objetivo de tener superadas las nuevas energías hacia la mitad del siglo XXI.

GRÁFICO 4. Descubrimiento y producción mundial de petróleo

Fuente: Ministerio de Economía y Hacienda

GRÁFICO 5. Evolución del precio del petróleo

Fuente: Departamento de estudios, Repsol (2008)

GRÁFICO 6. Proyección del precio del petróleo según previsiones de la AIE

Fuente: AIE (Agencia Internacional de la Energía)

Además del importante efecto que puede generar el agotamiento del petróleo, no se debe perder de vista un cambio provocado por los diferentes factores de la actividad industrial: el cambio climático, cuya causa principal es el aumento de CO2 en la atmósfera. El CO2 contribuye al efecto invernadero, por el cual determinados gases retienen parte de la radiación solar dentro de la atmósfera, lo que produce un calentamiento de la tierra. Tal es este efecto, que durante el siglo XX la temperatura media a nivel global en nuestro planeta aumentó en 0,6 °C. 2007 fue el año más cálido en miles de años. Estos datos y algunos de los pronósticos que diferentes estudios (Hadley Centre, MPIM, GFDL, etc.) hacen se pueden ver reflejados en el Gráfico 8, donde se estima que la temperatura global del planeta aumentará en los próximos años entre 2 y 5 grados.

GRÁFICO 7. Previsiones para situar el «pico del petróleo»

Fuente: www.trendlines.ca

GRÁFICO 8. Proyecciones del calentamiento global del planeta

Fuente: Global Warming Art

Aun así, si atendemos a las previsiones sobre emisiones de CO2, tal y como muestran los Gráficos 9 y 10, éstas tienden a aumentar cada vez más. Y es que para reducir el CO2 no basta con una conducción eficiente. Los fabricantes trabajan en factores como la reducción del peso global del vehículo, la reducción de la potencia y el peso de los motores, la reducción de esfuerzos resistentes y pérdidas mecánicas, la aerodinámica, neumáticos con menor índice de rodadura, cambios de velocidades, etc.

CAMBIO SOCIAL

«El crecimiento poblacional en el período de 1950 - 2000 fue aproximadamente del 141% (1,78% en tasa anual acumulativa), mientras que en el período 1900 - 1950 fue del 53% (0,85% en tasa anual acumulativa).»3

Esto significa que la población mundial se ha duplicado en los últimos sesenta años. Pero vivimos en el mismo planeta. La naturaleza —entendida como el ecosistema que engloba todas las formas de vida hasta ahora conocidas—, que ha mantenido siempre distintos equilibrios a lo largo de su historia, empieza a notar las consecuencias del desmesurado crecimiento de nuestra especie. El planeta se resiente del desequilibrio de la balanza y somos nosotros los encargados de poner las cosas en su sitio. Nuestra sociedad, compuesta de miles de culturas y tipos de vida distintos, va a tener que adaptarse a ciertos cambios, a nuevas costumbres, empezando por establecer el límite máximo de personas que puede soportar el planeta.

GRÁFICOS 9 Y 10. Evolución de la emisiones globales de CO2 por combustible y por región

Fuente: AIE (Agencia Internacional de la Energía, 2004)

Sin poner en duda el potencial del ser humano en cuanto a adaptación —requisito indispensable para la supervivencia—, no está de más plantearse los problemas o inconvenientes que un cambio energético podría suponer en nuestras vidas, o más bien cómo seríamos capaces de asimilarlo a nivel colectivo.