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La Cátedra Fundación Repsol en Transición Energética de la ETSII-UPM Movilidad Sostenible ha publicado el documento ‘Tecnologías emergentes y nuevos vectores energéticos en el sector de la automoción’ para exponer una visión general de la compleja situación de las propulsiones de los vehículos que tenemos en la actualidad.

Lo veremos en dos partes, ésta primera sobre los sistemas de propulsión y una segunda, en nuestro siguiente boletín, y referido a los vectores energéticos.

Los vehículos de transporte por carretera afectan a la atmósfera de dos formas bastante desacopladas entre sí: por una parte están las emisiones de gases de efecto invernadero, que en el transporte por carretera solo es significativamente importante el dióxido de carbono (CO2), y por otra las emisiones que afectan a la calidad del aire en las ciudades y regiones entre las que destacan los óxidos de nitrógeno (NOx) y las partículas submicrométricas. El futuro de la automoción terrestre parece actualmente más condicionado por las primeras que por las segundas, aunque aún se espera un ‘apriete de tuerca’ a las emisiones contaminantes con la posible publicación de una nueva directiva ‘Euro’. Ésta se referirá más a los métodos de medida, a los controles, a la durabilidad y al análisis de mercado que a nuevos límites en vehículos nuevos.

Actualmente parece ya demostrado que el efecto invernadero es un problema que afectará a todos los países del mundo, por lo que contribuir a reducir sus consecuencias es cada vez más acuciante. Debemos aceptar que, aunque el dióxido de carbono (CO2) no es un gas tóxico ni contaminante para las ciudades y regiones, su emisión tiene efectos transfronterizos ligados al calentamiento global de la atmósfera, de consecuencias difícilmente previsibles. El 7% de las emisiones de CO2 del mundo provienen de Europa, mientras que EE.UU. y China suman el 45 % de las mismas. De las que emite Europa, el 11,5% son vehículos industriales, incluyendo autobuses, y un 16 % los turismos.

A pesar de que la contribución del transporte por carretera en Europa a la emisión de los Gases de Efecto Invernadero, sobre todo el CO2, es porcentualmente pequeña, para posibilitar una evolución de la movilidad hacia métodos capaces de reducir la contribución del sector del transporte, la Comisión Europea ha desarrollado una serie de directrices que abarcan hasta el año 2050. Tienen como objetivo actualmente que al acabar el 2030 se tengan 30 millones de turismos de ‘cero emisiones’ en las carreteras europeas y que para 2050 no haya vehículos que emitan CO2.

Para tener una visión de la situación actual y de las proyecciones de futuro, en el seno de la Cátedra Fundación Repsol en Transición Energética – Movilidad Sostenible de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid se ha realizado un estudio de los sistemas de propulsión y los vectores energéticos que actuablemente se están estudiando en los centros de investigación independientes y de los fabricantes de vehículos y de energía, algunas de cuyas aportaciones principales se tratan en este primer artículo.

Atendiendo al sistema de propulsión, los vehículos se pueden agrupar hoy día en tres grupos, en función de cuál sea el motor principal de propulsión:

Propulsados por motores térmicos (siempre de combustión interna).
Propulsados por motores eléctricos.
Propulsados por sistemas mixtos térmicos y eléctricos (propulsión híbrida)

Dentro de cada uno de los tipos de motores hay diferentes subgrupos. Los que se propulsan por motor térmico pueden disponer de ayudas eléctricas para ciertas funciones y los que lo hacen por motor eléctrico pueden recibir la energía eléctrica de una batería o de una pila de combustible. 4

Los vehículos con motor térmico pueden ser de dos tipos, según el sistema de combustión y formación de mezcla:

Vehículos con motor de encendido provocado (o por chispa) que usan combustibles de alta volatilidad y baja autoinflamabilidad, como los hidrocarburos líquidos ligeros, éteres, alcoholes o hidrógeno,
Vehículos con motor de encendido por compresión (o diésel) que usan combustibles de alta autoinflamabilidad como los hidrocarburos medios (gasóleo) y ésteres metílicos de ácidos grasos (biodiesel).

Esta dualidad de sistemas pierde parte de su validez con la aparición de los motores de tipo HCCI (Carga Homogénea Encendido por Compresión) de gasolina que encienden la mezcla por autoinflamación o con la recuperación de los sistemas de combustión ‘dual’ en los que el motor consume simultáneamente dos combustibles como gasóleo y biogás u otro combustible ligero. No hay que confundirlo con los vehículos bicombustible, éstos pueden consumir dos combustibles como gasolina y gas natural o GLP, pero no de manera simultánea. O incluso los policombustible, como los FFV (Flexible Fuel Vehicle) que pueden consumir mezclas con porcentajes variables de alcohol en gasolina.

Mirando al futuro de corto y medio plazo, esta situación se va a ver afectada por el efecto de la ‘electrificación’ del transporte, que implica la inclusión de máquinas eléctricas de ayuda a la propulsión o de gestión de los flujos de energía en el vehículo, que suelen incluir sistemas de recuperación de energía en retenciones y de acumulación de la energía eléctrica, y que pueden liberar esa energía para la propulsión o suministro a los servicios auxiliares, pero conservando de alguna forma el motor térmico que se complementa con el sistema eléctrico. Son los conocidos como vehículos híbridos (HEV: Hybrid Electric Vehicle).

En los que se propulsan por motores eléctricos, se pueden distinguir dos tipos muy diferentes: los vehículos eléctricos puros (BEV: Battery Electric Vehicle) en los que el motor eléctrico es alimentado por energía eléctrica de baterías recargadas desde energía eléctrica externa, y los vehículos de pila de combustible (FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle) en los que la energía eléctrica es producida en el propio vehículo en la pila de combustible, normalmente de tipo PEM (Proton Exchange Membrane).

Según el grado de participación de la energía eléctrica en la propulsión coexisten actualmente, y lo seguirán haciendo en el futuro, varios niveles electrificación de los vehículos, sean de propulsión por motor térmico o eléctrico:

Híbridos moderados (Mild Hybrid): la energía de propulsión se obtiene del combustible, pero la electricidad obtenida de las frenadas o del propio motor de combustión recarga baterías de poca capacidad y voltaje (12, 24 o 48 V) o supercondensadores.

Híbridos integrales (Full Hybrid): similares a los anteriores en cuanto a que la energía de propulsión proviene del combustible, pero con batería de media capacidad y alto voltaje (> 200 V), que permite mover ocasionalmente el vehículo en modo eléctrico. El motor térmico puede tener funciones de propulsión del vehículo junto con el eléctrico (sistema mixto de propulsión llamados ‘híbridos en paralelo’); o limitarse a generar energía eléctrica siendo la propulsión responsabilidad únicamente del motor eléctrico. Algunas soluciones tecnológicas se basan en que la energía eléctrica proviene de un generador movido por el motor térmico, sin funciones de propulsión, y en este caso se denominarían ‘híbridos en serie’. En todos los casos de propulsión híbrida se trata de mejorar la eficiencia del sistema de propulsión referida al uso del combustible.

Híbridos enchufables (PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicles): la batería tiene una mayor capacidad de acumulación con muy alto voltaje para poder cargarse con energía de la red y mover el vehículo una distancia bastante mayor que un híbrido integral a una velocidad razonable. Una vez agotada la batería cargada de la red eléctrica exterior, el vehículo funciona como un híbrido no enchufable.

Eléctricos de autonomía extendida (Range Extended): son esencialmente vehículos eléctricos de baterías, pero disponen de un motor de combustión pequeño para poder recargar y propulsar el vehículo en modo serie en caso de descarga de las baterías en lugares apartados o sin enchufe a la red. 5

En la actualidad, se estudia el uso de pilas de combustible de pequeña potencia (y tamaño) alimentadas por hidrógeno para esta función de recarga ocasional.

Eléctricos puros (BEV: Battery Electric Vehicle): la batería cargada por energía eléctrica externa, normalmente de la red, aporta la energía a los motores eléctricos de propulsión.

Vehículos de pila de combustible (FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle): la energía eléctrica se produce en el propio vehículo mediante la reacción del hidrógeno con oxígeno en la pila de combustible. En casi todos los casos, incorporan cierto grado de hibridación con baterías para acumular energía y con recuperación de energía en retenciones para una mejor eficiencia energética del conjunto y ahorro de consumo de hidrógeno.

Los motores de combustión interna puros se alimentan actualmente sobre todo de los hidrocarburos fósiles, pero las tendencias europeas a dejar de depender de fuentes de origen fósil y a ‘descarbonizar’ el transporte (entendido como reducir emisiones netas de CO2), marcan la tendencia a compartir con otros combustibles, como otros hidrocarburos de origen biológico o sintéticos, ya sean los e-fuels derivados del hidrógeno u otros compuestos orgánicos oxigenados como los alcoholes, éteres, ésteres, etc., de origen biológico, e incluso el amoniaco. Aportando todos flexibilidad al sistema energético para el transporte al poder usarse mezclados, incluso con hidrógeno. Todos estos vectores energéticos son válidos para los vehículos de propulsión híbrida, por la presencia de un motor de combustión interna. En la segunda parte del artículo que veremos en el próximo boletín de ASEPA se presentarán las opciones que actualmente se están estudiando.

Se espera que en un futuro los próximos vehículos, que tengan como método de impulsión principal un motor de combustión interna, éste evolucionará tecnológicamente para ser más eficiente junto con sistemas de recuperación de energía y otros desarrollos tecnológicos que mejorarán la eficiencia general del vehículo y que serán aplicables a cualquier sistema de propulsión. De cara a los vehículos eléctricos puros, se espera todavía un gran desarrollo tecnológico de las baterías para reducir tanto peso y tamaño como el tiempo de carga, en lo cual ya se han conseguido grandes avances, aunque por ahora no se prevé alguna evolución disruptiva. En cuanto a los vehículos eléctricos con pila de combustible de hidrógeno, la evolución en los próximos años será bastante importante. Hasta ahora la no existencia de distribución y suministro de hidrógeno suficientemente extendida ha frenado en cierto sentido la evolución de la pila de combustible y su inclusión en vehículos, pero tecnológicamente aún puede haber una evolución significativa en su tamaño, y peso y regulación, y sobre todo en su coste.

(Autores: Jesús Casanova Kindelán y Almudena García Jiménez. Departamento de Ingeniería Energética. Universidad Politécnica de Madrid).

Fuente: http://www.asepa.es/

Antonio Mozas
Director de ASEPA (Asociación Española de Profesionales de Automoción)

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