Tecnologías de propulsión híbridas y las evidencias científicas de su eficacia

Transcripción

1 13 Tecnologías de propulsión híbridas y las evidencias científicas de su eficacia

2 El objetivo de esta línea de actuación de Fitsa es difundir la eficacia, científicamente probada, de las tecnologías de seguridad y protección ambiental valores positivos presentes en el automóvil. Con ello se pretende poner en valor social y de mercado el conocimiento de estas tecnologías, induciendo así su demanda por parte de los ciudadanos en beneficio de su seguridad y del medioambiente, que es uno de los Objetivos Directores de las actuaciones de la Fundación. En los trabajos de investigación y análisis han colaborado diversas entidades especializadas en los ámbitos tecnológicos concretos, y a quienes Fitsa expresa su reconocimiento.

3 Tecnologías de propulsión híbridas y las evidencias científicas de su eficacia La necesidad de construir vehículos cada vez más limpios ha impulsado el desarrollo de soluciones innovadoras y eficaces para la reducción del uso de fuentes de energía no renovables y, además, contaminantes. Los vehículos híbridos representan el principal salto tecnológico de los últimos años en este sentido. El uso de vehículos híbridos tiene dos ventajas principales: la reducción de emisiones contaminantes y el ahorro de combustible. Ambos se consiguen gracias, principalmente, a las estrategias de recuperación de energía. Se estima que gracias al frenado regenerativo que incorporan los vehículos híbridos es posible recuperar hasta el 30% de la energía cinética, lo cual se traduce en un ahorro de cerca de un litro de gasolina por cada 100 km recorridos en ámbito urbano. Otra de las ventajas del vehículo híbrido es su uso más silencioso en ciudad, donde mayor impacto negativo sobre la calidad de vida tiene la contaminación acústica.

4 Por definición, un vehículo híbrido es aquél cuya propulsión se realiza utilizando dos tipos diferentes de fuentes de energía. En la práctica, se pueden dar diferentes combinaciones energéticas duales: motor eléctrico que se alimenta de baterías conectadas a una pila de combustible, una turbina de gas combinada con un motor eléctrico alimentado con baterías, un motor de combustión combinado con otro eléctrico, etcétera. Los vehículos híbridos que se comercializan en la actualidad y que han superado la fase de prototipo utilizan un motor eléctrico y otro de combustión interna o convencional. El origen de la energía utilizada para la propulsión sería por tanto dual: el depósito de combustible alimentaría al motor de combustión convencional y la batería al motor eléctrico. De esta manera, en teoría, se podría usar el motor eléctrico para circular en zonas urbanas sin consumir combustible y evitando las emisiones nocivas (gases, ruido ), y el motor de combustión para zonas interurbanas. El trabajo FITSA-Robotiker de revisión de las tecnologías de propulsión híbridas se ha centrado en el análisis de los vehículos híbridos que combinan el funcionamiento de un motor de combustión interna (motor convencional) con un motor eléctrico. Un bebé de cien años de edad El desarrollo de vehículos híbridos no es tan reciente como pueda parecer. Ya a finales del siglo XIX, durante los primeros pasos de la entonces recién nacida y titubeante industria automovilística, se comenzaron a desarrollar los primeros vehículos híbridos. En aquellos tiempos, la motivación principal era la de dotar a los posibles clientes de vehículos que se moviesen con una energía fácilmente accesible. El petróleo escaseaba, no por falta del mismo, sino por el limitado desarrollo entonces de las técnicas para su extracción y posterior transformación. De hecho, el petróleo no se constituye en la principal fuente de energía hasta iniciado ya el siglo XX, cuando su extracción se hace intensiva y, gracias a ello, desciende su precio. La industria de automoción se centra así en el desarrollo de motores alimentados con productos derivados del petróleo, gasolina y gasóleo fundamentalmente, perdiendo importancia la investigación en alternativas tales como los vehículos de propulsión eléctrica. Todo transcurrió sin grandes sobresaltos hasta que aparecieron las primeras señales

5 de alarma. A mediados de la década de los 70 la duración de las reservas de petróleo se calculó por primera vez y se estableció en unos 50 años, bajo la hipótesis de que se mantendría el consumo de la época. Los fabricantes de vehículos reaccionaron y se empezaron a interesar de manera generalizada en sustituir las motorizaciones basadas en motores de combustión interna y el consumo de hidrocarburos por otras nuevas soluciones como motores alimentados con biocombustibles, alcoholes, hidrógeno... Sin embargo, esta primera visión pesimista sobre la principal, casi única, fuente de energía para el transporte individualizado pronto se desvanecería con la aparición de nuevos yacimientos de petróleo y con los esfuerzos, sobre todo de la industria automovilística, por promover y desarrollar vehículos más eficientes que consumieran cada vez menos. No es hasta principios de la década de los 90 cuando aparece una nueva preocupación: la del impacto ecológico que el uso del petróleo, como fuente principal de energía, está causando en el planeta Tierra y las posibles consecuencias futuras que de su uso podrían derivarse. A finales de la década de los ochenta un científico de la NASA, James Hansen,

6 postuló que existía una relación causaefecto entre el aumento de la temperatura de la Tierra y la emisión de ciertos gases a la atmósfera procedentes de la actividad humana. Uno de los focos principales de esta emisión era, y lo sigue siendo, el automóvil. Así, y tras casi una década de especulaciones acerca de esa influencia, finalmente en 1997 se celebró en la ciudad de Kioto la cumbre que redactó el documento clave para comenzar a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera: el Protocolo o Acuerdo de Kioto. El acuerdo de Kioto marcó el inicio de una nueva mentalidad por parte de las instituciones y de la población en general: la preocupación por el estado del medioambiente. Desde entonces, los medios de comunicación difunden profusamente el protocolo de Kioto y las consecuencias de su no cumplimiento. La preocupación por el entorno natural ha calado tanto en la sociedad que, a día de hoy, tiene tanto peso como la preocupación por el posible desabastecimiento de combustibles. A lo largo de estos años la industria automovilística se ha preocupado de desarrollar vehículos cada vez más eficientes y se ha adelantado en muchos casos a las administraciones públicas a la hora de imponerse a sí misma reducciones en las emisiones de sus vehículos y en el consumo de los mismos. Además, y como no podía ser de otra manera, las administraciones a cargo de la reglamentación de los vehículos han ido desarrollando desde entonces

7 coyuntura, ha dado la bienvenida a este esfuerzo renovador de las marcas y ha apoyado este tipo de vehículos con sus decisiones de compra. diferentes directivas europeas que han marcado el límite máximo de emisiones contaminantes (como, entre otras, las denominadas normas EURO). Esta preocupación por el medioambiente se ha visto acompañada recientemente por una nueva crisis del petróleo. El precio del mismo ha ido elevándose en los últimos años progresivamente, detectándose, además, un previsible agotamiento de los principales yacimientos en un plazo más o menos corto, calculado en 30 años al ritmo de consumo actual. La extracción de petróleo de yacimientos menos accesibles y dispersos hará que el precio del mismo siga elevándose. En este contexto, el desarrollo de vehículos híbridos ha tenido un caldo de cultivo favorable. Por una parte la necesidad, autoimpuesta en muchos casos o marcada por la normativa en otros, de construir vehículos cada vez más respetuosos con el medioambiente ha impulsado el desarrollo de soluciones innovadoras y eficaces para reducir el uso de fuentes de energía no renovables y, a menudo, contaminantes. Una de estas soluciones han sido los vehículos híbridos, y el mercado, igualmente influenciado por esta Funcionamiento de los vehículos híbridos El funcionamiento de un vehículo híbrido se basa en la combinación de dos tipos de motores, uno eléctrico y otro convencional o de combustión interna, a través de un sofisticado sistema de control híbrido y de un paquete de baterías. En general, un vehículo híbrido funciona como uno convencional al que se le ha unido un motor eléctrico cuya misión es bien ayudar al motor de combustión cuando se precise una mayor potencia o bien impulsar él solo al vehículo, con el motor de combustión desconectado, cuando la potencia requerida sea pequeña, por ejemplo en condiciones favorables de conducción. Los vehículos híbridos se clasifican en tres tipos atendiendo al modo en que se conectan ambos motores: híbridos en serie, híbridos en paralelo e híbridos mixtos. 1. Arquitectura en serie En los híbridos en serie el vehículo es impulsado enteramente por el motor eléctrico gracias a la electricidad suministrada por el motor de

8 Configuración Serie combustión, el cual arrastra a su vez un generador eléctrico. La batería actúa por lo tanto como acumulador de la electricidad (energía) sobrante y, cuando está cargada, permite la desconexión temporal del motor de combustión, de forma que el vehículo puede impulsarse momentáneamente de manera totalmente eléctrica. Los flujos energéticos característicos de la configuración en serie son los siguientes: a) El motor de combustión, a través del generador, puede alimentar al motor eléctrico y también cargar la batería. b) La batería puede alimentar al motor eléctrico pero también, gracias a la capacidad de éste de actuar como freno regenerativo, el motor eléctrico puede, a su vez, recargar la batería. El frenado regenerativo consiste en decelerar el vehículo no del modo convencional basado en el rozamiento de las pastillas contra los discos de freno, sino invirtiendo el funcionamiento del motor eléctrico y haciéndolo funcionar como un generador de electricidad. Una analogía puede servir para explicar el concepto de freno regenerativo: del mismo modo que un ventilador emplea electricidad para hace girar sus aspas mientras que un aerogenerador utiliza el viento para obtener electricidad, un motor eléctrico en un automóvil puede emplear electricidad para impulsarlo o bien utilizar dicho impulso para generar electricidad. 2. Arquitectura en paralelo En los híbridos con arquitectura paralela tanto el motor de combustión como el motor eléctrico trabajan

9 simultáneamente para impulsar las ruedas del vehículo. El sistema de tracción no es excesivamente complejo mecánicamente en esta arquitectura, puesto que el motor eléctrico simplemente trabaja en paralelo con el motor de combustión. Esto supone una notable simplificación a la hora de desarrollar una hibridación por parte de cualquier fabricante. Los flujos energéticos característicos de la configuración en serie son los siguientes: a) El motor de combustión, a través del motor eléctrico, puede también impulsar al vehículo y, también, cargar la batería funcionando éste último como un alternador. b) La batería puede alimentar al motor eléctrico y, gracias a la capacidad del freno regenerativo, el motor eléctrico puede también recargar la batería. 3. Arquitectura mixta Esta configuración proporciona la posibilidad de propulsar al vehículo enteramente mediante el motor de combustión, enteramente mediante el motor eléctrico o mediante una combinación de ambos motores. El concepto de un vehículo mixto es el de un vehículo híbrido con arquitectura serie en el que se ha conectado el motor de combustión directamente a las ruedas. Así, tanto el motor de combustión como el generador y el motor eléctrico están todos Arquitectura paralela

10 ellos interconectados a través de un sistema de engranajes diferencial el cual, a su vez, está conectado a la transmisión del vehículo. electricidad. Esa electricidad es usada unas veces para recargar las baterías y otras para alimentar al motor eléctrico, según las necesidades. c) El motor eléctrico es alimentado por las baterías y a su vez éste es capaz de recargar las baterías en los momentos que funcione a modo de freno regenerativo. d) El motor eléctrico impulsa las ruedas a través del conjunto diferencial. El flujo de la energía en los vehículos con arquitectura mixta sería el siguiente: a) El motor de combustión impulsa al vehículo a través del conjunto diferencial. b) El generador, que está también conectado a ese conjunto diferencial, es impulsado por el motor de combustión produciendo así Las ventajas del sistema híbrido mixto con respecto a los demás sistemas son las siguientes: - Gracias al conjunto diferencial, el motor de combustión puede ser conectado a las ruedas en aquellos momentos en los que opere en el rango óptimo de revoluciones (rango de máximo rendimiento y mínimo consumo) Arquitectura mixta

11 - Al trabajar el motor de combustión en dichas condiciones y al disponer del refuerzo del motor eléctrico, ya no es necesario dotar a estos vehículos de complicadas, y caras, cajas de cambios. El sistema de control de ambos motores consigue que el funcionamiento del conjunto esté siempre optimizado. Las desventajas incluyen el incremento de la complejidad mecánica en general, con el correspondiente aumento del costo tanto en la parte mecánica como en la relativa al sistema de control del conjunto. Por otro lado, un vehículo híbrido se puede también clasificar en función de su nivel de electrificación. Según esta segunda clasificación existen dos grados de hibridación: total o parcial. Cuando el vehículo es capaz de funcionar tanto con cada motor de modo totalmente independiente como de hacerlo con ambos motores simultáneamente, se denomina full hybrid o híbrido total. La hibridación total admite todas las combinaciones posibles de funcionamiento y es por lo tanto la más completa y compleja de gestionar, además de por supuesto la más eficiente. En segundo lugar, cuando el vehículo es capaz de hacer funcionar a los dos motores a la vez pero sólo al motor de combustión de forma independiente se dice que es del tipo mild hybrid, híbrido parcial, híbrido suave o vehículo con asistencia eléctrica. A este grado de hibridación se le considera parcial o incompleto al carecer de la capacidad de funcionar de modo exclusivamente eléctrico. Ventajas realmente preciosas: menor impacto en el medioambiente y reducción del consumo de combustible Los vehículos a motor representan una de las principales fuentes de contaminación ambiental y de emisión de gases responsables del efecto invernadero. Los dos gases de efecto invernadero más importantes son el CO2 y el metano. Por otra parte, las principales emisiones contaminantes causadas por los vehículos son los óxidos de nitrógeno (NOx), los hidrocarburos (HC) y el monóxido de carbono (CO). Las emisiones de estos gases procedentes de los vehículos representan respectivamente el 58%, el 50% y el 75% del total de emisiones atmosféricas. Además, los vehículos contribuyen a la emisión de otros contaminantes tóxicos como el plomo, el benceno, el butadieno y otros carcinógenos asociados a las pequeñas partículas sólidas emitidas por el tubo de escape. La gasolina genera también otros contaminantes a través de la evaporación del combustible en ciertas partes del sistema motriz del vehículo; esta evaporación representa alrededor del 30% de la emisión global de hidrocarburos procedentes de fuentes móviles. Las partículas en suspensión no proceden únicamente del proceso de combustión,

12 TABLA 1 Reducción media de emisiones. Comparación entre vehículos híbridos y vehículos convencionales Gasolina Diesel Emisiones Híbrido Euro IV % reducción Euro IV % reducción NOx 0,01 0,08 87,5 0,25 96 CO 0,18 1,0 82 0,50 64 HC 0,02 0, ,05 60 PM CO Porcentaje de reducción de emisiones de un vehículo híbrido (Toyota Prius) respecto a uno que cumpla la normativa EURO IV. Dato CO2: Valores medios vehículos nuevos Datos en g/km excepto para PM que se indican en en mg/km. ya que algunas de ellas se desprenden del pavimento debido al propio paso de los vehículos. Se estima que entre el 40 y el 60% de las partículas en suspensión en las zonas urbanas proviene del tráfico rodado; el resto proviene de otras actividades diversas (industria, agricultura, obras...). Los vehículos diesel emiten hasta cinco veces más partículas sólidas que los propulsores de gasolina: mientras que los primeros emiten entre 20 y 30 microgramos de partículas por cada kilómetro recorrido, los segundos únicamente expulsan 5 microgramos a lo largo de esta distancia. En tanto en cuanto utilizan un motor de combustión interna, los automóviles híbridos no pueden considerarse vehículos de emisión cero y todavía son fuente tanto de contaminación atmosférica como acústica, al igual que un vehículo convencional. Por otro lado, las prestaciones medioambientales de los vehículos híbridos tienden a deteriorarse con el tiempo, aumentando las emisiones de contaminantes a medida que el vehículo envejece. En cualquier caso, en la tabla (1) se puede ver la reducción media de emisiones en un vehículo híbrido con respecto a otro vehículo convencional que cumpla la normativa actual de emisiones EURO IV, y según sea de gasolina o diesel. Como ya se ha comentado, la preocupación por las emisiones de CO2 tiene cada vez más importancia tanto a nivel del consumidor como de los gobiernos, debido entre otros factores a los compromisos adquiridos a través del Protocolo de Kioto. Por este motivo, resulta interesante analizar con cierto detalle posibles escenarios de reducción de las emisiones de CO2 a corto plazo. En la tabla (2) se compara la reducción anual que se obtendría con diferentes escenarios (ritmos) de TABLA 2 Hipótesis empleadas reducción anual de emisiones de CO2 % de híbridos en la (valores en Gg, o flota = nº de vehículos miles de toneladas) 1% = Gg CO2 5% = Gg CO2 10 % = Gg CO2 50 % = Gg CO2 100 % = Gg CO2

13 adquisición de vehículos híbridos, tomando como referencia las emisiones totales anuales de los turismos y los límites de emisión contemplados en el Protocolo de Kioto para nuestro país. Debido a determinadas características mecánicas, como el frenado regenerativo, algunos vehículos híbridos pueden alcanzar consumos medios muy aquilatados y difíciles de igualar incluso por vehículos de menor tamaño, y ello no solo en ciudad sino también en recorridos interurbanos. Al igual que sucede con las emisiones contaminantes, los vehículos híbridos ofrecen las mayores reducciones de consumo durante la conducción por ciudad y cuanto más denso sea el trafico. La posibilidad de apagar su motor de combustión y moverse utilizando el motor eléctrico junto al freno regenerativo aportan un importante ahorro en consumo. Los ahorros que se derivan del freno regenerativo equivalen generalmente a un litro de combustible por cada 100 kilómetros recorridos en conducción por ciudad. El sistema de parada del motor de combustión puede suponer por sí solo un ahorro de consumo del 10% en el ciclo urbano, llegándose al 17% si la circulación es muy intensa, y de en torno al 6% en ciclo mixto. Una gran idea para ahorrar: la recuperación de la energía Una de las grandes novedades que ha aportado el vehículo híbrido consiste en la posibilidad de recuperar parte de la energía gracias al freno regenerativo. Este sistema de frenado es capaz de recuperar durante la frenada parte de la energía cinética que posee el vehículo por el mero hecho de desplazarse a una determinada velocidad. En un sistema de frenado convencional la energía cinética se transforma (se disipa) en calor o energía calorífica resultado de la fricción

14 urbano en donde se producen frecuentes frenadas. Además, el frenado regenerativo permite reducir en un 22% el peso del sistema de frenado convencional, alargándose también su vida útil. entre pastillas o zapatas, por un lado, y discos o tambores, por otro. También ventajas silenciosas Así, en las fases de deceleración y frenado el motor eléctrico actúa como un generador de electricidad y aprovecha la energía cinética del vehículo para obtener electricidad que se almacena en las baterías. Esto permite recuperar una cierta cantidad de energía que se perdería en forma de calor en el caso del sistema de frenado convencional. El sistema de frenado regenerativo actúa siempre que se usen los frenos y también siempre que el vehículo deje de acelerar, por lo que este sistema ofrece su mayor eficiencia en aquellas situaciones en las que existen continuas aceleraciones y deceleraciones, como es el caso de la conducción en ciudad. En conducción en autopista el sistema de frenado regenerativo sigue funcionado esporádicamente, por ejemplo en bajadas prolongadas o al reducirse la velocidad después de una maniobra de adelantamiento. En general, se estima que es posible recuperar hasta el 30% de la energía cinética, lo cual se traduce en un ahorro medio de cerca de un litro de gasolina por cada 100 km recorridos en ámbito Existe otra contaminación no tan reconocida inicialmente, pero no por ello menos perjudicial: la contaminación acústica producida por los vehículos a motor. Las principales fuentes de contaminación acústica en la sociedad actual provienen de los vehículos a motor, los cuales se calcula que son responsables de casi un 80% de dicha contaminación. La industria se estima que es responsable de otro 10% de las emisiones sonoras, los ferrocarriles de un 6% y los locales públicos, como por ejemplo los bares, del restante 4%. En España, el segundo país más ruidoso del mundo después de Japón, el parque automovilístico compuesto en la actualidad por cerca de 22 millones de vehículos genera en algunas zonas un intenso ruido urbano de cerca de 85 db(a). A partir de un nivel sonoro superior a 65 db(a), el límite aceptado por la Organización Mundial de la Salud, los seres humanos sufren ya molestias derivadas del ruido continuo. En zonas urbanas con mucho tráfico, y al margen de los motores, el propio rozamiento entre los neumáticos

15 y la calzada produce ya un considerable ruido en el ambiente. Los fabricantes de automóviles han desarrollado en las últimas décadas un enorme esfuerzo para disminuir el ruido procedente de los automóviles. Así, se ha mejorado el sistema de escape, se ha aislado y encapsulado el compartimiento del motor y se han optimizado acústicamente otras fuentes de ruido como las entradas de aire o la aerodinámica exterior. Los vehículos híbridos siguen siendo vehículos hasta cierto punto convencionales en tanto en cuanto disponen de un motor de combustión que utilizan en mayor o menor medida. Por ello, cuando su motor de combustión está en marcha a velocidades medias o elevadas, prácticamente el 100% de las fuentes de ruido coinciden con las de un vehículo convencional. Sin embargo, cuando el vehículo híbrido está detenido o se mueve a baja velocidad algunos híbridos paran el motor de gasolina y funcionan sólo con el sistema eléctrico para impulsarse, con lo que la emisión de ruidos puede reducirse en más de un 95%. En ciudad esta última circunstancia se da habitualmente, ya que una gran parte del tiempo los vehículos se mueven en caravana y a velocidades lentas (por debajo de 45 km/h) o, simplemente, están detenidos. La gran ventaja del vehículo híbrido en este sentido es por tanto su uso silencioso en ciudad, donde mayor impacto negativo tiene la contaminación acústica.

16 Evidencias cientificas de la eficacia de las tecnologías Colección El programa EuroNcap. 2.- Avance en el diseño de los reposacabezas 3.- Sistema de alerta de cambio involuntario de carril 4.- Avisa cinturones 5.- El control electrónico de estabilidad y el sistema de ayuda a la frenada 6.- Control inteligente de velocidad 7.- La llamada automática e-call 8.- Las luces de conducción diurna 9.- Sistemas de control de la presión de los neumáticos 10.- Las luces diurnas en vehículos de cuatro ruedas y la accidentalidad de ciclomotores y motocicletas 11.- Los sistemas de navegación 12.- La protección de peatones y ciclistas 13.- Tecnologías de propulsión híbridas Individualmente se pueden descargar en Patronos de la Fundación Fitsa Centro colaborador diseño: FITSA La obra se encuentra protegida por la ley española de propiedad intelectual y/o cualesquiera otras normas resulten de aplicación. Queda prohibido cualquier uso de la obra diferente a lo autorizado bajo esta licencia o lo dispuesto en las leyes de propiedad intelectual. Se permite la copia, distribución y reproducción de la presente obra siempre que se realice de forma individual, no lucrativa y con la indicación de sus autores, de su procedencia y de los derechos de FITSA sobre la misma. Prohibido sublicenciar la obra. Prohibida la modificación, reducción o ampliación de la obra así como su incorporación a otras obras sin el previo y expreso consentimiento por escrito de FITSA.