El papel del Transportador Personal Segway (PT) en la reducción de las emisiones y en la eficacia energética

Transcripción

1 El papel del Transportador Personal Segway (PT) en la reducción de las emisiones y en la eficacia energética John David Heinzmann y B. Michael Taylor, Segway Inc. En diciembre de 2001, el famoso inventor Dean Kamen dio a conocer el Transportador Personal Segway (PT). Desde entonces, la visión del transporte que tiene la sociedad ha experimentado un cambio notable. Los precios del combustible han aumentado, existe una mayor conciencia del daño causado por el dióxido de carbono y otras emisiones de gases de efecto invernadero, y las fuerzas medioambientales y políticas han desestabilizado el suministro mundial de petróleo. El Segway PT nos ayuda a reducir la dependencia del petróleo procedente del extranjero, utilizar el suministro de energía existente de una manera más eficiente y reducir la contaminación. Los conductores de Estados Unidos realizan unos 900 millones de desplazamientos en coche al día. EPA calcula que la mitad de estos desplazamientos cubre una distancia inferior a 8 kilómetros y son utilizados por un solo pasajero, es decir, desplazamientos perfectamente adaptados al Segway PT. Dado que actualmente existen muchas formas de transporte motorizado, este documento pretende comparar su correspondiente impacto en el medio ambiente, tanto en los que respecta a las emisiones generadas como a la energía consumida. En los siguientes apartados se explican con todo detalle los métodos de cálculo. No obstante, en primer lugar queremos presentar un resumen de los datos estadísticos de las correspondientes producciones de emisiones y de la eficacia energética del Segway PT en comparación con otros medios de transporte conocidos. El Segway PT no produce emisiones durante su funcionamiento. Sus baterías, en realidad, consumen electricidad durante la recarga y, por ello, hemos utilizado las emisiones producidas durante la generación y suministro como base de nuestro análisis. Si comparamos esto con las emisiones generadas durante el refinamiento, el transporte y la combustión del combustible para vehículos, podemos comparar el Segway PT con los motores de combustión interna tradicionales. Este análisis nos permite también medir la correspondiente eficacia de la fuente de combustible. Resumen de la generación de emisiones El funcionamiento de un Segway PT genera: 5,6 veces menos de gases de efecto invernadero por kilómetro que un Toyota Prius (reducción del 82%) 14 veces menos de gases de efecto invernadero que los utilitarios estadounidenses (reducción del 93%) 20 veces menos de gases de efecto invernadero que un todoterreno grande (reducción del 95%) Resumen del consumo de energía El Segway PT es: 4,5 veces más eficiente energéticamente que un Toyota Prius 11 veces más eficiente energéticamente que los utilitarios estadounidenses 17 veces más eficiente energéticamente que un todoterreno grande Nota: todos los cálculos se basan en un pasajero por vehículo

2 I. El Segway PT y la reducción de las emisiones El Segway PT es alimentado por baterías especialmente diseñadas de ión de litio basado en fosfatos, totalmente seguras, estables e ideales para el uso diario. No se producen emisiones durante el funcionamiento, pero dado que el Segway PT saca energía de la red de suministro eléctrico para cargar sus baterías, esta evaluación se basa en las emisiones creadas por la producción de la electricidad consumida durante la recarga. En lo que respecta a los motores de combustión interna y los motores híbridos, debemos considerar las emisiones generadas durante el funcionamiento, así como durante la producción y el transporte del combustible de cada vehículo. EPA publica los datos de las emisiones de todos los vehículos comerciales y camiones; los datos de EPA incluyen todas estas emisiones, están expresados en términos de equivalentes de CO2, y contemplan el CO2 y otros gases de efecto invernadero tales como el metano y el óxido nitroso. En la Figura 1 pueden verse las emisiones de diversos vehículos (las marcas son propiedad de sus respectivas empresas): Figura 1. Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero CO 2 si se sustituye por el Segway PT Vehículo (MPG) Equiv. de CO2 emitido (libras/milla) Reducción de CO2 si se sustituye por el Segway PT Utilitario medio estadounidense 22 1, % Cadillac Escalade 15 1, % Toyota Prius 55 0, % Volkswagen Golf TDI (diesel) 37 0, % Moto 50 0,39 * 81% Scooter 70 0,28 * 71% Segway PT 20 millas/carga 0,081 * Existen pocos datos de las emisiones de gases de las motos y los scooters. En este caso hemos calculado el CO2 real generado por la combustión del combustible con arreglo al consumo señalado. La masa de carbono en un galón de gasolina es de 2,421 gramos 6. El peso molecular del CO2 es 44 y el del carbono es 12. Las emisiones de CO2 de un galón de gasolina = 2,421 gramos/galón x 0,99 7 x (44/12) = 8,788 gramos/galón = 19,4 libras/galón. Si dividimos esto por el consumo de combustible señalado (millas/galón) de las motos/scooters nos da las libras de CO2 emitidas por milla. Esto subestima la cantidad de emisiones generadas tanto por las motos como por los scooters ya que no contemplamos las emisiones de la producción y suministro de combustible o los equivalentes para otros gases emitidos. 1 Para el cálculo de los equivalentes de CO2, se multiplica el peso relativo del metano por 21 y se añade al total, mientras que el óxido nitroso se multiplica por 301. Esto se debe a su correspondiente impacto en el cambio climático y está ampliamente aceptado como una manera de cuantificar diversos gases de efecto invernadero en un solo número. 2 Agencia de Protección Medioambiental estadounidense ,99 representa el factor de oxidación, es decir, el 1% del carbono en el combustible no se oxida.

3 Emisiones generadas por la producción de electricidad Las emisiones de gases de efecto invernadero generadas por la producción de electricidad varían según las fuentes de combustible utilizadas en cada región. En la Figura 2 se muestra la combinación media de combustibles para la producción de electricidad en Estados Unidos (datos del 2004) 8. Muchas de las zonas en las que se utilizan los Segway PT presentan unas combinaciones mucho más limpias. Por ejemplo, la combinación de fuentes en California incluye mucho más gas natural (37,6%) y geotérmico (8,4%) y utiliza muy poco carbón. 9 Figura 2. Combinación de combustibles para la producción de electricidad Las emisiones medias de esta combinación de fuentes son 1,55 libras de C02 por kwh 10, lo que significa que un vehículo alimentado con baterías eléctricas crearía 1,55 libras de equivalentes de CO2 11 por cada kwh que consuma durante la recarga. El Segway PT El Segway PT es alimentado por dos baterías de ión de litio que normalmente tardan de ocho a diez horas en cargarse y consumen 1,04 kwh de energía procedente de una toma de corriente para una carga completa de la batería 12. El Segway PT presenta una autonomía de millas (26-39 km) con una única carga. No obstante, la autonomía real depende de varios factores, entre ellos, el terreno, la carga útil y el estilo de conducción. Teniendo en cuenta esta autonomía, el Segway PT consume 0,052 kwh/milla (1,04 kwh/20 millas). De acuerdo con la mezcla de combustible media en EE.UU. para la producción de electricidad, estos 52 vatios-hora crean 0,081 libras de emisiones de CO2 por milla (0,052 kwh/milla x (0,052 kg de CO2/kWh) = 0,081 libras de CO2. Esto supone catorce veces menos de emisiones de gases de efecto invernadero que los emitidos por un utilitario estadounidense que cubra la misma distancia.. II. El Segway PT y la eficacia energética Qué es realmente la eficacia energética? Aunque la reducción de las emisiones es de suma importancia, también lo es el uso eficiente de los recursos energéticos. Esto beneficia al usuario, ya que reduce los costes de explotación, y a la sociedad en general, gracias a la reducción de nuestra demanda total de energía y de nuestra dependencia del petróleo. La eficacia energética es un cálculo complejo y a menudo se simplifica en exceso en términos como millas por galón (MPG) o litros por 100 km (1/100 km).para comprender realmente el significado de la eficacia energética, hay que considerar la energía consumida durante la producción y el transporte del combustible así como el contenido de energía del propio combustible. En el caso de la electricidad distribuida, cabe considerar la electricidad consumida durante el funcionamiento y las pérdidas de transmisión que se producen entre la planta y la toma de corriente. 8 Energy Information Administration, 9 Discurso de Jim Boyd, Comisión Energética de California, 7 diciembre 2006, San Diego, CA Durante la combustión de los combustibles fósiles se emiten otros gases que contribuyen al cambio climático. El CO2 es con mucho el principal componente de las emisiones gaseosas de la producción de electricidad y las contribuciones de los demás gases (metano, óxido nitroso, etc.) son, en comparación, insignificantes. 12 Pruebas internas de Segway Inc.

4 La densidad energética de los diferentes combustibles puede compararse con arreglo a los megajulios de energía por kilogramo (MJ/kg). En el caso de los vehículos y de los transportadores personales, la eficacia energética puede expresarse en términos de la distancia cubierta por megajulio de combustible consumido (millas/mj); cuanto mayor sea el número mejor. Vehículos motorizados de gasolina La gasolina bombeada tiene una densidad energética de 46,7 MJ/Kg 13. El proceso de producción y suministro presenta una eficacia comprendida entre el 83% y el 86% según la calidad y la composición 14. Por consiguiente, se necesitan entre 54 y 56 megajulios de petróleo crudo para producir un kilo de gasolina. Dado que un galón de gasolina pesa unos 2,72 kilos 15, se necesitan 150 MJ de petróleo crudo para suministrar un galón de gasolina a la bomba. El gasóleo tiene una densidad energética de 45,9 MJ/Kg. 16 En el caso del gasóleo, el proceso de producción y suministro presenta una eficacia del 87-89% 17, y un galón pesa 3,23 kg. Por tanto, se necesitan 168 MJ de petróleo crudo para suministrar un galón de gasóleo a la bomba. Eficacia energética de los vehículos alimentados con batería Se puede producir electricidad con varios métodos, incluida la combustión de combustibles fósiles, la energía hidroeléctrica, la energía nuclear y la energía eólica. La eficacia del proceso de producción de potencia eléctrica depende del combustible, pero si tomamos la combinación media en Estados Unidos, la eficacia media es 34,3% 18. En otras palabras, es necesario consumir el equivalente a un kwh de combustible para producir 343 Wh de electricidad. Además, el proceso de traslado por la red eléctrica presenta una eficacia del 92% 19, lo que resulta en una generación y un suministro de energía de la fuente a la toma de corriente que presenta una eficacia del 31,6% (.92 x.343=.316). Un kwh equivale a 3,6 MJ de energía. En base a una eficacia del 31,6% (1 kwh/31,6%) (3,6 MJ/kWh) = se necesitan 11,4 MJ de energía de combustible para suministrar un kwh de energía eléctrica a una toma de corriente de una vivienda. La eficacia energética de uso para un vehículo alimentado con batería puede establecerse dividiendo la autonomía del vehículo con una carga en millas por el consumo eléctrico medido durante la recarga en kwh, y después dividir el resultado por 11,4 MJ/kWh. Eficacia energética de los coches y de los camiones El utilitario medio en Estados Unidos precisa 22,4 MPG 20. En base a la energía necesaria para producir un galón de gasolina en la bomba (150 MJ), el coche medio en Estados Unidos cubre una distancia de 0,15 millas por megajulio. Cabe observar que algunos viajes en coche son con varios pasajeros, por lo que la eficacia energética será superior en esos casos. En la Figura 3 puede verse la eficacia energética de varios vehículos ocupados por una sola persona: 13 Well-to-Wheel Studies, Heating Values, and the Energy Conservation Principle, 29 de octubre de 2003, Ulf Bossel, 14 Well-to-Tank Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Transportation Fuels - North American Analysis, General Motors Corporation Argonne National Laboratory, p Fuel From Farms: a Guide to Small Scale Ethanol Production. U.S. Dept. of Energy. Mayo de Página D Well-to-Wheel Studies, Heating Values, and the Energy Conservation Principle, 29 de octubre de 2003, Ulf Bossel, 17 Well-to-Tank Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Transportation Fuels - North American Analysis, General Motors Corporation Argonne National Laboratory, p Lawrence Livermore National Laboratory, Well-to-Tank Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Transportation Fuels - North American Analysis, General Motors Corporation Argonne National Laboratory, Vol 3, p USDOT, Bureau of Transportation Statistics, 2004

5 Figura 3. Eficacia energética por tipo de vehículo Vehículo (bajo) (medio) (alto) urbano 21, o batería con poca autonomía Eficacia energética (millas/mj) combinado 22, o batería con una autonomía media Eficacia energética (millas/mj) autopista 23, o batería con gran autonomía Eficacia energética (millas/mj) Cadillac Escalade 13 0, , ,11 Utilitario medio estadounidense n/a n/a 22 0,15 n/a n/a Volkswagen Golf TDI 33 0, , ,26 Moto 40 0, , ,40 Toyota Prius 51 0, , ,40 Scooter 60 0, , ,53 Segway PT 16 1, , ,02 Por ejemplo, el Toyota Prius, uno de los coches más conocidos de gran consumo, presenta un ahorro medio de combustible de 55 MPG. Si se necesitan 150 MJ para producir y suministrar un galón de gasolina al depósito del Prius, significa que la eficacia energética es de 0,37 millas/mj (55-150). Motos Las motos medias precisan 50,1 MPG 24, lo que resulta en una eficacia energética de 0,33 millas/mj. Cabe observar que la gran mayoría de motos y scooters es utilizada por un solo pasajero. Scooters Los scooters de gasolina varían en su consumo, pero los scooters modernos de cuatro tiempos normalmente precisan unos MPG 25. Si utilizamos el límite superior de este intervalo, la eficacia energética será de 0,53 millas/mj. Segway PT En condiciones normales, el Segway PT consume 1,04 kwh 26 de electricidad para cargar del todo sus baterías de ión de litio. La autonomía de un Segway PT totalmente cargado es de 16 a 24 millas, según factores tales como el terreno y el estilo de conducción. Si utilizamos la parte central de este intervalo, el Segway PT utiliza 1040 Wh de electricidad de la toma de corriente para hacer 16 millas, lo que supone una eficacia de (16 mi/1,04 kwh suministrados)/(11,4 MJ energía/kwh suministrados) = 1,69 millas/mj. Con este intervalo, el Segway PT cubre una distancia 4,5 veces superior por MJ de combustible que el Toyota Prius, y 3,6 veces superior que incluso los scooters de gasolina más eficientes. Conclusión Cuando se usa según lo previsto, el Segway PT puede reducir espectacularmente las emisiones de gases de efecto invernadero y aumentar considerablemente la eficacia energética, gracias a la sustitución de los desplazamientos en coche de poca distancia con un único ocupante. Su diseño compacto y resistente lo hace ideal para una amplia variedad de usos diarios y aplicaciones comerciales, y permite cubrir distancias que anteriormente requerían el uso de un vehículo tradicional USDOT, Bureau of Transportation Statistics, indicado por varios fabricantes 26 Pruebas internas de Segway In

6 . John David Heinzmann, Ingeniero de Propulsión de Segway, Inc., es licenciado en Ingeniería Mecánica. Empezó a trabajar en 1995 en DEKA Research and Development Corp y se incorporó al proyecto Segway en el año En Segway dirigió el desarrollo de la electrónica de potencia para los motores del Transportador Personal Segway. En Deka se ocupó del desarrollo de la electrónica de potencia y de los algoritmos de control para el Sistema de Movilidad Independence ibot (silla de ruedas con estabilizador). En un trabajo anterior fue contratista de ingeniería para el centro de I+D de Pacific Gas and Electric Company, y se encargaba de probar y analizar el rendimiento de sistemas energéticos avanzados, entre ellos, las instalaciones de pruebas de la generación de potencia fotovoltaica y su electrónica de conversión a potencia, un sistema de almacenaje de energía magnética superconductora, el sistema de distribución de corriente CA y CC para el metro transbahía BART (Bay Area Rapad Transit), un sistema de Batería AC, y el desarrollo de un sistema de almacenaje de energía de gran capacidad para un pequeño suministro de corriente ininterrumpible. B. Michael Taylor es Director de Producto de Segway Inc. trabaja en Segway desde el año 2001 y ha dirigido la comercialización de los Transportadores Personales de la empresa destinados al transporte urbano. Con anterioridad a su incorporación en Segway, dirigió la comercialización y el desarrollo de tecnologías avanzadas para calzado deportivo en empresas como Reebok International y Puma AG. Segway y el logotipo de Segway 'flyguy' son marcas registradas de Segway Inc. ("Segway"). Otras marcas como InfoKey y LeanSteer son marcas registradas o marcas de derecho consuetudinario de Segway. Segway se reserva todos los derechos de las marcas registradas. Las marcas registradas que no son propiedad de Segway son propiedad de sus respectivos titulares. Copyright Segway Inc. Todos los derechos reservados.