Jesús Casanova Kindelán
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- María Isabel Arroyo Morales
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1 Palma de Mallorca, 10 Noviembre 2011 Jesús Casanova Kindelán Catedrático de Motores Térmicos Director del Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Universidad Politécnica de Madrid
2 Contenido vehículos. La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/2011 1
3 Contenido vehículos. vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/2011 2
4 La movilidad humana Ha sido, es y será una necesidad de los seres humanos. Marca el nivel de desarrollo de los pueblos. El automóvil es el medio que más ha contribuido a la movilidad de personas y mercancías La movilidad del no podrá prescindir del automóvil Pero hacerla que evolucione de forma sostenible requiere importantes decisiones políticas y grandes esfuerzo innovadores. vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/2011 3
5 Conceptos de Eficiencia Energética de los vehículos. La EFICIENCIA ENERGÉTICA (*) de los vehículos de transporte se basa en: Optimización del consumo de energía para propulsión y sus fuentes. Optimización de la movilidad urbana y extraurbana. Gestionar adecuadamente la necesidad de desplazamientos. vehículos Optimización de las rutas a seguir. Optimización de la pauta de conducción. Mejorar la influencia de las infraestructuras de carreteras y de las ciudades. Caracterizar y mejorar la flota de vehículos, su antigüedad, segmentación y tipo de propulsión. El vehículo más eficiente es el que se mueve consumiendo lo menos posible e impactando lo menos posible en el ambiente (*) Se mide en energía consumida por pasajero y por kilómetro recorrido (kw h/p km) La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/2011 4
6 Energía y transporte El consumo de energía en el transporte crece más que en otros sectores: En Europa es más del 30 % del consumo total de energía. En España más del 39 %. Consumo de combustibles en España (septiembre 2010 agosto 2011): Gasolina: millones de litros ( 5,9 % respecto a año anterior) Gasóleo: vehículos millones de litros ( 2,7 % respecto a año anterior) País Energía Total Energía en transporte EE.UU. + Canadá 25 % 45 % Europa Occidental 15 % 35 % Japón 5 % 5 % Resto del mundo 55 % 15 % La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/2011 5
7 Eficiencia energética por modo de transporte El coche convencional tiene poca eficiencia energética. %: ocupación media 2,50 2,03 vehículos Consumo de energía (kw h/p km) 1,50 0,75 0,50 0,25 0 0,32 0,15 Coche 35-58% Tranvía 21% Tren regional 18% Bus 58-80% 0,13 0,11 0,81 1, Velocidad media (km/h) Avión (l. regular) 55% Avión (charter) 80% 0,49 0,34 0,29 Tren larga distancia. Eléctrico 25% 0,20 Tren larga distancia. Diesel 32% 0,65 Fuente: ITF 1990 La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/2011 6
8 Evolución del binomio Energía Medio Ambiente Periodo Energía SIN LIMITES Atmósfera CAPACIDAD ILIMITADA Periodo Crisis energía (1973) La energía convencional es FINITA! vehículos Recurrente cada diez años Medidas contra contaminación localizada (EEUU finales 1960) + Traslado a Europa por: Lluvia ácida Contaminación núcleos urbanos Preocupación efecto invernadero a finales de los años 1980 La atmósfera de la tierra es LIMITADA! La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/2011 7
9 Cómo impacta el automóvil en el medio ambiente vehículos Contaminación de la atmósfera Salud pública y calidad del aire (CO, HC, NOx, PM) Calentamiento global (CO 2 ) Ensuciamiento urbano Ruido Contaminación del suelo y las aguas Ocupación del espacio Impacto en el paisaje urbano y natural Paris Conceptos desacoplados La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/2011 8
10 De la fuente de energía a la energía de propulsión Energías renovables Energía fósil Fuentes de energía Energía química Combustión Motor térmico Pila de combustible Energía eléctrica vehículos Motores Térmicos Energía mecánica COMBUSTIÓN carburante Accionamiento directo. Motor + Caja de cambios Sistema híbrido. Motor térmico + generador + motor eléctrico. Recuperación de energía frenada Pilas de combustible Energía carburante energía eléctrica Tecnología en desarrollo. No implantada. Carburante convencional o bio* + reformado Hidrógeno. La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/2011 9
11 El flujo de energía en el vehículo Ejemplo: coche diesel en condiciones de tráfico urbano Pérdidas en el motor - Gases de escape - Radiador 61,7 % Energía química del combustible El gasóleo tiene 14% más energía por litro que la gasolina 8,5 % Ralentí 23,8 % 6% Rozamiento en transmisión - Caja - Diferencial - Palieres vehículos Pendiente 7 % Resistencia aerodinámica 8 % Inercia 50 % Resistencia rodadura 35 % Fuente: UPM 2009 La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
12 El consumo de los vehículos ligeros Crece con el tamaño del vehículo motores de gasolina consumen más que los diesel. Otros factores de diseño también afectan vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
13 Emisiones de CO 2 Energía Tendencia a reducción de consumo de energía motivada por Emisiones de CO 2 Efecto Invernadero Disponibilidad de fuentes de energía diversificación Dependencia externa vehículos Consumo combustible Emisiones de CO 2 (reacción de combustión) 1 litro gasolina 2,35 kg CO 2 1 litro gasóleo 2,61 kg CO 2 Acuerdo en Europa para reducir emisiones de CO 2 en vehículos nuevos Objetivo (a partir de 2012): 130 g/km media de emisiones de los vehículos vendidos por cada fabricante + otras medidas globales (120 g/km) Se promedia cada año las emisiones de CO 2 medidas en ensayo de homologación (banco de rodillos + ciclo UDC + EUDC) de cada marca ponderada según el volumen de ventas. La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
14 Estrategias para reducir el consumo energético del transporte: muchos actores vehículos Aumentar el rendimiento de los de propulsión: Responsabilidad: FABRICANTES Mejorar la movilidad: Responsabilidad: AUTORIDADES Utilizar combustibles de menos relación C/H Responsabilidad: AUTORIDADES (FABRICANTES) Optimizar la gestión del transporte Responsabilidad: EMPRESAS + USUARIOS Adquirir vehículos más eficientes (etiquetado energético) Responsabilidad: PROPIETARIOS Conducción eficiente Responsabilidad: USUARIOS La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
15 Contenido vehículos. vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
16 Fuentes de energía para el transporte actual y del vehículos Fósiles (petróleo, gas natural, carbón): Carburantes derivados del petróleo evolucionados: Gasolina, gasóleos, metanol, GLP (Gas Licuado de Petróleo) Gas natural y sus derivados: GNC (comprimido), GNL (licuado), GLP, DME (Dimetil éter), GTL (Gas To Liquid), etc Hidrógeno posible obtenerlo por reformado. Renovables (biomasa, solar, hidráulica, eólica, etc.): Combustibles derivados de biomasa: Etanol, Biodiésel (Éster Metílico de Ácidos Grasos), BTL (Biomass To Liquid), biogás, etc. Hidrógeno de electricidad renovable: De la red Generación distribuida. Nuclear (fisión, fusión): Solo posible hidrógeno (obtenido de energía nuclear) La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
17 El problema de los combustibles derivados del petróleo El petróleo será escaso. Se centra en el combustibles convencionales evolucionan: S, aromáticos, etc. Propiedades físicas y químicas. Coste y efecto en el CO 2. vehículos Mezclas con biocombustibles. Adaptabilidad a los de post-tratamiento. Escasez de gasóleo + excedentes de gasolina. Necesario acuerdo entre suministradores de fabricantes de vehículos. La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
18 Emisiones de CO 2 por tipo de carburante La emisión de CO 2 es consecuencia directa de la reacción de combustión de un hidrocarburo C x H y kg CO 2 / kg combustible Diesel Otto kg CO 2 / kw h vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
19 Análisis del pozo a la rueda. Ciclo de vida Análisis de todo el ciclo de extracción, producción, distribución y uso de los los de propulsión adecuados Conceptos que deben ser importantes para comparar tecnologías y combustibles frente a: Consumo energético Emisiones de CO 2 Emisiones contaminantes Coste Uso final Fuente de energía Conversión a combustible Venta y distribución Energía bruta Energía neta vehículos Del pozo al tanque (Well to Tank) Del pozo a la rueda (Well to Wheels) Del tanque a la rueda (Tank to Wheels) La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
20 WtW: Comparación consumo energía y emisiones de gases de efecto invernadero Incluyendo WtT se pueden invertir las diferencias vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
21 Factores que condicionan los carburantes para el transporte Generales Disponibilidad de reservas. Dependencia externa. Medio ambiente escala regional y transfronteriza. vehículos Calentamiento de la atmósfera (efecto invernadero). Costes de producción y distribución. Diversificación energética. Específicos del transporte por carretera Densidad de energía. Disponibilidad de suministro en ruta. Simplicidad y seguridad de manejo. Las tendencias de los combustibles del están ligadas al desarrollo de los de propulsión La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
22 Densidad de energía de otras fuentes Parámetro importante para comparar fuentes de energía para el Condiciona la aplicabilidad de combustibles a cada tipo de vehículo vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
23 Opciones de en de propulsión de automóviles Motores de combustión interna: Combustibles convencionales. Combustibles alternativos fósiles. Biocombustibles de 1ª y 2ª generación. Hidrógeno Motor eléctrico: Solo baterías recargadas en la red ( Vehículo Eléctrico ). Sistemas con M.C.I. + baterías. Sistemas con M.C.I. + baterías + recargables en red. vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
24 Evolución de los de propulsión convencionales Motores diesel de menor impacto ambiental. Combustión de baja temperatura (EGR) Postratamiento (Filtros, SCR) Motores de gasolina de menos consumo (menor emisión de CO 2 ) Inyección directa Distribución flexible o no mecánica vehículos Sobrealimentación Cajas de cambio convencionales, accionamiento automático control electrónico Aumento de las funciones de gestión electrónica del motor. Electrificación de cada vez más funciones: Bombas de refrigerante y de combustible Stop Start, ayuda en aceleración Transmisión eléctrica La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
25 Evolución de las emisiones de CO 2 Vehículos ligeros vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
26 Consumo de combustible, CO 2 emisiones VVT Consumo (CO 2 ) Emisiones Motores de ciclo Otto Mezcla pobre Filtros PM Inyección directa Emisiones de PM? EGR + Filtros PM Cat DeNox, SCR? Motores de enc. provocado ACTUAL: Bajo nivel de emisiones EVOLUCIÓN: Reducción de consumo CO 2 Motores diesel ACTUAL: Bajo consumo EVOLUCIÓN: Reducción de emisiones Combustión optimizada para reducción emisiones Motores diesel vehículos PM, HC, NOx, CO emisiones Hacia un hermanamiento de conceptos? Ambos perdurarán en el tiempo La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
27 Contenido vehículos. vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
28 Objetivo del etiquetado energético Reducir consumo energético de productos comerciales: Información al usuario crear necesidad Comparación Trasformar el mercado (fabricantes) Fomentar I+D con objeto de mejorar eficiencia energética 60% Antes de la intervención Después del etiquetado Transformación del mercado 50% vehículos % de modelo ofertados 40% 30% 20% 10% 0% A B C D E F G Categoría de consumo La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
29 Clasificación en colores según consumo Se establecer un valor medio de tendencia vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
30 Conducción Eficiente vehículos ACTITUD + TÉCNICA Economía de carburante + Seguridad Actitud: Anticipación, previsión, tolerancia. Conducción sosegada, suavidad. Técnica: Motor a bajas revoluciones. Secuencia de cambios, saltar marchas, usar marchas largas. Regularidad de velocidad. Aprovechar la inercia. No aceleraciones bruscas + Frenadas suaves. La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
31 Efecto de la pauta de conducción sobre el consumo vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
32 Influencia de la pauta de conducción sobre emisiones Peugeot Turbodiesel. Banco de rodillos vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
33 Contenido vehículos. vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
34 Los combustibles alternativos Objetivos de la U.E para 2020 Identifica tres combustibles principales, biocombustibles, gas natural e hidrógeno y unos objetivos (*) de niveles de uso para reducir la dependencia del petróleo y la contaminación local y global % de sustitución (Valor energético) Año Biocombustibles Gas Natural Hidrógeno Total vehículos (*)Objetivo COM(2001)547 y ampliado en la COM(2006) La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
35 El gas natural como combustible para vehículos Es un excelente combustible: Alto N. de Octano Buen rendimiento No emite partículas Catalizador de tres vías. vehículos Motores de C. Interna similares a los de gasolina. Emplean su tecnología ya desarrollada. Menos rendimiento energético que diesel. Permite reducir las emisiones de contaminantes locales y las emisiones de ruido frente a motores diesel Problema: almacenamiento en vehículo: Tanque a presión GNC (> 200 bar) Licuado GNL ( >- 161 ºC) 34 La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
36 Sistemas de carga de GNC vehículos 35 La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
37 Costes asociados a la infraestructura de carga de GNV Estación pública tamaño grande Capacidad m 3 /h. 37 GWh/año Suministro principal para vehículos pesados Coste aproximado instalación: vehículos 36 La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
38 La pila de combustible Objetivo: Obtener energía eléctrica directamente de la energía química del combustible Hidrógeno. Buen rendimiento (60%) Otros combustibles. Reformador: emisión de CO 2 + mal rendimiento Pila de combustible (PEM: 0,60?) H 2 Energía química Combustión Energía eléctrica Motor eléctrico Energía térmica Energía mecánica Máquina térmica de expansión vehículos Motor térmico ( 0,4) Futuro: 0,5 La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
39 La pila de combustible Energía química Aire Turbo compresor Energía eléctrica Motor eléctrico Diferencial Tanque de metanol Reformador Modulo inversor de tracción Pila de Combustible Motor eléctrico Diferencial Energía mecánica H 2 vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
40 El hidrógeno y la pila de combustible La pila de combustible puede ofrecer el doble de eficiencia energética que los motores de combustión interna El hidrógeno en una pila de combustible no produce otras emisiones de escape que vapor de agua retos tecnológicos son grandes y tardarán tiempo en resolverse vehículos Coste y durabilidad de la pila de combustible Almacenamiento del hidrógeno con suficiente densidad energética Infraestructuras de producción y distribución del hidrógeno Captura de CO 2 si se utilizan fuentes fósiles Coste y capacidad de producción si se utilizan fuentes renovables Entretanto puede haber otras opciones más sencillas de uso del hidrógeno: motores de combustión interna, mezclas de hidrógeno y gas natural para vehículos pesados. La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
41 El hidrógeno parece la panacea! Pero el hidrógeno NO ES UNA FUENTE DE ENERGÍA! Fuentes de energía Carbón Petróleo Gas natural Biomasa Reformado, Oxidación parcial parcial CO 2 Secuestro de CO 2? vehículos Eólica Solar Hidráulica Geotérmica Nuclear Electricidad H 2 O Electrolisis del agua H 2 O H 2 M.C.I. P.C. El problema es cómo obtener hidrógeno de fuentes renovables sin quitar estas fuentes de la red eléctrica La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
42 Contenido vehículos. vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
43 Pros y Contras del Vehículo Eléctrico PROS vehículos Reducción de la dependencia energética exterior, especialmente de los derivados del petróleo. Mejora del reparto de cargas del sistema eléctrico (reducción diferencia punta/valle). Reducción de las emisiones de contaminantes en entornos urbanos y zonas protegidas (Los V.E. no emiten NO X, SO 2, PM y CO en el punto de consumo). Posibilidad de incorporación de las energías renovables a la energía del transporte, especialmente horas valle. Recarga inteligente CONTRAS Baja densidad energética, autonomía. Tiempo de carga. Peso de las baterías. Reparto de cargas en la red La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
44 Implantación Vehículo Eléctrico en España Iniciativa Objetivo Corto plazo (1) 2000 V.E en 2011 vehículos Medio plazo EEIVE (2) V.E en 2014 Largo plazo Directiva EE. RR. (3) V.E en 2020 (1) Proyecto Piloto gestionado por IDAE (2) Estrategia Española de Impulso del VE ( ) (3) Directiva 2009/28/CE. Objetivo 2020: 10%de fuentes renovables en el transporte La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
45 Costes asociados a la infraestructura de recarga eléctrica Terminal de recarga individual en domicilio Coste aproximado: 400 Instalación acometida, puesta en marcha y legalización Coste aproximado: 400 vehículos Terminal de recarga individual pública intemperie Coste aproximado: Instalación acometida, puesta en marcha y legalización Coste aproximado: La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
46 Propulsión híbrida Concepto de vehículo de propulsión híbrida VH (HEV): Disponen de dos tipos de motores debidamente conjugados. Y, normalmente, acumulación de energía, regulación entrega de potencia y recuperación de energía. vehículos Dos principios: Vehículo eléctrico que tiene motor térmico para aumentar autonomía y recargar baterías. Vehículo con motor térmico que incorpora de acumulación y gestión de al menos dos tipos de energías para optimizar su eficiencia. La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
47 La propulsión híbrida como solución de ahorro energético Razonable relación coste efectividad. Mismos combustibles. vehículos Combinación de motores térmicos + motores eléctricos + acumuladores Aplicados en la ingeniería desde hace más de 100 años. Eficiencia energética optimización de flujos de energía Control electrónico computerizado y sofisticado. Adecuado para tráfico de régimen dinámico muy variable: urbano, rural, etc. La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
48 Ahorro de energía en los vehículos Motor térmico de menor tamaño (y potencia), menores pérdidas mecánicas y ciclo optimizado. Motor eléctrico contribuye en potencia máxima y aceleraciones. Optimización del punto de funcionamiento del motor térmico, centrándose en zonas de trabajo más eficientes. Parada del motor térmico al detenerse el vehículo (6-10 % del consumo urbano) Recuperación de energía en frenadas (menor desgaste de frenos) vehículos A resolver: Confort del habitáculo en las paradas del motor Motor térmico arranca y para repetidamente: enfriamiento y lubricación. Mayor peso y tamaño por máquinas eléctricas + baterías + inversores La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
49 Tres filosofías de propulsión híbrida 1. Motor eléctrico aporta potencia a motor térmico en ciertos momentos. Vehículos potentes, 4x4, competición, etc. 2. Eficiencia energética del sistema de propulsión: gestión de energías y recuperación en frenadas. Vehículos eficientes 3. Evolución de tracción eléctrica pura para aumentar autonomía. Electrificación de la propulsión es predominante vehículos Motor térmico recarga acumuladores Ejemplos: Lexus LS600h: Potencia Chevrolet Tahoe Hybrid: 4x4 Toyota Prius: Eficiencia Chevrolet Volt: Electrificación La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
50 Clasificación de los por nivel de electrificación vehículos Atendiendo al nivel de electrificación Stop Start (micro ). Baterías mayores y gestión del motor. Motor de arranque convencional. Alternador reversible. Arranque directo (inyección directa de gasolina). Híbridos ligeros (mild hybrid). Cambios sustanciales en diseño transmisión. Motor similar. Baterías con mayor capacidad. Motor térmico siempre propulsa. Motor eléctrico arranque + ayuda en aceleración. Recuperación frenadas. Híbridos integrales (full hybrid). Gestión compleja del sistema. Motor térmico y motor eléctrico pueden propulsar independientemente o coordinados. Híbridos enchufables (plug-in hybrid). Baterías de gran capacidad de carga. Pueden recargar electricidad desde la red con un enchufe. La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
51 Contenido vehículos. vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
52 Consumo de energía y de emisiones de CO 2 para diferentes tecnologías emergentes Consumo energía Emisiones de CO 2, función de formulación del combustible y del rendimiento del motor Turismos berlinas medios ( CV) vehículos La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
53 Situación de la movilidad en las Islas Baleares vehículos Distancias cortas (máxima distancia): Mallorca: 97 km Menorca: 47 km Ibiza: 39 km Formentera: 18 km Carreteras: 1025 km > 7 m 94 km autopistas Parque circulante: turismos ( diesel) furgonetas camiones 2,340 autobuses motor Tasa de motorización alta: > 600 turismos /1000 habitantes. Mucho alquiler: vehículos pequeños y medianos + motos. Problema: emisiones de CO 2 del mix de e. eléctrica (solo fósiles): 0,726 kg/kwh frente a 0,233 kg/kwh en la península La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
54 Posibilidades de transformación del parque de vehículos de las Islas Baleares vehículos Turismos Potenciar vehículos pequeños. Eléctricos para: Flotas cautivas (empresas). Alquiler (islas pequeñas, zonas protegidas). Híbridos: Alquiler, tamaño medio. Privados. Motos: Eléctricas en ciudades y urbanizaciones. Furgonetas: Eléctrico (flotas cautivas). GNC (bicombustible). Autobuses urbanos: GNC ( GNL?). Híbridos. Camiones < 12 t: GNC ( GNL?). % de vehículos de cada tipo a sustituir depende de: Objetivos medioambientales. Objetivos energéticos. Ordenación del territorio Apoyos institucionales. 53 La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
55 Soluciones? La eficiencia energética en los automóviles J. Casanova. 10/11/
56 Gracias por su atención JESÚS CASANOVA KINDELÁN
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