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1.2 Objetivo y estructura del libro El vehículo eléctrico y su infraestructura de carga
La presente obra, titulada El vehículo eléctrico y su infraestructura de carga, tiene como principal objetivo recoger toda aquella información que se considere necesaria para definir el Estado del Arte actual del Vehículo Eléctrico y de aquellos elementos pertenecientes a su infraestructura de carga. Varios son los motivos que permiten considerar necesaria una implantación del vehículo eléctrico a largo plazo, y se pueden resumir en tres sostenibilidades:
• Sostenibilidad ambiental, pues es una alternativa adecuada para el medio ambiente local.
• Sostenibilidad económica, ya que el sector de automoción precisa innovarse hacia una movilidad más en comunión con el medio ambiente.
• Sostenibilidad energética, pues el vehículo eléctrico representa una alternativa importante al petróleo y un camino adecuado para integrar las energías renovables en el transporte, además de mejorar la eficiencia energética del sector eléctrico para la carga en horas valle.
Puede así afirmarse que la movilidad eléctrica presenta concordancias positivas entre el sector industrial y el sector energético. Tampoco puede obviarse la evolución de la capacidad de almacenamiento de la energía eléctrica en baterías, que desde el principio de la década de los noventa ha aumentado notablemente.
La mayoría de países y fabricantes están apostando por la movilidad eléctrica y por la divulgación de esta tecnología. Para ello, se ha de convencer a los potenciales usuarios de su utilidad, ya que será particularmente importante en la vida cotidiana de los ciudadanos. En la «Estrategia europea sobre vehículos limpios y energéticamente eficientes», del 28/04/2010, se afirma que para que los vehículos ecológicos sean aceptados como alternativa real a los vehículos convencionales, debe informarse bien a los consumidores sobre las oportunidades, las ventajas y los aspectos prácticos de la movilidad sostenible. Y es precisamente en el marco de este objetivo en el que se desarrolla este trabajo, para que pueda servir de base a futuros estudios sobre el desarrollo de elementos relacionados con el vehículo eléctrico, partiendo de una base estudiada y concisa.
En este libro se han dedicado capítulos autocontenidos para abordar los siguientes temas: vehículos eléctricos, tecnologías de conexión, baterías y Smart grids.
Así, en el capítulo de los vehículos eléctricos se va a tratar su historia y evolución, cuándo surgen por primera vez los vehículos eléctricos en el mercado como posible alternativa en el desplazamiento de pasajeros y cómo evoluciona y se reinventa hasta llegar a la actualidad. Se distinguirán las diferentes opciones que se pueden encontrar, desde los híbridos hasta los completamente eléctricos ofertados actualmente en el mercado y se reflexionará sobre cuáles son las previsiones futuras para este sector.
En el capítulo de tecnologías de conexión se describirán los temas relacionados con las diferentes formas en las que puede recargarse un vehículo eléctrico, y cuáles son los estándares de conexión propuestos actualmente en el mercado, sin olvidar que aún es una tecnología en desarrollo y que Europa se encuentra elaborando en estos momentos la normativa de fabricación y estandarización. También se comentará qué normativa es la que empieza a aplicarse en España.
En el capítulo de baterías se definirán las baterías actuales que existen en el mercado, cuáles son las principales barreras tecnológicas a las que se enfrentan en este momento y los sistemas de gestión que se están desarrollando para la carga y almacenamiento de energía. Se hará especial énfasis en los recursos materiales utilizados y su producción actual en el mercado, y cómo se destacan como la principal dificultad para lograr una implantación definitiva.
En el capítulo de Smart grids, se describirá cómo ha empezado la red a retroalimentar la información de los consumidores, cómo va a tratarse dicha información y la utilidad de la misma a las distribuidoras, qué beneficios aporta y cómo afecta esto a la sostenibilidad del entorno.
1 La teoría del pico de Hubbert, también conocida como cenit del petróleo, es una teoría que se basa en la tasa de agotamiento a largo plazo del petróleo, así como de otros combustibles fósiles. Esta teoría predice que la producción de petróleo alcanzará cierto máximo y, a partir de este momento, caerá tan rápido como había crecido inicialmente. Se debe señalar que el factor limitante de extracción de petróleo es la energía requerida para ello y no el coste económico que conlleva.
2 Plan de Acción Nacional de Energías Renovables (PANER) 2011 – 2020.
2. SITUACIÓN GENERAL DE LOS VEHÍCULOS ELÉCTRICOS
2.1 El vehículo eléctrico
2.1.1 Historia y desarrollo de los vehículos eléctricos
Los primeros automóviles surgen durante la segunda mitad del siglo XIX aunque ya desde principios del siglo XVII existían diversos mecanismos, como el motor de vapor, para evitar la dependencia de la tracción animal o humana. En el siglo XVIII surgen los primeros vehículos accionados con este tipo de motores. Después de los motores de vapor, se desarrollaron los motores de gas, que presentaban el inconveniente de tener que transportar un generador de energía. Este generador implicaba una alta relación entre el peso del vehículo y la potencia necesaria para moverlo, por lo que se reducían sustancialmente las posibilidades de carga útil.
Un hito importante en el desarrollo del automóvil lo marcó Robert Anderson quien, entre 1832 y 1839, inventó el que sería el primer automóvil eléctrico rudimentario mediante pila de energía no recargable. Poco después se patenta la línea electrificada, que en principio solo era válida para trenes y trolebuses. En 1880, con la aparición de las primeras baterías recargables, se empiezan a desarrollar los primeros vehículos eléctricos (figura 2.1). Gracias a las mejoras del diseño de los acumuladores empezó a aumentar el número de vehículos eléctricos tanto en Francia como en Gran Bretaña, además de importar esta tecnología a Estados Unidos.
Pero el despegue del automóvil lo marcó Nicholas Otto en 1876, que desarrolla el primer motor de gasolina. Poco después, en 1886, Karl Benz desarrolla el primer vehículo que funciona completamente con gasolina. La evolución exigió tanto el perfeccionamiento de los sistemas de alimentación del carburante como los dispositivos de encendido de la mezcla aire-combustible, lo que permitía aumentar el número de revoluciones, disminuyendo el peso y el tamaño del motor. Sin embargo, a pesar de estos avances, los primeros vehículos de gasolina tenían grandes inconvenientes: eran muy sucios, contaminantes, ruidosos, con cambios de marcha rudimentarios, arranque mediante manivelas y susceptibles de fallar en cualquier momento.
A partir de aquí comienza una carrera muy competitiva entre países y marcas por imponer su forma de dar propulsión al automóvil (eléctrica o de gasolina), que tras sucesivas etapas, acaba con la “muerte” del vehículo eléctrico durante la Primera Guerra Mundial, en donde la velocidad, la durabilidad y la potencia en el campo de batalla resultaron fundamentales. Además, el hecho de que empezara a distribuirse petróleo de forma global permitió que el vehículo de combustión interna llegara a las masas, sobre todo a las familias de clase media.
Figura 2.1. Coche eléctrico y Thomas Edison
La introducción del arranque eléctrico en los vehículos simplificó enormemente la puesta en marcha del motor de combustión interna. Antes de incluir esta mejora, dicha tarea solía resultar difícil e incluso, en ocasiones, peligrosa. Esta innovación, junto con el sistema de producción en cadenas de montaje de forma masiva y relativamente barata implantado por Ford, contribuyó a la caída del vehículo eléctrico.
Sin embargo, a pesar del importante peso que cobraron los vehículos de combustión interna, las ventajas de los vehículos eléctricos seguían siendo muchas: eran simples, suaves en las marchas, silenciosos y con una autonomía y costes razonables para el usuario. Sin embargo, los tiempos de recarga eran elevados y el peso de las baterías aumentaba demasiado el peso total del conjunto. Todos estos factores aumentaron la caída en desuso del vehículo eléctrico.
Es hacia mediados de los años sesenta cuando se empieza a tener conciencia de la sostenibilidad del planeta. Sin embargo, fue la crisis del petróleo de 1973 el detonante para la reaparición de los vehículos eléctricos. Esta situación forzó a los fabricantes de vehículos de todo el mundo a mejorar su eficiencia, resultando necesario buscar alternativas al petróleo, sobre todo en países en los que su escasez podía derrocar su economía o encarecerla notablemente.
Quitando prototipos, modelos anecdóticos y vehículos industriales, hay que irse a 1990, cuando General Motors presenta el “Impact” en el Salón de Los Ángeles. Este fue el precursor del coche eléctrico más famoso hasta ahora: el General Motors Experimental Vehicle 1, o EV-1.
Algunas iniciativas legislativas de exigir vehículos de emisión cero impulsaron a las grandes empresas de automóviles a investigar en este campo. El estado de California, de los más contaminados de EEUU, fue el pionero con su Zero Emission Mandate (1990). Así, aparecieron en las carreteras de California varios coches eléctricos con prestaciones muy razonables y autonomía similar a los de hoy. Casi todos eran coches convencionales transformados, y solo unos pocos fueron desarrollos desde cero.
A pesar de los avances y de una normativa cada vez más comprometida con el medio ambiente, el coche eléctrico no interesaba por diversas razones: había “pocos clientes”, debían mantener repuestos para unas pocas miles de unidades, no requerían mantenimiento ni generaban dinero en la postventa, suponía mucho dinero en I+D y no salían rentables porque, en realidad, la población no los necesitaba.
No obstante, la realidad actual es bien diferente y todo indica que esta vez el vehículo eléctrico ha venido para quedarse. Los avances tecnológicos realizados han sido notables. Diversos fabricantes ya están desarrollando baterías de Litio Ion con más capacidad y mayor autonomía con menos tiempo de recarga. Parece que ahora se dan todas las condiciones necesarias para el lanzamiento de una nueva generación de vehículos eléctricos. Además, el desarrollo de energías renovables y las necesidades de reducir las emisiones de CO2, el ruido y la contaminación atmosférica, contribuyen a la efectividad de esta demanda.
2.1.2 Necesidad de los vehículos eléctricos
El automóvil eléctrico se presenta en la actualidad como la alternativa de futuro en cuanto a transporte urbano se refiere y trae, como consecuencia fundamental, la disminución de contaminación medioambiental en las grandes ciudades.
Se puede definir al vehículo eléctrico como un vehículo cuya energía de propulsión procede, total o parcialmente, de la electricidad de sus baterías, cargadas a través de la red eléctrica. De forma más exhaustiva, se puede denotar como cualquier vehículo impulsado exclusiva o principalmente por un motor eléctrico, alimentado desde una batería, un acumulador recargable o desde otros dispositivos de acumulación de energía recargables, utilizando para la recarga la energía de una fuente exterior al vehículo, por ejemplo, la red eléctrica.
2.2 Tipos de vehículos eléctricos
Los motores de combustión interna alternativa están diseñados específicamente para funcionar mediante la quema de combustible. Los vehículos eléctricos obtienen la energía a través de motores eléctricos. Sin embargo, esta energía puede generarse de diferentes formas:
• Recibir un aporte constante externo de energía al vehículo durante todo el recorrido, como es común en el tren eléctrico.
• Recibir enegía a través de un conjunto de productos químicos o baterías, almacenados en el vehículo que, mediante la adecuada reacción química, genera electricidad para el motor eléctrico. Ejemplo de esto es el coche híbrido no enchufable.
• Generar energía a bordo mediante el uso de placas fotovoltaicas que se alimentan de energía solar. Es un método no contaminante de producción eléctrica.
• Almacenar energía eléctrica mediante sistemas recargables incorporados al vehículo. Generalmente suelen utilizarse las baterías antes comentadas, los supercondensadores o los volantes de inercia sin rozamiento. Además, al sistema recargable para almacenar energía se le puede añadir un sistema basado en la quema de combustibles, que incluye la generación eléctrica con un motor de explosión y la propulsión mixta con motor eléctrico y de combustión.
La conexión masiva a la red eléctrica de un número elevado de vehículos eléctricos podría generar una demanda significativa sobre el sistema. Es necesario asegurar un balance adecuado que permita a las partes interesadas beneficios mutuos. Para empezar, sería adecuado un cierto grado de flexibilidad en los modos de recarga del vehículo eléctrico, así como introducir la figura del gestor de cargas para administrar la disponibilidad de la generación mediante energías renovables.
Un paso más allá sería lo que actualmente se conoce como tecnología Vehicle to Grid (V2G), que permite la utilización de las baterías de los vehículos eléctricos como medio de almacenamiento remoto. Su objetivo consiste en poder utilizar las baterías eléctricas para inyectar energía a la red cuando se considere necesario, según las condiciones en las que se encuentre el vehículo.
2.2.1 Clasificación y descripción de los vehículos eléctricos
El esquema simplificado de un vehículo eléctrico consta principalmente de los elementos reflejados en la figura 2.2.
Como se desprende de la figura 2.2, el sistema de motorización acciona el vehículo. Otros elementos a tener en cuenta son: la carrocería, que puede ser de una sola pieza o incorporar cerramiento de materiales ligeros; los sistemas auxiliares como iluminación, refrigeración o los sistemas de navegación; y la unidad de control, que tiene como señales de entrada el freno, la aceleración y la realimentación de la velocidad. Actualmente existen diferentes tipos de vehículos que utilizan energía eléctrica para funcionar y que se definirán a continuación (figura 2.3):
• Vehículo Eléctrico (BEV – Battery Electric Vehicle). Se trata de vehículos de tracción eléctrica alimentados por una batería recargable. Estos vehículos están propulsados únicamente por un motor eléctrico. La fuente de energía proviene de la electricidad almacenada en la batería, que se debe cargar a través de la red.
Figura 2.2. Esquema simplificado de un automóvil eléctrico
• Vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicle). Esta familia de vehículos combina un motor de combustión interna (MCI) con una batería y un motor eléctrico. El MCI y/o el motor eléctrico propulsan el vehículo en una configuración paralela. Cohabitan dos fuentes exteriores de energías: la proveniente de los combustibles, que permite mover el motor térmico, y la electricidad, suministrada por la red y que permite recargar la batería.
• Vehículo eléctrico híbrido no enchufable (HEV – Hybrid Electric Vehicle). Son vehículos provistos de un motor de combustión interna y de un motor eléctrico alimentado por un dispositivo recargable de energía —como una batería— mediante, entre otros medios, el motor de combustión interna (este tipo de vehículos no son considerados dentro de la Estrategia Integral para los vehículos eléctricos, ya que por sus características usan como única fuente de energía el combustible, y no permite la carga de la batería por una fuente exterior de electricidad). En un futuro, si la tecnología eléctrica llega a ser la dominante y el desarrollo de las baterías lo permite, será posible realizar recorridos más largos. De todas formas, se requiere una estandarización que permita cambiar las baterías usadas por unas recargadas.
Actualmente, se pueden encontrar en el mercado diferentes modelos de vehículos eléctricos híbridos no enchufables, como son por ejemplo, el Toyota Prius o el Honda Civic. La ventaja principal de estos vehículos es que no consumen energía cuando están parados y que recuperan energía en las frenadas o en fuertes pendientes. A pesar de que se mejora la eficiencia del vehículo eléctrico, el hecho de que no sea enchufable limita su contribución a la sostenibilidad ambiental del sector transporte. El problema reside en que no favorece la introducción de energías renovables de origen eléctrico a través de la carga de electricidad.
Figura 2.3. Tipos de vehículos eléctricos
El PHEV es esencialmente un vehículo híbrido con un dispositivo que permite su conexión a la red eléctrica para cargar electricidad en su batería a partir de una fuente externa. El motor de tracción es el motor eléctrico, contrariamente a como sucedía en el HEV. Este vehículo dispone de baterías con una capacidad superior y puede alcanzar autonomías de hasta 100 km. El motor de combustión es más pequeño y sirve para producir electricidad. Este tipo de vehículo reúne las ventajas de los coches de combustión y de los vehículos eléctricos. En la actualidad, la autonomía de las baterías todavía no permite recorrer grandes distancias sin la recarga de las mismas, por lo que este tipo de vehículos se perfila como el más atractivo de la próxima generación de automóviles. Su principal diferencia es el incorporar baterías de mayor capacidad que le permiten funcionar más tiempo en modo eléctrico puro, además de la posibilidad de recargar dichas baterías.
Desde el punto de vista de la sostenibilidad global, una de las grandes ventajas que aporta el vehículo híbrido o el eléctrico puro es su capacidad para cargar las baterías a través de electricidad proveniente de fuentes renovables, lo que permite la penetración de estas en el sector del transporte. Esto contribuirá a incrementar la eficiencia energética y a reducir las emisiones contaminantes. Durante el periodo nocturno las tarifas eléctricas son menores, por lo que se convierte en un momento ideal para la conexión del vehículo eléctrico al sistema, ya que el consumo energético es menor y existe un excedente de producción de energía eléctrica. Adicionalmente, la carga nocturna ayudará a la integración de las renovables, ya que aumentará la demanda en periodos de bajo consumo y elevada producción eólica.
Dentro de la categoría de vehículos híbridos, existen dos tipos de vehículos: los híbridos paralelo y los híbridos serie.
• Híbridos paralelo: Son los primeros en aparecer en el mercado. Utilizan fundamentalmente la tracción eléctrica para mejorar la eficiencia energética del motor de gasolina. Esto se consigue utilizando el motor de combustión interna en los regímenes de giro en los que tiene mejor rendimiento. Para ello, la tracción eléctrica se usa para iniciar el movimiento y almacenar energía al frenar. Esta gestión inteligente de la energía se puede realizar gracias a los variadores electrónicos, que permiten funcionar al motor eléctrico en cualquier régimen.
• Híbridos en serie: Utilizan un motor de combustión interna para recargar las baterías que alimentarán al motor eléctrico. Con este sistema, el motor eléctrico es el responsable de propulsar el vehículo. Teniendo en cuenta que es muy eficiente, lo que realmente impide utilizar este sistema es la necesidad de una batería de suficiente capacidad.
El vehículo eléctrico puro (BEV) obtiene prácticamente toda la energía para su funcionamiento de la electricidad, que es suministrada a través de la red. Con la electricidad se carga la batería, cuyo tamaño en este caso es superior al de las baterías del PHEV. La autonomía de un BEV puede estar limitada respecto a los estándares de los vehículos convencionales, dependiendo de la tipología de la batería y del número de baterías instaladas en el vehículo, aunque actualmente puede alcanzar los 200 km. El desarrollo de infraestructuras de recarga rápida, cuyo objetivo principal es completar una recarga en pocos minutos, y el avance en el desarrollo tecnológico de las baterías, son factores que pueden ayudar a superar este tipo de limitaciones. En este sentido, las nuevas baterías ofrecen perspectivas de mejoras tecnológicas y de reducción de costes bastante prometedoras.
