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2.2.2 Parámetros a analizar en los vehículos eléctricos

Hay dos parámetros fundamentales a la hora de analizar la viabilidad del vehículo eléctrico: la capacidad de las baterías y la autonomía que estas pueden proporcionar, es decir, cuál es el consumo por kilómetro recorrido. Conocido dicho consumo por kilómetro recorrido y dada una distancia diaria recorrida, se puede conocer el orden de magnitud de la demanda de energía eléctrica esperada. Si se necesita más información, se pueden consultar los distintos modelos que se ofrecen en la actualidad en el mercado en el Anexo I y II.

Comparado con el motor de gasolina, para la determinación de la eficiencia de un vehículo eléctrico influye de manera considerable el supuesto que se haga del elemento generador. Una central térmica puede tener una eficiencia algo superior al 50 % y otra con fuentes renovables puede alcanzar el 100 %. En cambio, el vehículo convencional de gasolina con motor de combustión interna tiene una eficiencia global del 25 %.

Esto implica que, de la energía del combustible introducido en el vehículo, solo se obtiene en forma de energía mecánica para el movimiento de las ruedas el 25 %, desaprovechándose el 75 % restante de la energía. Esta pérdida de energía deriva de distintas causas: rozamientos dentro del motor o en la tracción, o los propios factores termodinámicos limitadores del rendimiento en los motores de combustión interna.

Por otro lado, para el vehículo híbrido enchufable, la introducción del motor eléctrico, además del motor convencional, contribuye a la mejora de la eficiencia energética. En el caso del vehículo eléctrico puro, el rendimiento puede alcanzar mayores valores si la electricidad que carga las baterías de este vehículo tiene un origen plenamente renovable, menor si proviene de generación eléctrica basada en gas natural. Lógicamente, la eficiencia del PHEV, dado que es una combinación de motor convencional y eléctrico, tendrá una eficiencia variable hasta de un 50 % según la utilización de los mismos, muy superior a la del vehículo convencional o el híbrido tradicional. Según estas cifras, se puede llegar a aprovechar el doble de energía en un PHEV respecto a un vehículo convencional, como puede verse en la figura 2.4.

2.3 Vehículos propulsados por hidrógeno

El vehículo eléctrico está aún en fase de desarrollo e implantación en el mundo, y se perfila como la principal alternativa a los vehículos convencionales de consumo de combustibles fósiles. Sin embargo, las baterías no son la única alternativa disponible para suministrar energía eléctrica al vehículo. Sería aconsejable nombrar, al menos, a uno de los posibles competidores y ver qué características ofrece este al mercado.

Figura 2.4. Análisis de la eficacia del vehículo de gasolina respecto al eléctrico

El esquema simplificado de un vehículo impulsado por pila de combustible de hidrógeno consta de las siguientes partes: un motor eléctrico, para darle motricidad al vehículo (suelen ser motores síncronos); la pila de combustible de hidrógeno, que genera la electricidad para alimentar al motor, y que además puede utilizar combustibles indirectos para la generación de hidrógeno; la unidad de control electrónico, para procedimientos electrónicos de alto rendimiento; los acumuladores de energía, que pueden ser tanto baterías como supercondensadores; y el depósito de combustible, en este caso, hidrógeno. El conjunto de estos elementos queda reflejado en la figura 2.5.

Figura 2.5. Esquema del vehículo de hidrógeno

El uso actual del hidrógeno está centrado principalmente en pilas de combustible limpias y para almacenamiento de energía. La pila de combustible de hidrógeno contiene básicamente hidrógeno y oxígeno, y produce electricidad a través de una reacción química y agua.

Los principales problemas surgen en la producción, almacenamiento y distribución. El rendimiento oscila entre el 35 % y el 40 %, prácticamente el mismo que el motor de gasolina. Entre sus principales inconvenientes pueden citarse:

• La distribución, que dentro del propio vehículo es complicada. Sería más adecuado que fuese suministrado en estaciones de servicio, lo que obliga a generar una infraestructura de producción y distribución totalmente renovada.

• El almacenamiento, para lo que hay que tener en cuenta que el hidrógeno es muy volátil y, a temperatura ambiente, ocupa más espacio que la gasolina normal, por lo que serían necesarios tanques de mayores dimensiones que los actuales. Además, necesitaría un diseño adecuado para evitar las fugas y resistir posibles colisiones de alto impacto. Sin embargo, hay que señalar que es más fácil de almacenar que la propia electricidad.

• La generación, donde en la actualidad los costes de producción son muy elevados, ya que las pilas son muy pesadas. La situación se prevé así durante los próximos treinta años, por lo que sería necesario invertir en mejorar las tecnologías asociadas a la producción de hidrógeno.

La figura 2.6 muestra el ciclo de energía del hidrógeno. A diferencia de las baterías, no es necesario recargar las pilas de hidrógeno, que generan energía mientras que estén recibiendo combustible.

Figura 2.6. Ciclo de energía del hidrógeno¹

Para saber cómo funciona la pila de combustible, basta con describir el principio de actuación, que no es otro que el de la inversión del clásico experimento de la electrólisis. Dicho experimento consiste en hacer que una corriente eléctrica atraviese el agua para descomponerla en oxígeno e hidrógeno. En la pila de combustible se alimentan oxígeno (del aire) e hidrógeno en las dos caras opuestas de un lecho reactivo, en el que a través de un catalizador ambos elementos se combinan para formar agua y generar energía eléctrica durante el proceso. De entre todos los procesos desarrollados hasta el momento, el que consigue niveles de funcionamiento más efectivos es el de membrana de intercambio de protones, que funciona a una temperatura en torno a los 80 °C. El principio de funcionamiento está representado en la figura 2.7.

Figura 2.7. Esquema de funcionamiento de una pila de combustible

En definitiva, existe la posibilidad de usar una tecnología muy prometedora, pero aún es necesario retirar la dependencia de los combustibles fósiles. Además, se necesita una gran cantidad de energía eléctrica para separar el hidrógeno de forma individual del compuesto original, ya que es altamente reactivo. Lo ideal sería que, gracias a la energía solar, el hidrógeno se generase a partir de agua de mar. De esta forma se conseguiría un combustible de forma limpia e inagotable, sin contaminar el aire ni emitir partículas nocivas para la salud. Pero la creación de toda una nueva infraestructura formada por plantas de fabricación, distribución mediante tuberías y embotellado, y estaciones de servicio, así como construir el propio vehículo, sigue generando unos costes altísimos. Además, el factor más acuciante a tener en cuenta es que el hidrógeno es un material altamente explosivo, lo que añade muchas especificaciones de seguridad al vehículo, pudiéndose hacer necesario incluir un depósito de grandes dimensiones para permitir recorridos largos como hacen los vehículos actuales. Habrá que esperar para ver cómo se desarrolla esta tecnología de cara a los próximos años.

2.4 Futuro de los vehículos eléctricos

Entre las cuestiones y limitaciones que deben tenerse en cuenta en cualquier análisis sobre el vehículo eléctrico y que pueden afectar a su futuro, destacan las mostradas en la figura 2.8.

Figura 2.8. Esquema de limitaciones a tener en cuenta a la hora de analizar el vehículo eléctrico

A día de hoy, teniendo en cuenta tanto vehículos híbridos como eléctricos puros, no existe una producción masiva de vehículos eléctricos en el mercado. Esta cuestión hace que sea complicado poder establecer, a priori, supuestos de costes que permitan hacer un análisis cuantitativo completo de su introducción en dicho entorno. Además, su adecuada viabilidad estará condicionada al segmento de mercado donde se planteen, bien las empresas productoras o bien el propio Gobierno, su penetración.

El vehículo eléctrico es un elemento de mercado que puede resultar interesante tanto a empresas (pequeñas, medianas y multinacionales), como a usuarios particulares, con el fin de ofrecer una imagen más compatible e interesada por el medio ambiente, aunque ello suponga aceptar un incremento en los costes del transporte. El vehículo eléctrico está pensado en la actualidad para una utilización urbana, debido sobre todo a la limitación existente en cuanto a autonomía se refiere. Sin embargo, la ganancia en eficiencia energética es mayor, lo que conlleva una mejora de la viabilidad económica del vehículo, frente a la utilización predominante por carretera.

Si se establece una comparación con países extranjeros, las posibilidades de incluir el vehículo eléctrico en el parque automovilístico varían notablemente. En Estados Unidos, por ejemplo, existe una mayor disponibilidad de garajes, siendo la media del 80 % en los hogares estadounidenses frente al 20 % de los presentes en Europa. Esto facilita la recarga doméstica nocturna, que era otro de los principales inconvenientes del vehículo eléctrico. Y es válido tanto para vehículos híbridos como eléctricos puros.

Aunque en un principio no se prevé que la introducción masiva de vehículos eléctricos afecte negativamente al tejido del sistema eléctrico actual, no se tienen garantías de ello. Lo ideal sería que la recarga de estos vehículos se realice por la noche, cuando el precio de la energía es más económica y menor es la utilización de las instalaciones (se produce energía que no se consume).

Las ayudas públicas para la compra de vehículos eléctricos y una fiscalidad más permisiva, puede acelerar el cambio de vehículos convencionales por vehículos eléctricos, ya que se permite variar incisivamente los costes de movilidad de uno y otro vehículo. Sin embargo, debe generarse una demanda tal que la necesidad de ayudas públicas desaparezca con el tiempo y se haya construido un nuevo marco normativo para gestionar adecuadamente los vehículos eléctricos presentes en el medio. Las tendencias incrementales en el precio de combustibles fósiles afectarán favorablemente al vehículo eléctrico.

La comodidad en los vehículos eléctricos debería ser similar a la aportada por los vehículos convencionales. Por otro lado, la disminución de la contaminación local, tanto sonora (hay que recordar que los vehículos eléctricos no hacen ruido, a diferencia del motor de gasolina) como de emisión de gases, es un elemento que juega muy a favor del coche eléctrico y ayudará a su introducción.

Como conclusión, se debería añadir que el futuro de los vehículos eléctricos pasa, sobre todo, por el desarrollo de las baterías eléctricas, que suponen el gran escollo de la integración de este tipo de vehículos en el panorama actual. Las baterías de Litio Ion se perfilan como las más potentes, ya que se fabrican cada vez con mayor densidad de carga y longevidad, permitiendo mover motores de mayor potencia, aunque por ahora la autonomía media de un utilitario eléctrico se encuentra en torno a los 150 km.

En la figura 2.9 pueden observarse cuáles serían las conexiones a la red eléctrica del vehículo eléctrico del futuro.

Figura 2.9. Conectividad y comunicación de vehículos eléctricos

¹ La producción de gas hidrógeno necesita electricidad, calor o energía solar para descomponer el agua, lo que lleva a un rendimiento neto negativo de energía. Sin embargo, el hidrógeno es un combustible limpio a quemar que puede sustituir al petróleo y otros combustibles fósiles, incluyendo la energía nuclear. Si se utilizase la energía solar para producir hidrógeno a partir del agua, se podría eliminar la mayor parte de la contaminación en el aire, y podría reducirse los efectos adversos presentes en nuestro entorno.

3. TECNOLOGÍAS DE CONEXIÓN
3.1 Integración a la Red de los vehículos híbridos enchufables

En las posibilidades de reducción de emisiones de CO₂ (figura 3.1), resulta de vital importancia la generación y transporte de la electricidad, ya que en la combustión de combustibles fósiles es donde las emisiones de este gas se producen en mayor cantidad. Así, el impacto del vehículo eléctrico en la red eléctrica debe ser analizado en detalle. El diseño de los vehículos eléctricos (ya sea puro o híbrido) comienza precisamente con los cálculos sobre el tamaño óptimo de la batería del vehículo y donde tanto los aspectos técnicos como los económicos deben ser tomados en cuenta. Por ello, los equipos de carga, la tarificación y las infraestructuras, así como la seguridad y normalización, son los principales temas de actualidad y los aspectos más importantes para la introducción de los vehículos eléctricos en el mercado. Por ello, en este capítulo se estudiarán en profundidad.

Figura 3.1. Emisiones de CO₂

3.1.1 Sistemas de carga

Tomando como base lo comentado anteriormente, se puede definir un sistema constituido por un segmento de distribución de la red eléctrica en el que, a través del desarrollo de diferentes algoritmos de gestión, se pueda controlar el comportamiento de la carga. Además, se puede incluir la tecnología Vehicle to Grid (V2G) para lograr un equilibrio de potencia máxima. Todo ello controlará el impacto de los vehículos a la red eléctrica. La variación de los sistemas de carga se recoge en la figura 3.2.

Figura 3.2. Variación de los sistemas de carga

La curva original de carga describe la demanda de consumo eléctrico para un día laborable. Para satisfacer una mayor demanda, se lleva a cabo la construcción de nuevas plantas en horas pico o punta. La curva de carga diurna representa la demanda cuando se introducen algoritmos de gestión. Así, la curva de carga diurna con tecnología V2G señala las mejoras de consumo que pueden introducirse en la red con esta tecnología. Los picos de carga se reducen y se tiende al aplanamiento de la curva de demanda.

3.1.2 Normativa en España

El Gobierno presentó, en abril de 2010, la Estrategia Integral para el Impulso del Vehículo Eléctrico, con horizonte el año 2014, que define diferentes programas para la aplicación de medidas que contemplan el fenómeno desde diversas perspectivas: fomento de la demanda, desarrollo I+D+i, actuaciones horizontales y fomento de la infraestructura de recarga y gestión de la demanda energética.

A tal fin, el RD 6/2010 de medidas para el impulso de la recuperación económica, reformó la Ley 54/1997 del Sector Eléctrico. Surge así, el RD 647/2011, que regula la actividad del denominado “gestor de cargas¹”, para la realización de servicios de recarga energética, al tiempo que se crea una tarifa supervalle, con el objetivo de optimizar el aprovechamiento de la potencia de generación eléctrica ya existente.

Por otro lado, el RD 648/2011, de 9 de mayo, regula la concesión directa de subvenciones para la adquisición de vehículos eléctricos durante 2011, en el marco del Plan de Acción 2010-2012 del Plan Integral del Vehículo Eléctrico en España 2010-2014. Se enumeran las diferentes concesiones directas de ayudas (compatibles con otras), para la adquisición de vehículos nuevos, furgonetas, microbuses, motocicletas, etc., por parte de personas físicas o jurídicas. La cuantía depende del tipo de vehículo y de la autonomía en modo de funcionamiento exclusivamente eléctrico. La cuantía máxima de ayuda es, en general, hasta 6.000 €, aunque se amplía hasta 15.000 € para microbuses y furgonetas comerciales, y hasta 30.000 € para autobuses y autocares.

El RD 417/2012, de 24 de febrero, modifica al RD 648/2011. El cambio más significativo se encuentra en el presupuesto otorgado para subvencionar vehículos eléctricos, hasta un total de 10 millones de euros, lo que contrasta notablemente con los 72 millones de euros de presupuesto original (aunque ya había habido un primer recorte que había disminuido esta cantidad a 50 millones de euros). Esto es debido a que, durante el año 2011, solo se ha consumido un 5 % del presupuesto inicial, lo que indica que la compra de vehículos eléctricos no estaba despegando de manera adecuada y la tendencia para los años siguientes no experimentaba cambio. Durante el año 2011, se matricularon 10.350 coches híbridos y tan solo 10 fueron a parar a particulares. El resto los adquirieron grandes flotas de empresas multinacionales u organismos públicos.

De forma más particular, para los sistemas de recarga de los vehículos eléctricos, surge la ITC-BT-52² ¬Instalaciones con fines especiales. Infraestructura para la recarga de vehículos eléctricos», donde se dan una serie de pautas acerca cómo serían las distintas opciones de recarga del vehículo eléctrico. El esquema de la figura 3.3 representa las diferentes conexiones que han de llevarse a cabo entre vehículo e instalación de recarga.

Figura 3.3. Esquema de carga del vehículo eléctrico

En la figura 3.4 se representa el esquema de unión desde la central eléctrica hasta el punto de suministro de energía.

Figura 3.4. Sistema de conexión integrado a la red

El punto de conexión será aquel en el que el vehículo eléctrico se conecta a la instalación eléctrica fija necesaria para su recarga, ya sea a una toma de corriente o a un conector. En la ITC-BT-52 se distinguen cuatro modos de carga:

• Modo de carga 1: Conexión del vehículo eléctrico a la red de alimentación de corriente alterna mediante tomas de corriente normalizadas, con una intensidad no superior a los 16 A y tensión asignada en el lado de la alimentación no superior a 250 V de corriente alterna en monofásico o 480V de corriente alterna en trifásico y utilizando los conductores de activos y de protección.

• Modo de carga 2: Conexión del vehículo eléctrico a la red de alimentación de corriente alterna, no excediendo de 32 A y 250 V en corriente alterna monofásico o 480 V en trifásico, utilizando tomas de corriente normalizadas monofásicas o trifásicas y usando los conductores activos y de protección junto con una función piloto de control y un sistema de protección para las personas contra el choque eléctrico entre el vehículo eléctrico y la clavija o como parte de la caja de control situada en el cable.

• Modo de carga 3: Conexión del vehículo eléctrico a la red de alimentación de corriente alterna usando un SAVE³ específico, donde la función de control piloto se amplía al sistema de control del SAVE, estando éste conectado permanentemente a la instalación de alimentación fija.

• Modo de carga 4: Conexión del vehículo eléctrico a la red de alimentación de corriente alterna usando un cargador externo en que la función de control piloto se extiende al equipo conectado permanentemente a la instalación de alimentación fija.

A continuación, en las figuras 3.5, 3.6, 3.7, 3.8 y 3.9, se pueden ver los diferentes esquemas de conexión que se proponen en el borrador de la ITC-BT-52. Podrían ser susceptibles a modificaciones.

Figura 3.5. Esquema 1: Instalación troncal con contador principal en el origen de la instalación y contadores secundarios en las estaciones de carga

Figura 3.6. Esquema 2: Instalación troncal con un contador principal en cada estación

Figura 3.7. Esquema 3: Instalación individual con contador principal común con la vivienda

Figura 3.8. Esquema 4: Instalación individual con contador principal para cada estación de carga

Figura 3.9. Esquema 5: Instalación con un circuito adicional para la recarga del VE

Uso de personas

Estas estaciones de carga están destinadas a ser utilizadas por usuarios no familiarizados con los riesgos de la energía eléctrica, por ejemplo: en la vía pública, en estacionamientos públicos de grandes superficies, aparcamientos anexos a otros edificios de uso público, aparcamientos de empresas o electrolineras⁴ en régimen de autoservicio. Las instalaciones podrán ser de exterior o de interior. Las bases de toma de corriente o conectores instalados en cada estación de carga deberán ser conformes con alguna de las opciones recogidas en la tabla 3.1.

Si son personas formadas en riesgo eléctrico, entonces estas estaciones de carga están destinadas a ser utilizadas o supervisadas por usuarios familiarizados con los riesgos de la energía eléctrica, por ejemplo: aparcamientos para recarga de flotas, electrolineras sin posibilidad de autoservicio, talleres, concesionarios de automóviles, depósitos municipales de vehículos, así como otras estaciones dedicadas específicamente a la recarga del VE. Este tipo de instalaciones dispondrán preferentemente de los modos de carga 3 o 4, aunque también podrán equiparse con estaciones de carga en modo 1 cuando esté previsto recargar vehículos de baja potencia. Las bases de toma de corriente o conectores instalados en cada estación de carga deberán ser conformes con alguna de las opciones recogidas en la tabla 3.2.

Alimentación de la estación de carga	Base de toma de corriente según	Interruptor automático de protección de la estación de carga
Monofásica	UNE 20315-1-2	10 A
	UNE 20315-2-11	10 A
	UNE-EN 62196-2	16 A
Trifásica	UNE-EN 62196-2	16 A
	UNE-EN 62196-2	32 A
	UNE-EN 62196-2	63 A

Tabla 3.1. Puntos de conexión a instalar en estaciones de carga para su uso por personas no familiarizadas con los riesgos eléctricos

Alimentación de la estación de carga	Base de toma de corriente según	Interruptor automático de protección de la estación de carga
Monofásica	UNE-EN 60309-1/2	16 A
	UNE-EN 60309-1/2	32 A
Trifásica	UNE-EN 62196-2	16 A
	UNE-EN 62196-2	32 A
	UNE-EN 62196-2	63 A

Tabla 3.2. Puntos de conexión a instalar en estaciones de carga de exterior utilizadas o supervisadas por usuarios familiarizados con los riesgos de la energía eléctrica

Protecciones

A continuación se establecen los principales aspectos sobre protecciones a tener en cuenta a la hora de trabajar con dispositivos eléctricos:

• Contra sobre intensidades: Cada punto de carga deberá protegerse individualmente mediante un dispositivo de protección contra sobrecargas y cortocircuitos de acuerdo con los requisitos de la ITC-BT 22. Los interruptores automáticos deberán cumplir la norma UNE-EN 60898, UNE61009 o UNE-EN 60947-2. En instalaciones previstas para modo de carga 1 o 2 en las que el punto de carga esté constituido por tomas de corriente conformes con la norma UNE 20315, el interruptor automático que protege cada toma deberá tener una intensidad asignada máxima de 10 A.

• Contra sobre tensiones: Todos los circuitos deben estar protegidos contra sobretensiones temporales y transitorias mediante dispositivos de protección apropiados que cumplan respectivamente con las normas EN 50550 y UNE-EN 61643-11. Para los esquemas 1 y 2 se instalará un protector contra sobretensiones transitorias en el cuadro general de mando y protección del circuito de distribución colectivo. Si la distancia entre el cuadro y la estación de carga es de más de 10 m, se instalará un segundo dispositivo de protección en la estación de carga.

Ambos dispositivos de protección deberán estar coordinados entre sí, con el fin de optimizar la continuidad del servicio en caso de destrucción del dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias por una descarga de rayo de intensidad superior a la máxima prevista. Cuando el dispositivo de protección contra sobretensiones no lleve incorporada su propia protección, se debe instalar el dispositivo de protección recomendado por el fabricante. Este deberá estar colocado aguas arriba del dispositivo de protección contra sobretensiones, con objeto de mantener la continuidad de todo el sistema, evitando así el disparo del interruptor general.