Tecnologías emergentes y nuevos vectores energéticos en el sector de la automoción. ¿Qué es lo que tenemos en la actualidad?

AUTOR  | Jesús Casanova Kindelán y Almudena García Jiménez. Departamento de Ingeniería Energética. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad Politécnica de Madrid

Para conseguir el objetivo de 0 emisiones en 2030, es necesario analizar y entender cuáles son los posibles sistemas utilizados para la propulsión de los vehículos de transporte por carretera y ciudad

Para forzar una evolución de la movilidad hacia métodos capaces de reducir la contribución del sector del transporte a la emisión de los Gases de Efecto Invernadero como el dióxido de carbono, la Comisión Europea (CE) ha desarrollado una serie de directrices que abarcan hasta el año 2050. Tienen como objetivos que al acabar el 2030 se tengan 30 millones de vehículo de “cero emisiones” en las carreteras europeas y que para 2050 no haya vehículos urbanos que emitan CO2. Para poder llevar a la práctica estas directrices, es necesario analizar y entender cuáles son los posibles sistemas utilizados para la propulsión de los vehículos de transporte por carretera y ciudad.

Los vehículos de transporte por carretera se han clasificado en la Unión Europea según la tabla siguiente:

(*): En todos los casos es la masa máxima con carga o pasajeros

Atendiendo al sistema de propulsión, los vehículos pueden agrupar en tres grupos, en función de cuál sea el motor principal de propulsión:

  • Propulsados por motores térmicos (siempre de combustión interna).
  • Propulsados por motores eléctricos.
  • Propulsados por sistemas mixtos térmicos y eléctricos (propulsión híbrida)

Dentro de cada uno de los tipos de motores hay diferentes subgrupos. Los que se propulsan por motor térmico pueden disponer de ayudas eléctricas para ciertas funciones y los de motor eléctrico pueden recibir la energía eléctrica de una batería o de una pila de combustible, como se ilustra en la Figura 1.

Figura 1: Sistemas de propulsión de vehículos.

Los vehículos con motor térmico pueden subdividirse en dos grandes grupos, según el sistema de combustión y formación de mezcla:

  • Vehículos con motor de encendido provocado (o por chispa) que usan combustibles de alta volatilidad y baja autoinflamabilidad como los hidrocarburos líquidos ligeros (naftas o gasolinas), éteres, metano, propano, butano, alcoholes o hidrógeno,
  • Vehículos con motor de encendido por compresión (o diésel) que usan combustibles de alta inflamabilidad como los hidrocarburos medios (gasóleo) y ésteres metílicos de ácidos grasos (biodiesel).

Esta dualidad de sistemas pierde parte de su validez con la aparición de los motores de tipo HCCI (Carga Homogénea Encendido por Compresión) de gasolina que encienden la mezcla por autoinflamación o con la recuperación de los sistemas de combustión “dual”, el motor consume simultáneamente dos combustibles como gasóleo y biogás u otro combustible ligero. No hay que confundirlo con los vehículos bi-combustible, estos pueden consumir dos combustibles como gasolina y gas natural o GLP, pero no de manera simultánea. O incluso los poli-combustible, como los FFV (Flexible Fuel Vehicle) que pueden consumir mezclas con porcentajes variables de alcohol en gasolina.

Mirando al futuro de corto y medio plazo esta situación se va a ver afectada por el efecto de la “electrificación” del transporte forzado por la necesidad de reducir las emisiones netas de CO2. Esto es la inclusión de máquinas eléctricas de ayuda a la propulsión o de gestión de los flujos de energía en el vehículo, que suelen incluri de sistemas de recuperación de energía en retenciones y de acumulación de la energía eléctrica, y que pueden liberar esa energía para la propulsión o suministro a los servicios auxiliares, pero conservando de alguna forma el motor térmico que se complementa con el sistema eléctrico. Son los conocidos como vehículos híbridos (HEV: Hybrid Electric Vehicle).

En los que se propulsan por motores eléctricos, se pueden distinguir dos tipos muy diferentes: los vehículos eléctricos puros (BEV: Battery Electric Vehicle) en los que el motor eléctrico es alimentado por energía eléctrica de baterías recargadas desde energía eléctrica externa, y los vehículos de pila de combustible (FCV: Fuel Cell Vehicle) en los que la energía eléctrica es producida en el propio vehículo en la pila de combustible, normalmente de tipo PEM (Proton Exchange Membrane).

Según el grado de participación de la energía eléctrica en la propulsión coexisten actualmente, y lo seguirán haciendo en el futuro, varios niveles electrificación de los vehículos sean de propulsión por motor térmico o eléctrico:

  • Híbridos moderados (Mild Hybrid): la electricidad aporta solo una pequeña parte de la energía el sistema en arranques y aceleraciones, y permite parar el motor en las detenciones del vehículo (Stop-Start). Llevan baterías de poca capacidad y voltaje (12, 24 o 48 V) o supercondensadores que se recargan en frenadas o con el propio motor.
  • Híbridos integrales (Full Hybrid): con batería de media capacidad y alto voltaje (> 200 V) que permite mover ocasionalmente el vehículo en modo eléctrico; y la recuperación de energía en frenadas es fundamental en la eficiencia energética del conjunto. El motor térmico puede tener funciones de propulsión del vehículo junto con el eléctrico (sistema mixto de propulsión llamados híbridos en paralelo); o limitarse a generar energía eléctrica siendo la propulsión responsabilidad únicamente del motor eléctrico. Cuando la energía del motor eléctrico proviene esencialmente de un generador movido por el motor térmico, sin funciones de propulsión, se denominan híbridos en serie.
  • Híbridos enchufables (PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicles): la batería adquiere una mayor capacidad de acumulación con muy alto voltaje para poder cargarse con energía de la red y mover el vehículo una distancia bastante mayor que un híbrido integral a una velocidad razonable. Una vez agotada la batería cargada de la red eléctrica exterior, el vehículo funciona como un híbrido no enchufable.
  • Eléctricos de autonomía extendida (Range Extended): son esencialmente vehículos eléctricos de baterías, pero disponen de un motor de combustión pequeño para poder recargar y propulsar el vehículo en modo serie en caso de descarga de las baterías en lugares apartados o sin enchufe a la red. En la actualidad, se propone el uso de pilas de combustible de pequeña potencia (y tamaño) alimentadas por hidrógeno para esta función de recarga ocasional.
  • Eléctricos puros (BEV; Battery Electric Vehicle): la batería cargada por la red eléctrica aporta la energía a los motores eléctricos de propulsión.
  • Vehículos de pila de combustible (FCV: Fuel Cell Vehicle): la energía eléctrica se produce en el propio vehículo mediante la reacción del hidrógeno con oxígeno en la pila de combustible. En casi todos los casos, incorporan cierto grado de hibridación con baterías para acumular energía y con recuperación de energía en retenciones para una mejor eficiencia energética del conjunto y ahorro de consumo de hidrogeno.

Se puede deducir que cuando la energía mecánica de propulsión no se obtenga a partir de energía eléctrica de la red, todos los vehículos necesitan disponer de una fuente de energía transportada en el propio vehículo en forma química, los combustibles que alimentan al motor térmico o la pila de combustible. Los combustibles transportan la energía desde las fuentes primerias (fósiles, renovables o nucleares) hasta el tanque del vehículo y los acumuladores eléctricos (baterías o supercondensadores) lo hacen en forma de electricidad Siendo ambos grupos “vectores energéticos” y entre los cuales se pueden encontrar el hidrógeno, la electricidad de la red o la producida fuera del motor. La Figura 2 ilustra este concepto de los vectores energéticos desde las fuentes primarias hasta la energía de propulsión

Los vectores energéticos que se usan en forma de combustibles, no electricidad, tienen su origen en materias primas diversas, pueden clasificarse en tres grandes bloques como se ilustra en la Figura 3: fósiles, biomasa y otros, incluyendo en estos “otros” aquellos que, aunque provengan de fuentes fósiles o de biomasa, incluso de otras fuentes renovables, precisan de un proceso de fabricación específico para su elaboración.

Figura 2. Vectores energéticos para mover vehículos de transporte

Figura 3. Diferentes combustibles que pueden usarse para propulsión en vehículos

Los vectores energéticos más utilizados en la automoción desde principios del Siglo XX han sido los hidrocarburos provenientes de fuentes de energía fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Estos se han ido desarrollando como combustibles para el transporte a lo largo de la historia, los más conocidos son los derivados de la destilación del petróleo y el gas natural, pero también se han desarrollado otros procedimientos de obtención de hidrocarburos de manera artificial como son los derivados del proceso Fischer Tropsch. Esto consiste en la mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno proveniente de gasificación de carbón o madera o los procesos de hidrogenación para obtener los actuales aceites vegetales hidrogenados (HVO) o gasóleos parafínicos. Dentro de los combustibles fósiles convencionales están las gasolinas y los gasóleos (mal llamados “diésel”) y dentro de los llamados “alternativos” están el GLP (Gas Licuado de Petróleo) o autogás, el GNC (Gas Natural Comprimido) y el GNL (Gas Natural Licuado); y a veces se incluye el metanol y el dimetileter (DME) producidos a partir del gas natural.

Además de hidrocarburos de carbono e hidrógeno (HC), desde los inicios del automóvil se han utilizado también combustibles oxigenados procedentes de materias vegetales como los alcoholes, los éteres, los aceites vegetales o los ésteres metílicos de ácidos grasos (biodiésel), que son líquidos, o el biogás y biopropano, que son gaseosos a presión ambiente. Las medidas adoptadas para reducir emisiones netas de CO2 ha promovido el desarrollo de estos combustibles y algunos de sus derivados. También se han desarrollado para el aprovechamiento energético de los residuos urbanos e industriales, sean de procedencia animal o vegetal, orgánicos o inorgánicos, entre los que se puede encontrar el biogás, el bioetanol y otros bioalcoholes.  Son los denominados biocombustibles y podemos encontrar de cuatro generaciones diferentes, ya sea por los elementos utilizados o por el proceso de fabricación. Poco a poco se han ido introduciendo estos biocombustibles en mayor o menor medida en experiencias piloto y se prevé un aumento de su uso en mezclas con los combustibles convencionales.

A parte de estos hidrocarburos y biocombustibles, los motores de combustión interna pueden ser alimentados por hidrógeno sin exigirle una pureza excelente mientras las impurezas sean hidrocarburos u óxidos de carbono. Lo cual no ocurre con las pilas de combustible para propulsión de vehículos, siendo, hoy en día, solo adecuadas las pilas tipo PEM para el transporte en el futuro, pudiendo ser alimentadas por hidrógeno, lo más puro posible. Las pilas de combustible son generadores de energía eléctrica directa mediante la oxidación del hidrógeno, a diferencia de las baterías que generan electricidad mediante la energía acumulada en forma química en su interior mediante reacciones de carga y de descarga. Pero en ambos casos se usan en vehículos movidos por motores eléctricos.

Al no existir hidrógeno libre en la naturaleza, es necesario su producción y en función de esto se nombra el hidrógeno de una manera u otra. El hidrógeno “gris” es el producido en las refinerías, el hidrógeno “azul” producido en las refinerías de petróleo a través de captura del CO2 y, por último, el hidrógeno “verde” que es el producido mediante electrólisis utilizando energía eléctrica producida a partir de energía renovables.

El hidrógeno tiene baja densidad de energía y ocupa mucho volumen para entregar la energía necesaria para una autonomía razonable. Por ello, una forma de utilizarlo en el mundo de la automoción son los portadores de hidrógeno, que es una forma indirecta de almacenaje de energía del hidrógeno en forma líquida sin temperaturas extremadamente bajas o presiones altas. También reciben el nombre de portadores orgánicos líquidos de hidrógeno (LOHC). Entre estos compuestos orgánicos “portadores” se encuentra el amoniaco, que contiene una molécula de nitrógeno con 3 de hidrógeno y cuya reacción de oxidación produce agua y nitrógeno que puede ser descompuesto in situ para generar hidrógeno para una pila de combustible.

Actualmente se encuentran bastantes trabajos desarrollando combustibles combustibles que son esencialmente hidrocarburos líquidos producidos a partir de CO2 e hidrógeno, son los llamados e-fuels o combustibles sintéticos que tratan de ser una alternativa a los combustibles convencionales como gasolina y gasóleo, permitiendo el uso de los motores de combustión interna actuales y futuros por su similitud de formulación química.

Uno de los vectores energéticos que desde los inicios del automóvil ha tratado de abrirse hueco es la electricidad. Esta electricidad es producida en las centrales eléctricas que conforman el sistema eléctrico nacional ya sean renovables (eólica, fotovoltaicas, hidráulica o solar), por combustibles fósiles, sobre todo gas natural o nucleares, dando lugar al denominado “mix energético”. El uso de la electricidad en los vehículos va asociado a la necesidad de cargar suficiente energía eléctrica en el vehículo y acumularla para una autonomía razonable en la batería que alimentará al motor eléctrico para su movimiento. Estas baterías pueden construir con diferentes elementos, como Plomo-ácido (Pb-ácido), Níquel-cadmio (NiCd), Níquel-hidruro metálico (NiMh), Ion-litio (LiCoO2), Ion- litio con cátodo de LiePO4 y Polímero de litio (LiPo).


Se espera que, en el futuro de los vectores energéticos, el protagonista sea el hidrógeno

Los motores de combustión interna puros tienen actualmente como vector energético principal los hidrocarburos fósiles, pero la tendencia europea a dejar de depender del petróleo y gas natural marca la tendencia a compartir con otros combustibles, como otros hidrocarburos de origen biológico o sintéticos, ya sean los e-fuels derivados del hidrógeno u otros compuestos orgánicos oxigenados como los alcoholes, éteres, ésteres, etc., de origen biológico, e incluso el amoniaco. Aportando todos flexibilidad al sistema energético para el transporte al poder usarse mezclados, incluso con hidrógeno. Estos vectores energéticos son validos para los vehículos de propulsión híbrida, por la presencia de un motor de combustión interna.

Tras este breve análisis de los distintos métodos de propulsión y sus vectores energéticos asociados se puede hablar de las perspectivas a futuro. Se espera que en un futuro los próximos vehículos tengan como método de impulsión principal un motor de combustión interna junto con sistemas de recuperación de energía. De cara a los motores eléctricos puros, se espera un gran desarrollo tecnológico por parte de las baterías para reducir tanto peso y tamaño como el tiempo de carga, en lo cual ya se han conseguido grandes avances. Si se presta atención a los motores eléctricos de pila de combustible, aunque se pueden seguir desarrollando no han tenido el mismo impacto en la sociedad que el otro modelo de motor eléctrico debido a la necesidad de puntos de cargas especiales.

Se espera que, en el futuro de los vectores energéticos, el protagonista sea el hidrógeno. Uno de sus problemas es que la energía necesaria para su fabricación supera la que puede producir en el vehículo, por lo que solo tiene sentido si su origen es de fuentes renovables u obtenido por procedimientos que no produzcan CO2 como procesos termoquímicos o nucleares. El otro problema es su baja densidad de energía dando sentido al uso de aportadores de hidrógeno, e-fueles o combustibles hidrogenados.  

En resumen, se prevén actualmente cuatro caminos posibles de propulsión de vehículos con baja o nula emisión de dióxido de carbono (CO2), ilustradas en la Figura 4, que son: la electricidad proveniente de fuentes de baja o nula huella de carbono, los combustibles sólidos o líquidos provenientes de residuos urbanos o industriales en el ámbito de la denominada “economía circular” que han consumido CO2 en su origen biológico, los sintéticos líquidos (con alta densidad energética) producidos a partir de hidrógeno renovable y, por último, el propio hidrógeno cuyo principal problema es su baja densidad energética.

Figura 4. Los 4 vectores energéticos previsibles a medio plazo para propulsión de vehículos de baja o nula emisión de CO2.


Referencias bibliográficas:

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  • Fundación Técnica Industrial, «Técnica Industrial,» 26 Enero 2021. [En línea]. Available: https://www.tecnicaindustrial.es/e-fuels-y-biocombustibles-necesarios-mas-alla-del-2050/ . [Último acceso: Marzo 2021].

Comentarios

Magnífico artículo, nadie debería tomar decisiones respecto al consumo de energía sin haberlo leído muy cuidadosamente y que alguien le explique todo ello hasta que lo entienda bien, incluido el transporte, que es un aspecto muy minoritario del consumo de energía. Lamentablemente los políticos no entienden nada y, una vez más, ya han tomado decisiones antes de entender el asunto.

Todos los comentarios se basan en la produccion de la energia, deberia haber tambien comentarios sobre el uso racional de la energia (la demanda), es decir enseñar sobre el buen uso de la energia de manera responsable y racional. Gracias su comentario es bueno.

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