Tecnología del Calor y la Energía Combinados (CEC): Oportunidades tecnológicas y marcos reguladores
| Autor | Hector Hernández, Patrick Canarelli |
| Cargo | IPTS |
Hacia El Vehículo De Cero Emisiones:
El papel del coche híbrido
Hector Hernández, Patrick Canarelli
Asunto: Las tecnologías del automovil tienen que adaptarse a las demandas contradictorias de, por un lado, las expectativas del mercado de unas prestaciones más elevadas, y por otro lado, el interés público en vehículos más ecológicos.
Relevancia: Es probable que la feroz competencia entre las tecnologías existentes y unos conceptos alternativos destinados a satisfacer requisitos más exigentes traiga como consecuencia un cambio radical de la industria de la automoción a medio y largo plazo. En este contexto, los vehículos híbridos pueden tener un papel importante que desempeñar en preparar el terreno para el vehículo más limpio.
El concepto híbrido
La contradicción de vehículos ecológicos dotados de altas prestaciones
El automóvil tiene que adaptarse a la contradicción de la necesidad pública del transporte 'ecológico', y la demanda de vehículos dotados de unas prestaciones cada vez más elevadas. En este contexto se está investigando un amplio abanico de opciones; sin embargo, unas posturas inflexibles entorpecen el debate.
Por una parte, el vehículo que domina actualmente, propulsado por el motor de combustión interna (MCI), parece brindar alguna posibilidad de reducir el consumo de combustible y la emisión local de contaminantes, si bien no parece ser la solución definitiva. Por otra parte, el vehículo de cero emisiones (VCE), tal como el vehículo eléctrico (VE) queda fuertemente restringido por la baja capacidad, actual y previsible, de los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica de a bordo.
... podría resolverse mediante vehículos híbridos que combinasen las características de los motores de combustión interna y los vehículos eléctricos
Una tercera opción es el vehículo híbrido (VH), que pretende combinar las ventajas del vehículo de MCI y el VE. los vehículos híbridos se han estudiado extensamente a través de las últimas décadas, pero unos adelantos recientes en el desarrollo de los sistemas de almacenamiento de energìa, los dispositivos eléctricos y el control electrónico parecen hoy haberlos convertido en una opción más factible. Además de ofrecer buenas posibilidades para la realización de un vehículo de emisiones ultrabajas (ULEV), el vehículo híbrido podría ayudar a crear las condiciones propicias para la introducción del VE.
La idea esencial del concepto híbrido reside en combinar el motor de combustión interna con otra fuente de potencia para que funcione lo más cerca posible de su régimen óptimo. Por razones de versatilidad, eficiencia y compactibilidad, la fuente de potencia asociada más idónea es un sistema eléctrico integrado por una unidad de almacenamiento, típicamente baterías o volantes de inersión (véase IPTS Report N°00, Diciembre de 1995).
Según la configuración de las dos fuentes de energía, se han ideado dos tipos principales de VH, a saber el modelo serial y el modelo paralelo, conforme se ve en la Figura 1.
Motor eléctrico
Controlador
Generador
Almacenamiento eléctrico
Motor de combustión interna
Transmisión mecánica
Motor/generador
Figura 1: Descripción de los vehículos híbridos
Fuente: Society of Automotive Engineers, 1994 (SAE, 1)
Vehículo híbrido serial
En la versión serial, el MCI se dedica a accionar un alternador que carga a un sistema de almacenamiento de energìa eléctrica (p.ej. un conjunto de baterías), el cual a su vez acciona las ruedas a través de uno o varios motores eléctricos. Debido a que el motor funciona a régimen fijo, puede operarse muy próximo a su nivel mínimo de emisiones y su nivel máximo de eficiencia. Los resultados publicados hasta la fecha apuntan la posibilidad de que el VH serial consiga unos niveles de emisión muy por debajo de los límites delULEV.
Un inconveniente importante del VH serial reside en una eficiencia de transmisión eléctrica más baja (incluido el sistema de almacenamiento), desventaja, empero, que puede verse compensado por la mayor eficiencia del motor optimizado. Además, el VH tiene una gama estrecha de condiciones óptimas de funcionamiento, y altas prestaciones muy sensibles a la importancia respectiva del MCI y el sistema eléctrico. Por esta razón, la consecución del VH serial multiuso es difícil de obtener. Por ejemplo, para satisfacer las demandas de potencia elevada, se precisa una transmisión eléctrica muy grande, lo cual incidiría en la eficiencia del vehículo.
Vehículo híbrido paralelo
El vehículo híbrido paralelo está configurado de tal forma que el MCI y el motor eléctrico trabajan en paralelo simultáneamente. Hay varias maneras de disponer la combinación de las fuentes de potencia. Una posible configuración sería instalar el motor eléctrico en la línea de transmisión mecánica, antes o después de la caja de cambios. Luego, se idea una estrategia para utilizar las fuentes de potencia según las características deseadas (p.ej. para abastecer las demandas de potencia media y máxima).
En principio, la configuración paralela brinda una eficiencia global más elevada de la cadena de transmisión y la posibilidad de transmitir mecánicamente una mayor potencia a las ruedas, a costa, sin embargo, de emisiones potencialmente más elevadas (ETH, 1995).
Características comparativas de los vehículos híbridos
El diseño debe procurar explotar las ventajas del MCI y los vehículos eléctricos, sin sus inconvenientes
Hay muchas características comunes a ambos tipos de VH. Su ámbito abarca en principio toda la gama de tipos, desde el vehículo de MCI puro hasta el VE puro. Permite, como en el caso de los vehículos eléctricos puros, la recuperación de la energìa de frenado, lo cual, en las condiciones de la circulación urbana sobre todo, puede suponer un ahorro sustancial de combustible. Además, los VH tienen la posibilidad de aprovecharse de las ventajas respectivas de ambas fuentes de potencia. Sin embargo, la optimización del vehículo es crítica, y un mal diseño puede hacer que el VH padezca los inconvenientes tanto del vehículo de MCI como del VE.
Se sabe, a base de la experiencia, que esta importante cuestión de la optimización no es susceptible de una sola solución: depende en buena medida de los requisitos del vehículo. La optimización puede realizarse en los niveles conceptual y operativo. La clase de uso del vehículo (p.ej. la naturaleza de los viajes) determina, en particular, los tamaños respectivos del motor de MCI y el motor eléctrico, así como la capacidad de almacenamiento de energía eléctrica. Esto tiene implicaciones importantes en cuanto al tiempo de repostaje y las prestaciones del vehículo, tales como su autonomía y aceleración. Con respecto a la optimización del vehículo durante el uso, hay una mayor necesidad de controladores "inteligentes" y de sistemas de gestión electrónica en general.
Los costes de fabricación son un factor negativo, pero no son considerablemente más altos que los del VE son ventajas
Un inconveniente común de los VH es, evidentemente, su coste de fabricación, que sería sustancialmente superior al de los coches de MCI de hoy. Sin embargo, en comparación con los VE el coste no es significativamente más elevado, debido a la necesidad de un sistema eléctrico más pequeño (y más barato), lo cual compensa parcialmente el coste del MCI (SAE 2, 1994). Además, los costes podrían compensarse en parte por un menor gasto de utilización y en particular por la mayor durabilidad del motor.
Las diferencias principales entre los VH seriales y paralelos estriban en el grado de optimización del consumo de combustible y las emisiones. El VH serial ofrece un mayor potencial en términos de la eficiencia del motor y la optimización de las emisiones, a costa, sin embargo, de una menor eficiencia de transmisión eléctrica que puede incidir negativamente en el consumo de combustible. Por otra parte, el VH paralelo brinda un consumo de combustible potencialmente más bajo, pero con unos niveles de emisión más elevados.
Al comparar los beneficios respectivos de los vehículos híbridos, los vehículos de MCI y los VE, debe tenerse en cuenta una larga lista de criterios. Se resume en la siguiente tabla, para un caso típico, una comparación cualitativa de estas tecnologías, en cuanto al rendimiento técnico.
Tabla 1: Comparación cualitativa de los vehículos híbridos, los MCI y los VE.
La evaluación considera un turismo de cuatro plazas en condiciones de circulación urbana
Consumo de Emisiones Autonomía Aceleración
Energía Locales
Vehículo de MCI - - - - + + + +
VH serial - + + + +
VH paralelo 0 0 + + + +
VE -/0 + + - - -
Nota: la escala en orden progresivo de rendimiento: - -. -, 0, +, + +
La perspectiva más amplia
Aspectos no técnicos son importantes para la difusión de la tecnología
Además de las consideraciones técnicas, hay aspectos de mayor envergadura que deben examinarse. La difusión de la tecnología depende de, y está influida por, varios factores al margen de lo puramente técnico. Así que la difusión de los vehículos híbridos sólo será posible si, por un lado, se satisfacen ciertos criterios, y por otro lado, se producen unos cambios importantes en el área de la tecnología del transporte individual.
Obviamente la difusión significativa de los vehículos híbridos dependerá fuertemente de la aceptación por parte de los usuarios. Tal aceptación induciría con el tiempo el interés de la industria del automovil, seguido por la fabricación en serie. Si bien la aceptabilidad de las nuevas tecnologías automovilísticas viene determinada por una serie de criterios, algunos de ellos son imprescindibles: el bajo coste, las altas prestaciones y laconvenencia.
* El coste de los vehículos híbridos depende en gran manera del volumen de producción - lo cual subraya la importancia del marco regulador, especialmente en las primeras etapas de su introducción.
* El rendimiento tiene que ver, sobre todo, con la autonomía y la aceleración. El principio mismo de los vehículos híbridos hace que tengan una autonomía comparable con la de los vehículos de MCI. Ya que los VH pueden abarcar la gama entera, desde los vehículos de MCI hasta los VE, su capacidad de aceleración varía mucho. Así que, dejando aparte sus otros inconvenientes, las prestaciones del VH no deberían distar demasiado de las de los vehículos convencionales.
* La convenencia de los vehículos estriba especialmente en su "libertad" (autonomía) y la sencillez de repostar. Dado que los VH pueden, en principio, repostarse o con gasolina o recargando su sistema de almacenamiento de energía eléctrica, su comodidad se verá reforzada por la posibilidad de aprovechar la densa red existente de gasolineras.
Su naturaleza híbrida facilita el repostaje, gracias a la red existente de gasolineras
Parece claro, por tanto, que su mayor aceptabilidad brinda para los VH la posibilidad de una difusión sustancialmente más amplia que la de los VE. Esto acarrearía consecuencias importantes con un impacto significativo sobre el propio VE, particularmente en cuanto a la infraestructura de abastecimiento de combustible y la inversión tecnológica.
.. y aumentaría también los incentivos para la creación de una red de estaciones de recarga, mejorando así las perspectivas para el VE
Con la creciente ubicuidad de los VH, las empresas abastecedoras de electricidad tendrían grandes incentivos para iniciar la adaptación de la red eléctrica para hacer frente a la mayor demanda de medios de recargar los VH. Esta adaptación se manifestaría especialmente en la creación de instalaciones de recarga nocturna tanto en el hogar como en locales públicos. Esto es un buen ejemplo de cómo se puede aprovechar un concepto híbrido para romper con una tecnología arraigada, propiciando la transición final a una tecnología diferente.
La dualidad de la tecnología del VH reduce los riesgos de inversión asociados con el desarrollo tecnológico
Los fabricantes de coches también tendrían incentivos para invertir en la tecnología del vehículo híbrido a medida que se desarrolle la especialidad, y con ello la competencia dentro de la industria del automovil. Si bien precisaría alguna aportación específica en I+D, dirigida en particular a la forma de combinar las dos fuentes de potencia (p.ej. con controladores), los VH son en buena medida una mezcla de la tecnología clásica (el vehículo del MCI) y la tecnología del VE. Por lo tanto, la inversión en el desarrollo del VH podrìa redundar en beneficio de las dos. Además, la inversión en una forma de transporte de tecnología mixta podría conllevar el importante beneficio de una reducción de los riesgos asociados con el desarrollo tecnológico.
De ahí que el sistema doble, tanto en combustible como en tecnologìa de propulsión, característica intrínsica de los vehículos híbridos, podría convertirse en una forma eficaz de resolver el problema del huevo y de la gallina en referencia al desarrollo tecnológico y la infraestructura de abastecimiento de combustible. Los VH pueden allanar el camino a la aceptación y la posterior introducción de los VE puros, con la ayuda en particular de la inversión privada.
Hacia el coche másecológico
Parece que la tecnologìa del automovil evoluciona inevitablemente hacia el vehículo de cero emisiones. Sin embargo, la opción más representativa de que se dispone hasta la fecha, el VE, parece lejos de estar listo para una difusión general. Así que se puede contemplar una solución transitoria para acortar el tiempo de espera del automóvil ecológico.
Este es el papel que puede corresponder a los vehículos híbridos. Además de ser una opción tecnológica atractiva y eficaz, los VH brindan importantes ventajas. Primero, aun cuando no sean auténticos VCEs, sí reducen notablemente dos inconvenientes de los coches actuales en cuanto al consumo de energía y las emisiones. Segundo, ofrecen la posibilidad de facilitar y adelantar la introducción final de los VE puros, gracias a la habilitación de una infraestructura de abastecimiento de combustible adecuada y la agilización general de la tecnología del VE. Un tercer aspecto positivo que brinda la inversión en la tecnología del VH sería la reducción de los riesgos de desarrollo asociados con cualquier producto de tecnología mixta.
Así que el vehículo híbrido y el vehículo eléctrico ya no deberían considerarse como opciones mutuamente exclusivas. Al contrario, el VH podría preparar el terreno para el coche más limpio de mañana.
Palabras clave: tecnología del transporte, vehículos eléctricos, vehículos híbridos, vehículos de cero emisiones, consumo de energía, almacenamiento de energía, tecnologías mixtas
