Reducción de la contaminación urbana mediante la electrificación del tráfico rodado

Introducción

El futuro desarrollo del transporte en las ciudades vendrá determinado en gran medida por la necesidad de un uso más eficiente de la energía, de reducir las emisiones de sustancias perjudiciales y de disminuir los niveles de ruido. La utilización de electricidad como energía para propulsar vehículos hace posible conseguir un nivel mayor de eficiencia y reducir las emisiones de sustancias perjudiciales. Esto es de aplicación general, pero se aprecia especialmente en un medio urbano. Con velocidades de desplazamiento más bajas (lo que sucede en las zonas urbanas) es también posible conseguir reducciones considerables de los niveles de ruido. A largo plazo, el uso de electricidad a partir de fuentes renovables permitirá una transición gradual hacia el transporte sostenible.

A medida que los vehículos eléctricos son más eficientes y utilizan energía de fuentes más limpias, producen menores emisiones totales por unidad de energía utilizada para la propulsión que los de combustión interna

Los vehículos eléctricos corrientes, tales como trenes, tranvías o trolebuses, utilizan infraestructuras eléctricas especiales para el suministro de energía. En comparación con los vehículos con motores de combustión, en primer lugar parece que tienen la ventaja de ser más fiables y más duraderos. Son ciertamente más silenciosos y además han demostrado que producen menos emisiones a lo largo de su ciclo de vida energética, tanto debido a que son más eficientes como a que la electricidad que consumen ha sido generada en su mayor parte por procesos que son más limpios que la combustión interna (incluso cuando se utilizan combustibles fósiles, las técnicas tales como la cogeneración o la purificación de gases de escape pueden significar que las emisiones totales por unidad de energía siguen siendo menores). El medio ambiente urbano se beneficia especialmente ya que las emisiones que tienen lugar no se producen en las calles del centro de la ciudad.

La desventaja de los trenes, tranvías y trolebuses es que necesitan una conexión física permanente con la fuente de electricidad. Esto significa que es imposible viajar de puerta a puerta y que carecen de la libertad que ofrece el automóvil. Por tanto continuamente se está desarrollando una tecnología mejorada para hacer vehículos eléctricos independientes de la infraestructura eléctrica durante un período de tiempo limitado o ilimitado. Esta independencia se basa en el almacenamiento de la electricidad o en la generación de la misma a bordo del vehículo. Los vehículos (con batería eléctrica) que almacenan electricidad tienen aproximadamente las mismas ventajas que los trenes y tranvías. En cuanto a los vehículos (híbridos) que generan electricidad a bordo, las ventajas específicas dependen de la configuración. Tanto los vehículos con baterías como los híbridos son distintos de los convencionales en cuanto a las posibilidades de recuperar la energía generada al frenar. Ésta es la característica distintiva que podría a largo plazo, inclinar la balanza en su favor. No obstante, se necesitan innovaciones en las políticas de transporte para ayudar a que el automóvil eléctrico compita con los convencionales, ya que éstos disfrutan de las ventajas de un sistema de producción muy desarrollado (véase la discusión sobre las barreras y retos en el artículo anterior de este número).

Los vehículos eléctricos tienen también la ventaja de que la energía puede reabsorberse durante el frenado en vez de disiparse en forma de calor

Emisiones y consumo de energía

La ventaja del transporte eléctrico mediante baterías o híbrido-pilas de combustible descansa en los niveles mucho más bajos de emisiones de sustancias tales como NOx, SO2 y CO y en el menor consumo general de energía. Esto se ilustra en la figura 1.

Figura 1. Emisiones en g/km para un automóvil de tamaño medio según diferentes sistemas de propulsión

Fuente: Riley (1997) y Brogan (1992). Los valores de CO se calculan para todo el ciclo de vida del producto, los demás valores al final de los procesos de conversión.

En zonas urbanas, las emisiones de los vehículos eléctricos con baterías se pueden reducir incluso hasta ser nulas, dependiendo de la naturaleza y localización de la generación de electricidad. La mayoría de los vehículos híbridos también pueden, dentro de un radio limitado, moverse con sólo la energía de la batería. Esto permitiría que los vehículos eléctricos híbridos fuesen utilizados en zonas de emisión nula. Como resultado del menor consumo de energía (fig.2) las emisiones de COx son también menores que en los motores de combustión interna. Esto se aplica tanto a vehículos eléctricos con baterías como a los híbridos.

El vehículo eléctrico híbrido ofrece una solución atractiva a plazo medio con menor consumo de energía, una autonomía adecuada y la posibilidad de funcionar en zonas de emisión nula

Figura 2. Consumo de energía de un vehículo eléctrico de batería, eléctrico-híbrido y de combustión interna por kilómetro

Conducir un automóvil de modo limpio y sostenible será posible cuando el hidrógeno generado de forma sostenible pueda ser almacenado de modo eficiente y con seguridad para su utilización en vehículos eléctricos de pilas de combustible, o cuando los vehículos eléctricos de batería se carguen con electricidad de fuentes renovables.

Escenario futuro

Los estudios de escenarios iniciados por el Sep, el anterior consejo de generación de electricidad holandés (Gerwen, 1998, Korver, 1997a) muestran que el transporte por carretera hará un uso creciente de la energía eléctrica. Este estudio considera 4 escenarios suministrados por la evolución de las dos principales dimensiones socioeconómicas hasta el año 2020: niveles de crecimiento económico y apoyo a las metas de sostenibilidad. El escenario "Crecimiento Ilimitado"(CI) es el resultado de bajos niveles de apoyo a la sostenibilidad en conjunción con crecimiento económico rápido, mientras que el escenario "Crecimiento Sostenible" (CS) combina un alto nivel de apoyo a la sostenibilidad con un crecimiento económico rápido. Las bajas cifras de crecimiento económico junto a bajos niveles de apoyo a la sostenibilidad dan lugar al escenario "Parada" (P), mientras que el lento crecimiento combinado con un alto nivel de apoyo a la sostenibilidad dan lugar a un escenario llamado "Equilibrio Sostenible" (ES). Los tipos de vehículos estudiados fueron el vehículo eléctrico de pila de combustible (VEPC), el eléctrico de batería (VEB), el eléctrico híbrido (VEH) y el de combustión interna (VCI). La figura 3 resume los resultados del estudio de escenarios del Sep.

Figura 3. Presencia de los diferentes vehículos eléctricos en cuatro escenarios en 2020

Vehículo híbridos con motor de combustión

Los primeros vehículos eléctricos que tendrán éxito serán probablemente híbridos, y los híbridos en serie y algunos tipos de híbridos en paralelo mecánicamente desacoplados tienen las mayores oportunidades de éxito comercial (véase el artículo titulado "Hacia un vehículo de emisión cero" en el número 2 del IPTS Report). De todos los híbridos, los en serie tienen el menor número de piezas mecánicas y también se benefician de una mejor eficiencia obtenida al mantener el motor primario a revoluciones constantes. Los híbridos pueden también aprovecharse de los desarrollos en el campo de los motores de combustión interna que aún están teniendo lugar. La proporción prevista para el 2020 de vehículos híbridos, que se da en todos los escenarios, sobre el total de automóviles privados varía del 2 al 40%.

Los escenarios estudiados por la organización holandesa Sep sitúan el número de automóviles híbridos en circulación en el 2020 entre un 2 y un 40% del número total de automóviles privados

Transporte eléctrico con baterías

El despegue en el transporte eléctrico con baterías tendrá lugar cuando la energía específica de las baterías sea 3 o 4 veces la de las actuales baterías de plomo-ácido, y cuando la tecnología de carga rápida haga posible cargar de vez en cuando en una estación de servicio u otro lugar público de recarga. Los primeros vehículos eléctricos con éxito serán pequeños, ligeros y adecuados a pequeñas distancias siendo así ideales como segundo vehículo (para hacer compras o desplazarse de y hasta el trabajo). Tales vehículos podrían ser incluso de dos o tres ruedas. Se podrían conseguir considerables ventajas medioambientales reemplazando las motocicletas con motor de combustión interna por versiones eléctricas (en ciertas urbanizaciones también se podría aplicar a los cortacéspedes). Se debe, sin embargo, tener cuidado de que las bicicletas eléctricas no sustituyan a las de tracción humana. El transporte eléctrico con baterías solamente tendrá una oportunidad en escenarios que incorporen apoyo a las metas de sostenibilidad, y en estos casos podría obtener una participación de entre un 21 y un 25% en el período considerado.

Los vehículos eléctricos con baterías llegarán a ser atractivos cuando las energías específicas de las baterías alcancen 3-4 veces las de las actuales baterías de plomo-ácido y cuando la tecnología de carga rápida haga posible la recarga en trayectos largos

Vehículos híbridos de pilas de combustible

La tecnología de pilas de combustible se introducirá probablemente en un sistema híbrido (con baterías y super condensadores para almacenar la energía recuperada en el frenado y para proporcionar picos de potencia) en combinación con un conversor de combustibles líquidos. Su introducción dependerá de la posibilidad de rebajar el precio de las pilas de combustible y del desarrollo técnico de los conversores "a bordo" (utilizados para producir hidrógeno a partir de combustible líquido). Los recientes desarrollos indican que estos conversores estarán listos para la aplicación de combustibles convencionales en unos cinco años. En algunos escenarios, los automóviles eléctricos de pilas de combustible (híbridos) representarán un porcentaje entre el 9 y el 15% del total de automóviles.

Condiciones limítrofes

La introducción del transporte eléctrico está íntimamente relacionada con una serie de desarrollos. En los campos tecnológicos clave de las baterías y de la electrónica, los signos son positivos, y se pueden esperar resultados aceptables en un plazo relativamente corto. Cuando la tecnología sea capaz de producir productos viables, serán necesarias medidas políticas para permitir y estimular su introducción. Se requieren planificación y políticas para adaptar el espacio público y la infraestructura a este nuevo tipo de vehículo y ¿si las cosas ocurren como se espera- para acomodar la electrificación a gran escala del transporte urbano.

Dispositivos de almacenamiento de energía

De momento, algunos de los tipos de baterías más prometedores son de níquel metal híbridos (NiMH) y de ión litio. Parece que las baterías de litio-polímero avanzadas pueden estar ya cercanas a la energía específica (relevante para la autonomía de la conducción) necesaria para competir con los motores de combustión en unos cinco años. La potencia específica (relevante para la aceleración) aún está ligeramente por debajo de los valores buscados, pero se trata de un problema menor.

Se espera que las baterías de litio-polímero sean capaces de proporcionar los niveles de energía específica necesarios para los vehículos eléctricos con baterías en los próximos cinco años

Respecto a los costes de funcionamiento de las nuevas baterías, las proyecciones de los niveles de precios por kWh parecen bastante favorables en comparación con la tecnología de las baterías de plomo-ácido. Cuando la vida de la batería (en los ciclos de carga) se incluye en los cálculos, los nuevos tipos de baterías serán considerablemente más baratos que las baterías de plomo-ácido, una vez que la producción a gran escala esté en marcha (véase Fig.4).

Figura 4. Proyecciones de precios/kWh/ciclo de carga ($)

Se dan valores de varios tipos de baterías tanto en 2003 como después de alcanzar una producción consolidada. Obsérvese el valor basado en el objetivo a largo plazo del USABC (United States Advanced Battery Consortium).

Otro dispositivo de almacenamiento importante es el super-condensador empleado para tratar con los picos de voltajes en vehículos híbridos y eléctricos con baterías, y producir picos en la potencia de salida, con lo que se incrementa la vida y el rendimiento del sistema de baterías.

Infraestructura eléctrica

La disponibilidad de cargadores rápidos "domésticos" de 10-11 kW podría contribuir grandemente al éxito de los vehículos eléctricos con baterías con cargadores avanzados (serían capaces de cargar totalmente la batería en 3 horas). Sin embargo, si más de un pequeño porcentaje de los habitantes de un distrito utilizan simultáneamente cargadores de este tipo para sus automóviles, pudieran surgir problemas en la red de baja tensión (230V). En este caso, "la gestión de la demanda" (es decir gestión del consumo) podría ser una solución (temporal). Esto tendría que tener lugar con métodos más avanzados que los de las tarifas ligadas al tiempo. Quizás habría que animar a la gente a que cargase despacio relacionando el precio de la electricidad con las demandas de capacidad, de modo que solamente se utilicen los cargadores rápidos en los casos estrictamente necesarios. La única solución real a este problema es aumentar la capacidad de la red de distribución en los puntos de recarga. Esto podría tener lugar en aparcamientos centralizados por barrios. Los cargadores rápidos de 120 kW en las estaciones de servicio se podrían conectar a la red de media tensión y esto no conllevaría problemas respecto a la potencia. Con estos cargadores, las baterías pueden cargarse totalmente en 15 minutos. Esta es una mejora importante en cuanto al tiempo de carga, pero aún requiere una planificación más disciplinada de las paradas de recarga que la que tienen los automóviles convencionales.

La utilización generalizada de vehículos eléctricos con baterías puede forzar la adaptación de redes locales de potencia o la implantación de estrategias de gestión de la demanda con el fin de atender al número de cargadores que consuman energía simultáneamente

Electrónica de potencia

Para todos los vehículos con tracción eléctrica, una consideración general de la cadena desde la fuente de energía a la electrónica que alimenta el motor, en combinación con las características del vehículo, es una condición esencial para conseguir las mejores configuraciones posibles. A este respecto, una unidad central de procesamiento juega un importante papel como interfaz del usuario y en la gestión inteligente de la energía. El desarrollo rápido de normas de intercambio de datos entre los componentes del sistema de conducción podría llevar a una mayor flexibilidad y efectividad de costes.

Conceptos y grado de aceptación de los vehículos

Si han de competir con éxito con los vehículos convencionales, los eléctricos necesitan un diseño específico en lugar de tratar de acoplar a los automóviles convencionales un motor eléctrico. Un vehículo eléctrico con batería diseñado ex profeso no necesita, por nombrar sólo unas pocas diferencias, caja de cambio, no requiere cambio de aceite, filtros de aire, filtros de aceite, tubo de escape, conversores catalíticos de escape. Por el contrario, el esfuerzo extra tiene que llevarse a cabo en el sistema de calefacción, puesto que los automóviles convencionales utilizan generalmente el exceso de calor de la combustión para la calefacción del interior.

Con la tecnología actual, los vehículos eléctricos con batería ya proporcionan un movimiento más suave y silencioso que los convencionales, pueden (si se quiere) acelerar más de prisa que un automóvil deportivo y ofrecen mayor flexibilidad de diseño. La autonomía de conducción será comparable dentro de pocos años a la de un automóvil de gas propano líquido (200-400 km). Cuando los niveles de precio bajen y las infraestructuras de apoyo estén accesibles, los vehículos eléctricos con batería serán una alternativa atractiva al vehículo de motor de combustión como segundo automóvil de la familia.

Para competir con éxito, los vehículos eléctricos necesitan ser diseñados de modo que se tengan en cuenta sus características específicas en vez de ser simplemente versiones eléctricas de modelos convencionales

El vehículo híbrido será aceptado incluso antes, dependiendo de su disponibilidad en el mercado. Hasta ahora, los niveles de precio y la disponibilidad han sido obstáculos, pero cuando estos temas se resuelvan, el híbrido competirá con éxito como coche familiar (para uso general).

Conclusiones

El transporte eléctrico está íntimamente relacionado con la infraestructura de electricidad y la planificación urbana. Por tanto, en la fase inicial, requerirá apoyo mediante medidas políticas que aceleren la implantación de nuevas infraestructuras y suministren incentivos para conducir vehículos eléctricos. Por ejemplo, como la mayoría de la gente en las zonas urbanas no tiene un acceso privado, suficientes espacios de aparcamiento tendrán que ser convertidos en lugares de carga. También la introducción de vehículos eléctricos está unida en gran medida a políticas que estimulen nuevos conceptos de transporte, tales como la introducción de zonas en las cuales se fomenten los modos específicos de transporte.

Para el transporte de mercancías, la construcción de centros de distribución urbanos tendrá una influencia positiva en la electrificación, al crear un nicho para vehículos que se desplacen trayectos cortos desde un base central.

El transporte eléctrico está íntimamente relacionado con la infraestructura de electricidad y la planificación urbana. Por tanto, en la fase inicial, requerirá apoyo mediante medidas políticas que aceleren la implantación de nuevas infraestructuras y suministren incentivos para conducir utilizando energía eléctrica

En términos de la congestión del tráfico, el vehículo eléctrico por sí mismo no constituye ni una solución ni un factor negativo. Las posibilidades descansan en combinar nuevos conceptos de vehículos con sistemas avanzados de conducción de vehículos y en políticas para adaptar el uso de vehículos a las necesidades y restricciones del transporte en zonas específicas. Como se mencionó anteriormente, los vehículos eléctricos se adecuan muy bien a los sistemas de conducción externa.

Los vehículos eléctricos e híbridos (estos últimos utilizados en su modo eléctrico en las ciudades) pueden reducir la contaminación del aire producida por el transporte viario en zonas urbanas. Es razonable esperar que, dentro de pocos años, los vehículos eléctricos e híbridos serán técnicamente competitivos frente a los vehículos con motor de combustión. Estos vehículos están de acuerdo con los conceptos propuestos para el desarrollo sostenible a largo plazo en el transporte.

La introducción de zonas de emisión nula tendrá resultados positivos para la contaminación en el centro de las ciudades y deberá estimular el despegue de los vehículos eléctricos. Sin embargo, la introducción del transporte eléctrico deberá formar parte de una política más amplia para adaptar la planificación e infraestructura de la ciudad y el campo. Todavía hay aquí muchas oportunidades en relación con la política de los gobiernos locales y regionales, que a su vez se beneficiará de las normas e incentivos introducidos por los gobiernos nacionales y la CE.

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Palabras clave

vehículos eléctricos, vehículos eléctricos con batería, vehículos eléctricos híbridos, transporte urbano, contaminación, emisiones, baterías, coste de las baterías

Referencias

Brogan, J.J. et al., Diverse choices for electric and hybrid motor vehicles, OECD paper, US Department of Energy, 1992.

Gerwen, R.J.F. van, P. Toussaint, Hacia el año 2050; el tráfico y el transporte en el siglo XXI (en holandés); Informe Sep no. 42020-KST 97-3250, septiembre, 1998.

Janse, P. et al., Plan director sobre vehículos eléctricos e híbridos (en holandés), nota, Centrum voor Energiebesparing en schone technologie CE)/TNO-WT, 14 noviembre, 1997.

Korver, W. et al., Tráfico y transporte en el siglo XXI; Subproyecto 1: Necesidades y sistemas de transporte (en holandés), informe nº. INRO-VVG 1997-15, TNO, 1997a.

Meij, J.M. et al., Corriente rápida: la próxima oleada de innovaciones eléctricas (en holandés), Centro Holandés de Estudios sobre Tendencias Tecnológicas STT, STT 61, 1999. Accesible en: http://www.stt.nl

Riley, R.Q., Electric and hybrid vehicles, an overview of the benefits challenges and technologies, 1997. Accesible en: http:\\www.rqriley.com/ev-tech.html

Contacto

Jeroen M. Meij, Centro Holandés de Estudios sobre Tendencias Tecnológicas STT

Tel.: +31 70 302 98 33, fax: +31 70 361 61 85, correo electrónico: jeroen. meij@stt.nl

Sobre el autor

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Jeroen Meij obtuvo su Máster en ingeniería en la Universidad Técnica de Delft en el campo del diseño industrial. Ingresó en el Centro Holandés de Estudios sobre Tendencias Tecnológicas (STT) en 1996, y fue director del proyecto del reciente estudio del STT sobre tecnología de la energía electromagnética. Es editor del libro "Corriente rápida, la próxima oleada de innovaciones tecnológicas" (en holandés). Antes de ingresar en el STT trabajó como consultor en diseño industrial y servicios. Actualmente es el director del proyecto del estudio STT de Minería de Datos, que se centra en salvar la brecha entre los datos y el conocimiento.

The IPTS Report, is the refereed techno-economic journal of the IPTS,

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