viernes, 20 de diciembre de 2019

Coche eléctrico a batería VS coche eléctrico a hidrógeno.

¿Cuál podría ser el futuro?

Introducción


Hoy día, dos de las opciones de energías alternativas más prometedoras con el potencial de ser libres de emisiones de dióxido de carbono (CO2) y de emisiones contaminantes para la movilidad y son:

- El abastecimiento de energía eléctrica, a través de una red de suministro para la recarga de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (en fase de desarrollo).

- El abastecimiento de hidrógeno como combustible, a través de una red de distribución (a día de hoy  básicamente inexistente).

En este artículo voy a tratar de explicar de manera directa y detallada cuál de estas dos alternativas energéticas podría tener más futuro. Un futuro abocado a afrontar el  desafío que supone el cambio del modelo energético en la movilidad del mañana: la movilidad sostenible. Para ello, recogeré todas las ventajas e inconvenientes de cada uno de estos dos modelos de abastecimiento de energía. El propósito es poder realizar una comparativa y que ustedes puedan sacar sus propias conclusiones.

Previamente explicaré de manera resumida en qué consiste la tecnología de un vehículo eléctrico que funciona con hidrógeno y en qué consiste la tecnología de otro que funciona a baterías recargables.

Vehículo eléctrico a hidrógeno.

Este tipo de vehículo incorpora un sistema de tracción que utiliza un motor eléctrico para mover las ruedas a través de una transmisión o grupo reductor. Ciertamente, el sistema de tracción es exactamente igual que el de un coche eléctrico a batería. Sin embargo, la diferencia entre ambos radica en la procedencia del abastecimiento eléctrico para el motor.


En el caso del vehículo eléctrico a hidrógeno, el abastecimiento eléctrico del motor procede básicamente de una pila de combustible. Este componente está compuesto por múltiples células de combustible cuya misión es formar moléculas del agua por electrólisis inversa.


Este proceso consiste en unir átomos de oxígeno con átomos de hidrógeno. Como resultado de esta unión se genera calor, agua en forma de vapor y un sobrante de electrones que genera la corriente eléctrica utilizada para alimentar el motor eléctrico. El oxígeno es extraído del aire y bombeado a las células de combustible y el nitrógeno sobrante del aire también es retornado a la atmósfera.

>Peso: 1850 Kg. 

Además, el coche a pila de combustible también necesita una batería de tracción. Se trata de una batería de alta tensión que sirve para acumular la energía generada por la pila de combustible y también por el motor eléctrico cuando funciona como generador durante las frenadas regenerativas (de esta forma también se mejora el rendimiento del vehículo aumentando su autonomía). Al mismo tiempo, la batería de tracción también se utiliza como pulmón de energía, de forma que puede sumarse al abastecimiento del motor eléctrico bajo altas demandas de potencia puntuales. Así, la pila de combustible se emplea como generador de electricidad suministrando energía al motor y a la batería a largo plazo. Y la batería sirve como reserva de energía eléctrica destinada a satisfacer los picos de alta demanda de potencia. El peso del sistema de energía es de 250kg (batería + pila de comb. + tanques de H2).
>Funcionamiento del sistema FCV.

A su vez, la pila de combustible necesita “el combustible” para generar la energía eléctrica. Este combustible es el hidrógeno (H2). Con el objetivo de aumentar la autonomía es necesario incrementar la densidad del hidrógeno almacenado. Por ello se utilizan varios tanques de hidrógeno comprimido a alta presión (unos 300 bares). Con todo esto, el vehículo puede tener una autonomía algo superior a 450 Km, con una eficiencia de casi el 64% = (85% + 75%).

- La eficiencia de los tanques de hidrógeno y la pila de combustible es de 85%.- La eficiencia del motor eléctrico (<95%) + la eficiencia de la batería (98%) + la eficiencia de la unidad electrónica de control de potencia (85%) + la eficiencia de la transmisión (95%) da como resultado total un 75% de eficiencia del sistema de tracción.


Vehículo eléctrico a batería.

Este tipo de vehículo incorpora un sistema de tracción que utiliza uno o varios motores  eléctricos para mover las ruedas a través de una transmisión o grupo reductor con un 75% de eficiencia. Hasta aquí es igual que el vehículo de pila de combustible. Sin embargo, la fuente principal de energía a corto y largo plazo es la batería de tracción. Para ello necesita incorporar una batería suficientemente grande como para almacenar la máxima cantidad de energía posible. Con el fin de que el volumen y el peso de la batería no sean desorbitados, los fabricantes más avanzados recurren a baterías de iones de litio cuya densidad energética permite autonomías algo superiores a los 400 km con una sola carga y un peso de 480kg. La batería va ubicada en el piso del vehículo y entre las ruedas para rebajar el centro de gravedad.

>Peso 1847 Kg (Con dos motores).

Los vehículos eléctricos a batería más eficientes consiguen un resultado del 75%. Esto incluye:

La eficiencia del motor eléctrico (<95%) + la eficiencia de la batería (98%) + la eficiencia de la unidad electrónica de control de potencia (85%) + la eficiencia de la transmisión (95%) = 75% de eficiencia del sistema de tracción.

Eficiencia global.

Hasta ahora los datos de eficiencia de ambos tipos de vehículos sólo comprenden el aprovechamiento de la energía que consiguen embarcar hasta que se transforma para convertirse en movimiento. Sin embargo, para poder entender aprovechamiento total de la energía que utilizan estos vehículos y su impacto en la cadena de suministro, es necesario analizar la eficiencia global del sistema (suministro + aprovechamiento). La eficiencia global comprende el grado de aprovechamiento de la energía desde que se captura en su origen hasta que se transforma, almacena y transporta para ser suministrada al vehículo, incluida la eficiencia energética propia de cada uno de los vehículos. 
>Sinóptico comparativo de eficiencia energética global

El análisis expuesto en el sinóptico comparativo se muestra que en el caso del coche eléctrico a hidrógeno es necesario realizar el doble de pasos para la transformación, el almacenamiento y el transporte de la energía en comparación con el caso del coche eléctrico a batería, el cual es más sencillo y directo. Como consecuencia de cada uno de estos pasos intermedios siempre hay pérdidas de energía que perjudican la eficiencia del sistema de suministro.

• Estos son los pasos para el vehículo eléctrico a hidrógeno:

1º) para separar el hidrógeno del oxígeno de las moléculas del agua por electrólisis la eficiencia es del 80%.
2º) para comprimir el hidrógeno obtenido tras la hidrólisis en hidrógeno líquido a muy alta presión (350 bar) la eficiencia es del 85%.
3º) para transportar el hidrógeno en camiones cisterna hasta las estaciones de servicio (hidrogeneras) la eficiencia es del 80%.
4º) para transferir el hidrógeno bombeándolo desde la hidrogenera hasta el tanque del vehículo a una presión de 700 bar la  eficiencia es del 95%.
5º) para formar moléculas de agua a partir del oxígeno del aire y del hidrógeno por electrolisis inversa con el objetivo de generar corriente eléctrica, la eficiencia es del 85%.
6º) para generar movimiento con el sistema de tracción del vehículo la eficiencia es del 75%.

• Estos son los pasos para el vehículo eléctrico a batería:

1º) para transportar la electricidad a través de la red eléctrica la eficiencia es del 95%.
2º) para recargar la batería embarcada del vehículo eléctrico la eficiencia es del 98%.
3º) para generar movimiento con el sistema de tracción del vehículo la eficiencia es del 75%.

Tras este análisis concluimos lo siguiente: sin contar el rendimiento del método para capturar la energía y partiendo de un origen de generación de energía 100% renovable, la eficiencia global para el vehículo eléctrico a hidrógeno es del 33% y para el vehículo eléctrico a batería es del 70%.

Si ahora comparamos estos datos con el rendimiento del vehículo eléctrico a batería suponiendo que el origen de generación de la energía no es renovable, porque la electricidad se generase a base de quemar combustibles fósiles, el rendimiento global cambia radicalmente a peor. No obstante, es curioso observar que, aun así, sigue siendo ligeramente superior al del vehículo eléctrico de pila de combustible y claramente superior también al del vehículo con motor de combustión.

- Eficiencia global vehículo eléctrico a pila de combustible: 33%
- Eficiencia global vehículo de combustión diésel: 27%
- Eficiencia global vehículo eléctrico a batería con origen No renovable: 35%

Este análisis lo podéis observar en el siguiente cuadro comparativo de eficiencia energética:

Nota: tener en cuenta que en este caso tanto el vehículo eléctrico como el de combustión generarían emisiones de CO2 y emisiones contaminantes, mientras que el vehículo a pila de combustible dependería de si el hidrógeno se extrae del agua (libre de emisiones contaminantes) o de algún combustible fósil (con resultado de emisiones contaminantes).
Continuará en una segunda parte.


3 comentarios:

  1. Excelente artículo que aclara mucho la eficacia energética de las opciones de uso de la energía para el uso en el transporte

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  2. Excelente Blog voy a usarlo como material de apoyo, ya que estoy por hacer esta fp eficiencia energética y energía solar térmica, ya que espero elaborar propuestas de mejora de la eficiencia.

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¡Muchas gracias por su interés y su comentario! Disculpe las molestias, no solemos responder comentarios, pero estamos seguros que los demás lectores lo harán
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