Movilidad eléctrica en el transporte de viajeros

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Eléctrica Movilidad eléctrica en el transporte de viajeros. Autor: Vallejo Luis, Raúl Tutor: Alonso Ripoll, Francisco Javier Departamento de Ingeniería Eléctrica Valladolid, Julio de 2019 MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 2 MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 3 Resumen Una de las principales preocupaciones de la sociedad a día de hoy es el cambio climático, de ahí que, para intentar combatirlo, se están lanzando multitud de cambios en nuestras costumbres cotidianas. Una de estas novedades es la aparición del coche eléctrico y en el caso del transporte de viajeros, el autobús híbrido o 100% eléctrico. A lo largo del trabajo se van a ir detallando los modelos de autobuses eléctricos e híbridos que están en el mercado actualmente, así como los tipos de motores y baterías que éstos emplean. Asimismo, se va a realizar la simulación de uno de estos autobuses eléctricos 100% para comprender mejor cuales son los sistemas en los que hay que aumentar la eficiencia con el objetivo de mejorar un poco más la duración de la batería del autobús, comparar el rendimiento y la autonomía al variar el ciclo de conducción y obtener finalmente los parámetros de tensión, intensidad, potencia, rendimiento y aceleración del motor. Palabras clave 1. Autobús. 2. Motor. 3. Inversor. 4. Híbrido. 5. Batería. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 4 MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 5 Agradecimientos Me gustaría agradecer en primer lugar a todas las personas que me han apoyado durante estos cuatro años, mis padres, mis abuelos, mi hermano, … También a mi tutor de este trabajo, Javier Alonso Ripoll, que me ha ayudado en cuantas cosas le he pedido. Y, por último, agradecer a Txema, Oscar y Julen de Irizar, por la visita a la fábrica de Irizar e-mobility en Aduna, la información que nos han proporcionado y el buen trato que hemos recibido de ellos. Asimismo, a Antonio de Mercedes, a Fernando de Scania y a Ángel de MAN por los catálogos e información aportada. ¡Gracias a todos! MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 6 MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 7 Índice Resumen ............................................................................................................................ 3 Palabras clave .................................................................................................................... 3 Agradecimientos ................................................................................................................ 5 Índice .................................................................................................................................. 7 1. Introducción................................................................................................................ 9 1.1. Objetivos: ............................................................................................................ 9 1.2. Estructura: ........................................................................................................ 10 2. Transporte de viajeros ............................................................................................. 11 2.1. Orígenes: ........................................................................................................... 11 2.2. Actualidad: ........................................................................................................ 22 2.3. Nuevos modelos: .............................................................................................. 25 2.3.1. Magnus Hybrid Scania Castrosua. .......................................................... 26 2.3.2. Iveco Urbanway Full Hybrid. .................................................................... 28 2.3.3. Volvo 7900 Híbrido. ................................................................................. 30 2.3.4. Volvo 7900 Híbrido Eléctrico. .................................................................. 32 2.3.5. Volvo 7900 Eléctrico. ............................................................................... 34 2.3.6. Irizar i3h e Irizar i4h ................................................................................. 36 2.3.7. Modelos Irizar ie bus. ............................................................................... 39 2.3.8. Mercedes Citaro Híbrido. ......................................................................... 39 2.3.9. Mercedes eCitaro Eléctrico. .................................................................... 42 2.3.10. MAN Lion’s City Híbrido. .......................................................................... 45 2.3.11. MAN Lion’s City Eléctrico. ........................................................................ 47 2.3.12. Scania Citywide Suburban Hybrid. .......................................................... 48 2.3.13. Autobús Proterra Catalyst. ....................................................................... 51 2.4. Últimas novedades. ......................................................................................... 53 3. Autobuses eléctricos 100%. .................................................................................... 55 3.1. Modelos eléctricos. .......................................................................................... 55 Irizar ie bus. .............................................................................................................. 55 Irizar ie tram. ............................................................................................................ 56 Análisis técnico: ....................................................................................................... 57 3.2. Baterías. ........................................................................................................... 71 Plomo – ácido. ......................................................................................................... 71 MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 8 Níquel – Cadmio (Ni - Cd). ....................................................................................... 71 Níquel – Hidruro Metálico (Ni - MH). ....................................................................... 72 Ion – Litio (Li - ion). .................................................................................................. 72 Zinc – Aire. ................................................................................................................ 73 Baterías ZEBRA. ....................................................................................................... 73 Supercondensadores. .............................................................................................. 74 3.3. Motores eléctricos............................................................................................ 75 Motor de corriente continua. ................................................................................... 75 Motor síncrono. ........................................................................................................ 76 Motor asíncrono. ...................................................................................................... 77 Motor de reluctancia conmutada. ........................................................................... 78 Motor de flujo axial. ................................................................................................. 78 3.4. Cargadores eléctricos. ..................................................................................... 79 4. Simulación del autobús 100% eléctrico. ................................................................ 83 4.1. Baterías del autobús. ....................................................................................... 83 4.2. Ciclos de conducción. ...................................................................................... 88 4.3. Modelado del autobús. .................................................................................... 92 5. Conclusiones obtenidas y trabajos relacionados. ............................................... 105 5.1. Conclusiones. ................................................................................................. 105 5.2. Trabajos relacionados. .................................................................................. 106 Índice de figuras. ............................................................................................................ 107 Índice de tablas. ............................................................................................................. 111 Bibliografía ..................................................................................................................... 113 MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 9 1. Introducción Actualmente uno de los temas que más preocupan a la sociedad es el cambio climático. Esta preocupación social ha derivado en multitud de cambios políticos y empresariales, llevando entre otras cosas a empezar a limitar el uso de vehículos de combustión en determinadas ocasiones y motivando a los fabricantes a crear nuevos modelos híbridos y eléctricos 100%. En el mundo del transporte de viajeros, este cambio también ha llegado. Desde hace una década han comenzado a incorporarse en los autobuses sistemas para reducir los óxidos de nitrógeno, las partículas, etc. Pero para acabar con toda esta contaminación, la principal solución es el autobús 100% eléctrico, que los principales fabricantes ya tienen disponible para versiones urbanas. Otras alternativas que también se han tomado, aunque más a corto plazo, es el empleo del gas natural en sus versiones de licuado (GNL) y comprimido (GNC) como combustible. En el caso de este TFG vamos a valorar las ventajas que tienen los modelos de autobuses híbridos y eléctricos que podemos encontrar ya por nuestras ciudades y los novedosos modelos 100% eléctricos. También simularemos uno de estos vehículos para conocer su comportamiento en determinadas situaciones. 1.1. Objetivos: El objetivo de este Trabajo Fin de Grado es conocer de una forma más cercana los autobuses eléctricos e híbridos que están en el mercado actualmente, estudiando las baterías, los motores que emplean y como mejorar la autonomía del autobús. Entre los fines a los que queremos llegar, destacan: • Evolución de los sistemas de tracción en los autobuses. • Detallado de los principales autobuses híbridos y eléctricos. • Conocer el funcionamiento de una celda de Ion – Litio de manera que podamos probar distintos tipos de descargas de esta. • Simular la aceleración de arranque de un autobús 100% eléctrico. • Ensayar un autobús 100% eléctrico con el objetivo de conocer la influencia que tienen en su autonomía el tipo de ciclo de conducción que se utilice, la masa del vehículo y los servicios auxiliares eléctricos que estén conectados. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 16 Figura 6: Autobús Tilling-Stevens utilizado para el transporte urbano en Barcelona. (Railsferradures, 2013) No obstante, la evolución de la transmisión mecánica avanzó más rápidamente que la eléctrica, llegando a hacerla desaparecer, al surgir sistemas mecánicos más simples, fiables y fáciles de conducir. No sería hasta los años 90 cuando se volverían a retomar este tipo de proyectos para fabricar autobuses híbridos por lo que solamente los trolebuses y los tranvías serían la única movilidad eléctrica durante este período de tiempo. Otro tipo de vehículos desarrollados por Tilling-Stevens fueron los trolebuses híbridos, de modo que cuando llegaban a zonas fuera de la ciudad estaban preparados para circular con un motor híbrido diésel. Por otra parte, el motor diésel para autobuses ya se había empleado alguna vez, en torno a 1900, por parte de los hermanos Mack en Estados Unidos. Fueron estos quienes consiguieron popularizarle y que comenzara a ser utilizado a partir de 1938 y a partir de aquí los autobuses ya no volverían a emplear motores de gasolina. En Europa y en especial en España, durante esta época tuvo lugar la Guerra Civil y posteriormente la II Guerra Mundial, que originó una escasez de combustibles líquidos, causando esto a su vez la imposibilidad de utilizar motores de combustible líquido. Para evitar este problema y poder utilizar combustibles sólidos, se comienza a emplear el “gasógeno” (Figura 7). Este sistema ya había sido inventado en 1870 y consistía en gasificar un combustible sólido, bien podía ser leña o carbón. El poder calorífico de este gas, que se producía de la combustión del carbón o la leña, era muy bajo y, por tanto, el rendimiento de los motores era ínfimo, causando que los autobuses no pudieran enfrentarse a grandes dificultades. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 17 Figura 7: Autobús español convertido a gasógeno. (Fernandez Valentí, 2012) Cuando el periodo de autarquía terminó en España y Europa se recuperó de la guerra los combustibles volvieron a estar disponibles sin ningún tipo de racionamiento y los motores de todos los vehículos volvieron a ser de combustible líquido por lo que este sistema desapareció. Mientras tanto, los autobuses continuaron incorporando mejoras, pero no sería hasta 1951 cuando Mercedes presenta el O 6600 H, el primer autobús sin morro y con motor trasero. Con esto se conseguía disminuir el ruido en el interior del vehículo. Además, también fue el primer autobús creado a partir de un chasis diseñado para él, no adaptado a partir de uno de camión como había sucedido hasta ahora. Figura 8: Modelo Mercedes O 6600 H de 1951. (Gomez Guzmán, 2010) En España se van a desarrollar a lo largo de la segunda mitad del siglo XX dos marcas de autobuses, una de capital público, Pegaso (Figura 9) y otra de capital privado, Barreiros (Figura 10), que terminarían integrándose en el grupo Iveco y en el grupo Renault - Volvo respectivamente. La mayoría de los autobuses en nuestro país, a diferencia de lo que sucedía en Europa, son carrozados, es decir, que la carrocería será fabricada por un carrocero como es el caso de Irizar, que llevaba carrozando desde 1889 y destaca por la buena calidad de sus vehículos y el chasis está fabricado por las marcas (Mercedes, Scania, Volvo, …). MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 18 Figura 9: Autobús Pegaso de 1966. Figura 10: Autobús Barreiros de 1963. Con el paso del tiempo, comienzan a llegar otras marcas, como es el caso de Setra-Seida, que fabricará vehículos autoportantes (vehículo sin chasis) con licencia Kässbohrer-Setra (actualmente perteneciente a Mercedes), utilizando en Alemania motores Mercedes, pero en España se limitará a utilizar en mayor cantidad motores Pegaso y de forma menos habitual Man y Cummins. En el año 1952 la marca Pegaso, debido a la ausencia que aún había de combustibles en España, decide probar con la tecnología eléctrica, pero solo consiguió crear un prototipo para camión. Este, el prototipo Pegaso Eléctrico Z-106 (Figura 11) estaba basado en su modelo homólogo con motor diésel, el Pegaso Diesel Z-203. Contaba con unos acumuladores de batería franceses de la “Societé de Vehiculés Eléctriques Industriels” que le proporcionaban una autonomía de 75 km y una velocidad máxima a plena carga de 28 km/h. El principal problema que tenía el camión era el excesivo peso de las baterías que le limitaba la carga que podía transportar. Debido a estos problemas y a la tecnología tan básica que existía en aquel momento no se llegó a extrapolar al modelo de autobús. Figura 11: Prototipo Pegaso Eléctrico Z-106 de 1952 y su ficha técnica. (Garaje 22, 2011) Este prototipo, además de ser un gran avance para su época, lo sigue siendo hoy en día pues, aunque en autobuses o camiones van apareciendo nuevos modelos, todos son en el ámbito urbano y este Pegaso pretendía poder ser utilizado a cualquier escala. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 19 Una característica habitual de los motores Pegaso era la gran cantidad de humo que echaban hasta que posteriormente se empiezan a importar chasis de vehículos Mercedes y Scania, que ya tenían una gran fiabilidad y no emitían humo. Figura 12: Autobús con chasis Scania y carrocería Irizar modelo Everest de 1983. (Elaboración propia) Aprovechando su primer centenario, Irizar presentó en 1989 el modelo Century (Figura 13), un vehículo que marcó un hito en la construcción de carrocerías de autocares. A partir de aquí se puede decir que comienza la edad moderna de los autobuses. Figura 13: Irizar Century de 1995 con chasis Scania. (Elaboración propia) A principios de los años 90 algunas compañías japonesas como Hino, Nissan, Mitsubishi, Isuzu o Toyota comienzan a crear algunos modelos de autobuses híbridos destinados al transporte urbano. En la Tabla 1, a continuación, se puede ver como aparece un salto en esta tecnología híbrida eléctrica desde 1911 hasta 1991 y como a partir de esta fecha se retoma definitivamente esta tecnología de propulsión y todas las marcas comienzan a desarrollar sus primeros prototipos. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 20 Año Compañía Nombre Tipo Comentarios Pre-1960 1911 Tilling-Stevens TTA1 gasóleo-eléctrico (en servicio en rutas de Thomas Tilling) Bus Transmisión a gasolina-eléctrico, pero no con batería de almacenaje y tampoco de propulsión, excepto con el motor de gasolina en ejecución 1990s 1991 Hino Hino Blue Ribbon HIMR Bus 1993 Mitsubishi Mitsubishi Fuso Aero Star MBECS, 1ª generación Bus 1995 Nissan Nissan Diesel UA ERIP Bus 1996 Isuzu Isuzu Cubic CHASSE Bus 1996 Híbrido Gillig Phantom Bus 1997 Toyota Toyota Coaster híbrido EV Bus primeras series de buses japoneses híbridos 1998 New Flyer H40LF (bus híbrido transmisión diesel-eléctrica), 'H' y más tarde cambiado a 'DE' Bus 1999 Orion VI híbrido Bus 2000s 2002 Mitsubishi Mitsubishi Fuso Aero Star bus Nonstep HEV, 2ª generación Bus MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 21 2002 Nova Bus RTS HEV bus (4 unidades hechas) Bus 2002 MCI D4000 HEV (4 unidades hechas) Bus 2002 Wright Electrocity Bus 2002 New Flyer DE60LF Bus 2003 Orion VII bus híbrido5 Bus 2003 TransBus Enviro200H Bus 2004 New Flyer GE40LF (bus híbrido gasolinaeléctrico) Bus 2004 Hino Hino S'elega R híbrido Bus 2004 Hino Hino Blue Ribbon City híbrido Bus 2004 Gillig Low Floor híbrido Bus 2006 IC Corporation bus escolar híbrido Bus 2006 Nova Bus LFS HEV Bus 2006 Wrightbus Wright Pulsar Gemini HEV Bus 2006 New Flyer DE40LFR Bus 2007 New Flyer DE60LFR Bus 2008 Alexander Dennis Alexander Dennis Enviro200H Bus 2008 Alexander Dennis Alexander Dennis Enviro400H Bus 2008 Alexander Dennis Alexander Dennis Enviro500H Bus 2008 Beiqi Foton en Guangzhou, China con Bus MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 22 Eaton Corp. sistemas de propulsión híbrida diesel-eléctricos ferroviarios9 2008 Hino Hino S'elega híbrido (2ª generación) Bus 2008 Optare Optare Tempo Bus 2008 Volvo Volvo B5L híbrido Bus 2008 Wrightbus Wright Gemini 2 HEV Bus 2009 Wuzhoulong FDG6111HEVG Bus 2010s 2010 Alexander Dennis Alexander Dennis Enviro350H Bus 2010 Optare Optare Versa Bus 2010 Wuzhoulong FDG6112HEVG, FDG6111HEVG2 Bus Tabla 1: Fabricación de autobuses híbridos eléctricos desde 1911 hasta 2010. (Wikipedia, 2018) 2.2. Actualidad: En las últimas décadas del siglo XX comienza a surgir la preocupación social por la contaminación atmosférica, por ello, la Unión Europea decide empezar en 1988 con la primera de las normas Euro, en este caso, la Euro 0, que era una normativa que fijaba el límite máximo de emisiones contaminantes que podían salir por el tubo de escape de un vehículo. Estos límites varían dependiendo del tipo de combustible y de motor que se utilice. El objetivo era reducir el CO2, al quemar menos carburante, por ello, se exige a los fabricantes que reduzcan el consumo de carburante. Con la aplicación de estas normas se han limitado las emisiones de cuatro contaminantes potencialmente peligrosos para la salud (óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, la parte de los combustibles que no se quema completamente en la combustión y las partículas que dan el color negro al gas del escape). Las normas han ido evolucionando con el tiempo, siendo cada vez más severas como podemos ver en la Figura 14. Por ello desde 1988 hemos pasado por las MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 23 normas EURO 1, 2, 3, 4, 5 y la actual, EURO 6. La norma EURO 6 empezó a aplicarse en enero de 2014, tanto en vehículo pesado como ligero. Figura 14: Emisiones máximas de NOx y PM para motores diésel (Wikipedia, 2019) Para reducir las emisiones contaminantes se han incorporado a los motores diversos sistemas, cada vez más complejos, que les permiten cumplir con los límites de emisiones establecidos, como son: • Catalizador: actúa principalmente sobre el monóxido de carbono y los hidrocarburos inquemados. • Filtros de partículas: eliminan partículas sólidas, que son las que provocan el color negro del humo de escape en los motores diésel. • Sistemas SCR: se encarga de eliminar los óxidos de nitrógeno mediante el catalizador y la urea. En las Figuras 15 y 16 podemos ver como se integran algunos de estos sistemas en el motor de un autobús. Figura 15 y Figura 16: Catalizador incorporado en el escape (i) y uno de los inyectores del sistema de AdBlue (d) en un motor Volvo Euro 6 (Elaboración propia) MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 24 Las últimas normativas aplicadas han sido la Euro 6 en 2014, la Euro 6c en 2018 y actualmente la Euro 6d en 2019. Con las elevadas restricciones que han ido incrementando dichas normativas, los fabricantes de autobuses han vuelto a reabrir el mercado de autobuses eléctricos, híbridos o incluso la utilización de otros combustibles como el GNC (Gas Natural Comprimido) y GLP (Gas Natural Licuado), con lo que se consigue reducir la contaminación. Motivado por el compromiso de reducción de contaminantes, el fabricante Irizar, en el año 2014 con la aparición de la norma Euro 6, realiza la primera entrega de sus modelos 100% eléctricos. En España la DGT (Dirección General de Tráfico) ha decidido etiquetar, cumpliendo con las normativas europeas, a todos los vehículos con una pegatina (Figura 17) en la que se indica la norma que cumple el motor, la matrícula y el tipo de combustible. Dependiendo de las emisiones del motor pueden ser: • La etiqueta C: corresponde con los vehículos de gasolina matriculados a partir del 2006 y vehículos Diesel a partir del 2014, así como aquellos de gasolina con capacidad para ocho personas y de Diesel con matriculación a partir del 2014. • La etiqueta B: corresponde a aquellos matriculados a partir del año 2000 de gasolina y a partir del 2006 de Diesel. Además, vehículos pesados y de ocho plazas de gasolina y con matriculación de 2005 de Diesel. • La etiqueta ECO: estas etiquetas las pueden utilizar aquellos turismos, furgonetas ligeras, vehículos de más de ocho plazas y vehículos de transporte de mercancías clasificados como vehículos híbridos enchufables con autonomía <40 km, vehículo híbrido no enchufable (HEV), vehículos propulsados por gas natural (GNC y GNL) o gas licuado del petróleo (GLP). • La etiqueta Cero emisiones: estas etiquetas las pueden utilizar los ciclomotores, triciclos, cuadriciclos y motocicletas; turismos; furgonetas ligeras y vehículos de más de ocho plazas. Además de aquellos vehículos de transporte de mercancías clasificados como vehículos eléctricos de batería (BEV), vehículo eléctrico de autonomía extendida (REEV), vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHEV) con una autonomía mínima de 40 kilómetros o vehículos de pila de combustible. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 25 Figura 17: Distintivo ambiental DGT. (Dirección General de Tráfico) 2.3. Nuevos modelos: El aumento de autobuses basados en las tecnologías híbridas y eléctricas está teniendo en los últimos años un crecimiento exponencial como se puede ver en la Figura 18 en la que, aunque no se incluyen los autobuses híbridos, sí que contiene los datos de autobuses eléctricos y otro tipo de tecnología, que son los trolebuses con baterías con más de un kilómetro de operación. Este crecimiento se debe a los avances en las tecnologías y a una mayor implicación por parte de las administraciones públicas, los empresarios del sector y las marcas de autobuses. Figura 18: Número de autobuses eléctricos por año. (Transport & Environment, 2018) La mayoría de las ciudades españolas ya cuenta con autobuses híbridos o eléctricos para el servicio de transporte urbano, algunos de los cuales analizaremos posteriormente. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 32 2.3.4. Volvo 7900 Híbrido Eléctrico. El modelo Volvo 7900 Híbrido Eléctrico (Figura 26) consiste en avanzar un paso más en la electrificación de los autobuses, por ello, este modelo cuenta con una mayor autonomía eléctrica y para ello utiliza mejores baterías que se pueden recargar mediante un sistema de carga de oportunidad en la cabecera y el final de la línea urbana. Este híbrido paralelo de Volvo tiene una conducción igual de sencilla que cualquier otro modelo, ya que el conductor no tiene que ocuparse ni de la carga, ni de la gestión de la potencia híbrida. Además, cuenta con uno de los mejores entornos para el conductor, con una ergonomía de primer nivel. Figura 26: Volvo 7900 Híbrido Eléctrico. (Volvo, 2016) La línea motriz que emplea este modelo es una ampliación de la línea motriz probada y utilizada para el Volvo 7900 Híbrido. En este caso emplea un motor eléctrico más potente, un mayor almacenamiento de energía y el equipamiento necesario para la carga rápida en parada. Este sistema le permite al autobús recorrer en modo eléctrico una distancia de hasta 7 kilómetros entre cargas o el 70% de una ruta. Esto ofrece una experiencia cómoda y silenciosa tanto a los pasajeros que vayan a bordo del autobús, a las personas que estén esperando en las paradas, como a las personas que residan junto a esa ruta. Este autobús cuenta con un motor Volvo con el cumplimiento de la norma Euro 6, el motor Volvo D5K 240 de cuatro cilindros en línea, inyección diésel common rail que proporciona una potencia de 240 CV y aporta un par de 918 Nm. Es el mismo motor empleado en el modelo Volvo 7900 Híbrido. La poca utilización del motor térmico de este vehículo, le convierte en uno de los autobuses más involucrado en la protección medioambiental, pues reduce el MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 33 consumo energético en un 60%, las emisiones de CO2 una media de un 75% y las partículas en una proporción aún superior. En cuanto al motor eléctrico, también es de Volvo, es el Volvo I-SAM que tiene una potencia máxima de 150 KW y un par máximo de 1200 Nm. La transmisión del vehículo es el sistema de cambio de marchas automático Volvo I-Shift. La distribución de los principales componentes del sistema híbrido eléctrico de Volvo los podemos ver detallados en la Figura 27. Figura 27: Principales componentes del sistema híbrido eléctrico de Volvo. (Volvo, 2016) En cuanto a las baterías, este modelo posee unas de Ion-Litio de gran capacidad. La recarga se realiza mediante una carga rápida en parada. El sistema está diseñado para formar parte de las paradas de autobús normales e incluye la interfaz completa entre la red eléctrica y el vehículo. El proceso de carga se inicia de manera automática cuando el autobús se detiene en la posición adecuada. Los contactos de carga se conectan al autobús en la parte superior, lo cual ofrece una óptima seguridad. Todos los contactos móviles están integrados en la columna del cargador, de manera que el autobús solo tiene unos contactos fijos, con lo que se consigue reducir al mínimo la necesidad de mantenimiento adicional y de paso, disminuir el peso de los autobuses. El proceso de carga en las cabeceras de la línea tardará tan solo seis minutos, por lo que podrá seguir cumpliendo sus horarios. Al igual que otros modelos, el Volvo 7900 Híbrido Eléctrico es capaz de cargar la batería a partir de la recuperación de energía al frenar y al bajar pendientes. Para ello, el motor eléctrico viene preparado para funcionar en las frenadas como ralentizador. En la Figura 28 podemos ver el principio híbrido eléctrico en el que se basa el Volvo 7900 HE además, podemos apreciar en qué momentos va a emplear únicamente el autobús su motor térmico. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 34 Figura 28: Principio Híbrido Eléctrico de Volvo. (Volvo, 2016) Por último, en este modelo se ha implementado una nueva función de gestión de zonas, que se emplea sobre todo para aquellas ciudades en las que se han impuesto restricciones de tráfico por contaminación. La función de Gestión de Zonas ayuda al conductor a cumplir las normas, enviándole un recordatorio al aproximarse a una zona restringida. De este modo, se podrá incluso imponer la conducción eléctrica dentro de esas zonas. 2.3.5. Volvo 7900 Eléctrico. El Volvo 7900 Eléctrico (Figura 29), es el primer modelo comercial 100% eléctrico que produce la marca Volvo. Este autobús, es una herramienta que ofrece la posibilidad de desarrollar su sistema de transporte público en ciudad con una amplia gama de innovadoras soluciones medioambientales. Puede circular por cualquier sitio, ya que en todo momento es limpio y silencioso, sin emisiones, lo que le permite atravesar zonas residenciales o la posibilidad de nuevas rutas nocturnas sin tener que preocuparse por despertar a los vecinos. Figura 29: Modelo Volvo 7900 Eléctrico. (Volvo, 2016) Puesto que este modelo es eléctrico, no tiene un motor térmico y es por ello, por lo que en ningún momento va a contaminar, ya que el único motor que lleva es el eléctrico, alimentado por las baterías. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 35 El motor eléctrico es de Volvo, con una potencia máxima de 160 KW y un par máximo de 400 Nm. Este vehículo también lleva una transmisión automática de marca Volvo, de dos velocidades. En cuanto a las baterías, en este caso, se van a utilizar unas de Ion-Litio de alta capacidad (150, 200 y 250 KWh), con una tensión de 600 V. El sistema de carga (Figura 30) se basa en realizar una carga rápida en parada, ya que ofrece mayores ventajas respecto a la carga nocturna. Al emplear este sistema, el tamaño del pack de baterías puede ser menor y más ligero, lo que se traduce en una mayor capacidad de transporte de pasajeros y, además al no tener que realizar una carga nocturna, el autobús puede alargar las horas de operación. Figura 30: Cargador Volvo situado en una parada. (Volvo, 2016) La carga se realiza de forma completamente automática. Cuando el autobús está situado en la posición adecuada, los conectores del cargador (el pantógrafo que se ve en la Figura 30) se unen al autobús por la parte superior, lo que ofrece una máxima seguridad. Todos los autobuses de una línea van a compartir las unidades de carga, lo que supone un mejor uso de las infraestructuras y una reducción en las inversiones. En cuanto a la carga, para este modelo, se emplea un cargador con una potencia máxima de 300 KW, que permite al autobús hacer una recarga de baterías en un tiempo de 6 minutos. Al igual que en el modelo anterior, todas las piezas móviles del sistema de carga están integradas en la propia estación, mientras que los contactos del autobús son fijos. De esta manera, se consigue reducir al mínimo las necesidades de mantenimiento en el autobús y disminuir el peso de este. En cuanto al frenado, el motor eléctrico funciona como retarder, recuperando energía tanto en las frenadas como en las bajadas. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 36 2.3.6. Irizar i3h e Irizar i4h Irizar ofrece una amplia gama de productos y soluciones, entre lo que destaca la tecnología híbrida en autocares de clase II, la empleada en el i3h e i4h, para la realización de servicios urbanos e interurbanos. En el caso de estos dos vehículos, la tecnología de hibridación desarrollada por Irizar es la tecnología híbrida paralela. Combina un motor de propulsión diésel o HVO (biodiesel) con un motor eléctrico que, en función de los requerimientos, pueden traccionar a la vez o por separado, consiguiendo de este modo una óptima eficiencia y rendimiento. Tanto para los modelos Irizar i4h como para los i3h, el motor es un Cummins de 6,7 litros, con una potencia de 300 CV que cumple con la normativa Euro 6OBD C, en vigor desde el primero de enero de 2017. El paquete de hibridación es el modelo Eaton, con una caja de cambios robotizada Eaton Fuller de seis velocidades, con motor eléctrico Edrive que suministra una potencia entre 44 y 65 KW y va refrigerado por agua para evitar sobrecalentamiento. Las baterías de estos modelos son de Ion-Litio de MGL. El Irizar i4h (Figura 31) es el primer autocar híbrido paralelo de la clase II. Está disponible en versiones de 10,7m hasta 13m en dos ejes. Es un autocar de cercanías y suburbano de corto recorrido que también es apto para el transporte escolar. Figura 31: Irizar i4h Híbrido. (Irizar, 2017) Este modelo se convierte en el primer vehículo híbrido de cercanías, para líneas de corto y medio recorrido. Además, también cuenta con piso alto y maletero, lo que le convierte en un vehículo muy útil. El Irizar i3h low entry, como el que podemos ver en la Figura 32, es un vehículo suburbano que permite ajustar la capacidad de pasajeros a las necesidades del cliente. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 37 Figura 32: Irizar i3h Híbrido. (Irizar, 2017) El paquete híbrido de estos autobuses dispone de 5 modos diferentes de funcionamiento, dependiendo de qué motor sea el que está activo: ➢ Motor de arranque: el motor eléctrico entra en funcionamiento para hacer de motor de arranque del motor térmico. ➢ Modo motor de combustión y motor eléctrico: se activa en caso de gran demanda de potencia ➢ Modo motor de combustión solo: permite recargar las baterías del autobús. ➢ Modo eléctrico: solamente funciona el motor eléctrico y el motor de combustión está apagado. En estos casos, el vehículo al funcionar de manera eléctrica no emite nada de contaminación. ➢ Frenado regenerativo: permite recuperar energía en las bajadas o las frenadas y gracias al motor, la convertirá en electricidad que vuelve a ser almacenada en las baterías. En la Figura 33 podemos ver la representación gráfica de todos estos modos de funcionamiento de los dos motores y, además, por medio de flechas se indica hacia dónde va la dirección del flujo de energía que hay en cada momento. Con la flecha azul se representa la energía mecánica que va de los motores a las ruedas y con la flecha verde la energía eléctrica que sale de las baterías al motor eléctrico o la que en algunos momentos recupera el motor y devuelve a las baterías. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 38 Figura 33: Modos de funcionamiento del paquete híbrido. (Irizar, 2017) La cadena cinemática de ambos autobuses es la misma, únicamente hay una variación dependiendo del tamaño del autobús. Esto lo podemos ver en la Figura 34, en la que se distingue entre el tamaño de 10,7 m a 13 m con el tamaño de 15 m, que tendrá unos motores más potentes y un tercer eje. Figura 34: Cadena cinemática. (Irizar, 2017) Estos autobuses híbridos, están diseñados para ser capaces de disminuir el consumo de carburante en un 20% a lo largo de un año, con lo que ahorran en torno a 6000 litros de gasoil. Esta reducción en el gasto de combustible afecta MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 39 también de manera directa a las emisiones de CO2 que se emiten, llegando a reducir incluso cerca de 170000 gr/año de CO2. La gama híbrida de Irizar también pone el acento en la reducción de consumo mediante el empleo de tecnologías energéticas más novedosas, como el sistema EcoAssist de Datik. Gracias a toda esta información inteligente se puede planear mejor la formación de los conductores, la compra de vehículos y las rutas a operar, reduciendo así la energía utilizada y mejorando la competitividad del servicio. La función de EcoAssist se basa en almacenar datos del sistema que permiten reducir energía, ayudando a identificar tramos de rutas y proporcionando más consignas a los conductores. Para la tarea del control de energía, se toman datos concretos del gasto exacto de energía por trayecto que permiten hacer una valoración a futuro, creando informes automáticos que identifican las áreas de mejora para la reducción de consumos. El gestor incluye una solución para el seguimiento de las horas de conducción que evite riesgos de fatiga y penalizaciones por infracciones. Además, el iPanel permite configurar la velocidad por zonas. 2.3.7. Modelos Irizar ie bus. Los modelos ie bus de Irizar son los autobuses 100% eléctricos de esta marca. El detalle de dichos modelos en profundidad se va a realizar en el capítulo 3 titulado “Autobuses eléctricos 100%”. 2.3.8. Mercedes Citaro Híbrido. El Citaro hybrid (Figura 35) es un autobús desarrollado por Mercedes especialmente para las exigencias del servicio de línea en aglomeraciones urbanas con el objetivo de reducir el consumo de combustible. El motor de combustión está asistido por la fuerza de propulsión adicional de un módulo híbrido compacto y de alta eficiencia. Para este modelo Mercedes ha apostado por la tecnología híbrida en paralelo. Figura 35: Merceces Citaro Hibrido. (Mercedes-Benz, 2018) MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 40 El motor de combustión que emplean gran parte de los autobuses Citaro es uno de la serie 936 de 7,7 litros de cilindrada. Cumple con la normativa Euro 6 y este tipo de vehículo suele emplear como combustible el diésel o también en una versión más ecológica aún se emplea un motor de gas. En el funcionamiento del sistema motor del autobús podemos distinguir principalmente la máquina eléctrica, que se inserta entre el motor de combustión y la entrada de la caja de cambios automática ZF Ecolife de seis desarrollos. Con forma de disco robusto, proporciona un par máximo de 220 Nm y una potencia de 14 kW que sirven de apoyo al propulsor principal, sobre todo en las fases de aceleración y ralentí. El rendimiento total que se consigue con este motor no difiere del que se obtiene en la versión que solamente emplea motor de combustión ya que el motor eléctrico solamente es un complemento del motor de combustión. Es decir, se consigue el mismo rendimiento final, pero de manera más ecológica y económica cuando se emplea el modo híbrido. Figura 36: Esquema Mercedes Citaro Hibrido. (Mercedes-Benz, 2018) Analizando la Figura 36 en la que se muestra un esquema de colocación de todos los sistemas híbridos del autobús, tenemos: • Motor Eléctrico (3): La combinación de un motor de combustión para la carga básica y un motor eléctrico para cargas máximas permite una alta eficiencia energética de la propulsión durante la marcha. Los componentes diseñados para cargas muy cambiantes son de construcción muy robusta. Su larga vida útil es comparable a la de los motores de combustión normales. • Eje de baja fricción (4): Otro factor de la rentabilidad superior del Citaro hybrid es el nuevo eje de baja fricción y eficacia optimizada: por una parte, MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 41 por el ahorro de combustible que aporta su baja resistencia de giro, pero también por otra parte, por sus bajas necesidades de servicio y un intervalo de mantenimiento prolongado de los 180 000 a los 240 000 km. • Intelligent eco steering (5): La nueva dirección electrohidráulica intelligent eco steering del nuevo Citaro hybrid de serie contribuye a una mayor eficiencia energética. Funciona de forma optimizada a demanda y contribuye también a reducir el consumo de combustible en la línea urbana. Otro elemento fundamental para el control del motor eléctrico es el inversor (Figura 37), en el que la electrónica es capaz de transformar la energía eléctrica almacenada en la batería como corriente continua en corriente alterna para mover el motor eléctrico. Para garantizar una alta seguridad en el servicio el inversor tiene una refrigeración separada por agua. Figura 37: Inversor de corriente del Mercedes Citaro Hibrido. (Mercedes-Benz, 2018) Este modelo también emplea para almacenar energía los supercaps o supercondensadores como los de la Figura 38. Gracias a la alta densidad de potencia que poseen estos condensadores permiten almacenar la energía eléctrica consumida y generada por el motor, de forma muy compacta y segura. Su diseño se ha concebido para realizar un cambio rápido y continuo entre carga y descarga típico del ciclo del autobús urbano. Una ventaja de este sistema es que poseen una larga vida útil. Figura 38: Supercaps del Mercedes Citaro Hibrido. (Mercedes-Benz, 2018) MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 48 celdas garantiza que tengan una autonomía fiable durante toda la vida útil de las baterías. La capacidad de la batería en el autobús de 12 m es de 480 KWh (6 baterías) y en el de 18 m de 640 KWh (8 baterías). Se consigue una autonomía del vehículo de 200 km, pudiendo llegar en condiciones favorables a los 270 km. Figura 47: MAN Lion’s City Eléctrico. (MAN Truck & Bus AG ) La carga del sistema se realiza mediante un conector Combo 2 (CCS) con una capacidad de carga de hasta 150 kW. Gracias a la carga nocturna y a la carga en estación, el autobús no está ligado a ninguna estación de carga intermedia. De esta manera se obtiene la máxima autonomía gracias a un proceso de carga inteligente. Por otra parte, en cuanto a la climatización y calefacción del autobús, está equipado con un radiador de alto voltaje con potencia de calefacción de 30 KW, aunque de manera opcional también se puede incluir un radiador adicional de diésel o etanol. En cuanto al sistema de aire acondicionado se emplea una bomba de calor. 2.3.12. Scania Citywide Suburban Hybrid. Este modelo, el Scania Citywide Hybrid (Figura 48), cuenta con un chasis híbrido (Chasis LE Híbrido) y pertenece a los vehículos de clase II. Está fabricado por Scania. Se trata de un modelo de autobús con sistema de hibridación en paralelo, es decir, que el motor eléctrico en este caso va a estar colocado entre el motor de combustión y la caja de cambios, como se puede ver en la Figura 50. En cuanto al motor de combustión, se trata de un motor Scania que puede variar entre los 250 y los 320 caballos, dependiendo el modelo elegido. Respectivamente, el par que aporta dicho motor está en torno a los 1600 Nm. El motor de combustión cuenta con un sistema de SCR (reducción catalítica MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 49 selectiva) gracias al cual cumple con la normativa europea de contaminación, Euro 6. Figura 48: Scania Citywide Híbrido. (Scania, 2017) Por la parte híbrida, este Scania cuenta con una máquina eléctrica síncrona, de magnetización permanente y con alimentación trifásica que es capaz de proporcionar una potencia máxima de 130 KW (177CV) y aporta un par de 1030 Nm. El almacenamiento de energía se realiza en un módulo de baterías ubicado en el techo del vehículo. Se trata de baterías basadas en la tecnología de iones de litio. La tensión nominal de módulo es de 650 V aproximadamente, la potencia máxima de 90 KW y la capacidad de estas de 4,8 KWh. El módulo está compuesto por dos unidades de 198 celdas unidas en paralelo. La temperatura estable de las baterías está en torno a los 30ºC – 45ºC, lo que va a hacer necesario que se instale un circuito de refrigeración del módulo completo. La vida media de estas baterías va a estar en torno a los 5 – 7 años y la carga óptima para las mismas estará entre el 25% y el 50%, es decir, que se utilicen con una capacidad de aproximadamente 1,2 KWh. Como el almacenamiento de la batería se realiza en corriente continua, es necesario un inversor para transformarla en alterna. En este caso, el inversor empleado es capaz de transformar de CC a 650 V a corriente alterna (AC) trifásica de 400 V, que es la necesaria para la alimentación del motor. El inversor, está preparado para hacer la transformación contraria, es decir, de 400 V AC a 650 V CC, en el caso de la recuperación de energía mediante la frenada. El propio inversor, también va a estar refrigerado por agua y además de la función de invertir la corriente, va a ser el encargado de realizar el control y diagnóstico de la máquina eléctrica. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 50 Para evitar tener que llevar baterías de 24 V y la necesidad de un alternador acoplado al motor, Scania ha decidido dotar a este modelo de un convertidor de corriente continua, que convierte de 650 V CC a 24 V CC. La salida de la corriente puede alcanzar un máximo de 190 A. Al igual que el inversor, el convertidor también necesita un sistema de refrigeración/ calefacción para que pueda trabajar en su zona de temperaturas estables. En la Figura 49, podemos ver cómo están distribuidos todos los elementos que conforman la cadena cinemática del autobús. Figura 49: Cadena Cinemática Scania Citywide Híbrido. (Scania, 2017) El Scania Citywide Híbrido, está equipado con un sistema start-stop, que tiene una importante influencia en la disminución del ruido en ralentí. Este sistema está combinado con el Modo 0 Emisiones en Circulación (EV), que se puede activar mediante una tecla. Cuando el autobús está trabajando en el modo eléctrico (EV), necesita tener la batería cargada, 4.5 KW, que le conceden una autonomía de aproximadamente 6 kilómetros. La velocidad máxima que puede alcanzar en este momento el autobús es de 45 km/h. Una vez acabada la carga de la batería, se desactiva la tecla del modo eléctrico y las baterías comienzan a cargarse, en un tiempo medio entre 5 y 15 minutos, aunque el tiempo medio de carga de la batería completamente descargada es de 15 a 30 minutos. Al llegar a las paradas, el frenado eléctrico regenerativo, aporta una mayor suavidad en la frenada, además de disminuir las revoluciones del motor. Por MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 51 otra parte, el arranque del autobús en las paradas también se realiza en modo eléctrico. En la Figura 50 se visualiza el flujo de energía en el módulo híbrido, cuando se combina una aceleración gracias a los dos motores (térmico y eléctrico). Figura 50: Flujo de energía en el módulo híbrido. (Scania, 2017) 2.3.13. Autobús Proterra Catalyst. El Catalyst E2 max (Figura 51), se trata de un autobús 100% eléctrico de la marca estadounidense Proterra, que actualmente destaca por haber sido el primer modelo 100% eléctrico capaz de recorrer una distancia de 1770 kilómetros con una única carga. Figura 51: Autobús Proterra Catalyst E2 max. (hibridosyelectricos.com, 2017) MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 52 La ficha de características de correspondiente al modelo Catalyst E2 max se muestra en la Figura 52, y en concreto el modelo con mayores prestaciones (E2 max) es la última columna de la derecha. Figura 52: Tabla de características del Proterra Catalyst. (Proterra) El autobús, cuenta con dos motores independientes, de 190 KW cada uno. Alcanza una velocidad máxima de 65 mph (104.61 Km/h) y tiene una autonomía de 426 millas (685.58 Km), aunque como se ha citado anteriormente, este modelo ha sido capaz de alcanzar una autonomía de 1770 kilómetros. Respecto a las baterías, tienen una capacidad total de 660 KWh y para la recarga de estas, existen distintos tipos de cargadores que se pueden ver en la Figura 53. El tiempo medio de carga completa es de aproximadamente 4.5 horas. Figura 53: Carga del autobús Proterra. (Proterra) MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 53 2.4. Últimas novedades. Uno de los últimos avances en la movilidad eléctrica ha tenido lugar en Alemania, con la puesta en funcionamiento de la primera autopista eléctrica para camiones (Figura 54). Figura 54: Primera autopista eléctrica en Alemania. (El País, 2019) La instalación se ha llevado a cabo en un tramo de 10 kilómetros de la autopista A5, en la zona que transcurre al sur de la ciudad de Frankfurt. El sistema ha sido diseñado entre la Universidad de Darmstadt y Siemens. Consiste en electrificar un carril, por medio de una doble catenaria que permite a los camiones alimentarse a través de ella por medio de un pantógrafo, de manera muy similar a la alimentación de un tren. Actualmente solo pueden utilizar esta infraestructura los camiones fabricados por la marca Scania, ya que son los únicos que cuentan con esta tecnología en pruebas. En cuanto al camión, llevan un sistema de tracción híbrido, que emplea un motor diésel y un motor eléctrico. El motor eléctrico está alimentado por unas baterías, cuya recarga pretende hacerse gracias a la red electrificada que discurre por la carretera, de tal manera, que el camión al conectarse a la red apague el motor de combustión y comience a circular en modo eléctrico. Con este avance, se pretende reducir gran parte de las emisiones de CO2 que se producen por parte del sector del transporte. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 54 Además de este proyecto, anteriormente ya ha existido alguno similar en Suecia. En la Figura 55 se muestra un detalle del pantógrafo rozando en la catenaria. Como se puede observar, a diferencia de la catenaria del tren, ésta necesita ser doble, ya que el retorno de corriente no se puede realizar por tierra. Figura 55: Detalle pantógrafo. (El País, 2019) MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 55 3. Autobuses eléctricos 100%. Las nuevas generaciones de autobuses urbanos incorporan innovadoras tecnologías 100% eléctricas con cero emisiones y ofrecen una solución de movilidad urbana sostenible y eficiente, a la vez que se da respuesta a las necesidades actuales y futuras del transporte en la ciudad y los problemas asociados al tráfico y los atascos en grandes ciudades, como la contaminación. Estos vehículos están diseñados para conseguir la mayor eficiencia energética, es decir, el menor consumo y la mayor autonomía posible del vehículo. 3.1. Modelos eléctricos. En este apartado vamos a describir dos autobuses eléctricos similares que son el Irizar ie bus y el Irizar ie tram, dos vehículos 100% eléctricos, con las mejores prestaciones del mercado. Ambos autobuses están fabricados en Guipúzcoa por el grupo Irizar. La gama de modalidades disponibles incluye autobuses que van desde los 10,8m y los 12m hasta los 18m, con capacidades de hasta 155 pasajeros. La tecnología de los vehículos eléctricos permite eliminar las emisiones directas de gases de efecto invernadero (GEI) y de substancias tóxicas como NOx y partículas nocivas, durante su funcionamiento en el núcleo urbano, lo que permitirá que las ciudades puedan ser lugares más saludables y sostenibles, de forma que no sea necesario seguir haciendo restricciones de tráfico en determinados momentos. Estos autobuses, al emplear una tecnología eléctrica, permiten eliminar el ruido del motor, haciendo que el ruido sea nulo durante la parada y el arranque y cuando el vehículo esté en movimiento el único ruido existente es el producido por la rodadura del mismo. Irizar ie bus. El autobús Irizar ie bus (Figura 56), se trata de un modelo totalmente seguro, fiable, rentable, con autonomía, eficiencia y fiabilidad constatadas que ofrece, además, grandes posibilidades de adaptación a los operadores, con la garantía de un servicio integral y de mantenimiento para toda la vida útil del vehículo. Este modelo de autobús comenzó a circular por las ciudades europeas en 2014 y está disponibles en varias versiones, que van desde los 10,8 m y los 12 m hasta el modelo articulado de 18 m. Todos ellos, equipados con motorización 100% eléctrica. En el modelo de 18 m está disponible también la carga por pantógrafo, ya que es una forma útil de aprovechar la carga de oportunidad del vehículo reduciendo peso. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 56 Figura 56: Irizar ie bus de 18 m. (Irizar Group, 2018) Irizar ie tram. El Irizar ie tram (Figura 57) se trata de un autobús articulado de 18 metros, con atributos estéticos de tranvía, desarrollado sobre la idea de que el diseño participe en el atractivo de la ciudad y en el desarrollo del confort para el ciudadano. La combinación de la gran capacidad, la facilidad de acceso y la circulación interior de un tranvía y la flexibilidad de un autobús urbano, junto a la condición de cero emisiones, definen el ADN de este nuevo vehículo. Una de las características más relevantes de su diseño es el arco perimetral cromado que fluye rodeando el volumen del vehículo. Permite una identificación visual inmediata y genera una diferenciación con respecto a otros vehículos similares. Esta forma perimetral, a modo de icono, es un rasgo identificativo asociado a la marca. El frontal refleja la fluidez y la elegancia, con una gran superficie acristalada, evoca la herencia del tranvía, que junto a las ópticas full led integradas en los anillos perimetrales, confiere un conjunto de vanguardia, tecnológico y racional a la vez. Y en el diseño de la parte trasera, también se ha roto con el diseño cubista del autobús. Figura 57: Irizar ie tram. (Irizar Group, 2018) MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 57 Análisis técnico: La tecnología desarrollada y aplicada por el Grupo Irizar se sustenta en la experiencia y el vasto conocimiento de cada una de las áreas que intervienen en cada instalación y en la colaboración con los centros de investigación y desarrollo más prestigiosos de Europa. Se trata de una tecnología testada en los laboratorios y bancos de pruebas de Irizar y en el propio vehículo. Una tecnología que optimiza el flujo de energía entre los diferentes sistemas implícitos en la electrificación, como pueden ser el sistema de propulsión, el almacenamiento en baterías, el EBS Wabco y el equipamiento auxiliar. En cuanto al sistema de almacenamiento de energía, se emplean baterías de alta densidad de potencia y larga vida útil que son de litio Ion, de la familia LTO (Lithium Titanate Oxide). Irizar utiliza la tecnología SCiB™ de Toshiba, 23 Ah por célula. Las células están dispuestas en módulos que componen la batería definitiva. La tecnología LTO de Toshiba es capaz de gestionar altas intensidades de carga con una larga vida útil, superior a los 15.000 ciclos. En la Figura 58 podemos ver un detalle de las celdas que conforman la batería. Figura 58: Celdas de batería. (Toshiba) El sistema de baterías de Irizar responde a un concepto modular, diseñado para adaptarse a las necesidades de cualquier operador. Además, permite un fácil aislamiento y sustitución rápida en caso de producirse un error en uno de los módulos, sin afectar al funcionamiento del resto. La estimación de vida útil de las baterías depende en gran medida de las condiciones operativas y de consumo, en especial del kilometraje, las horas de funcionamiento, los ciclos de recarga, la ocupación del autobús y del clima. Irizar ofrece la solución optimizada para la máxima duración. Para conseguir una seguridad en su uso, la estabilización de la temperatura de las baterías se efectúa de forma independiente y su sistema de gestión está integrado en los circuitos del vehículo, por lo que nunca existe el riesgo de incendio o explosión. Además, no necesitan de un mantenimiento preventivo. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 64 Figura 63: Distribución de butacas para acceso de dos puertas Irizar ie bus 12 m. (Irizar Group, 2018) Longitud (ejes) 11.980 mm (2 ejes) Altura máxima 3.209 mm Anchura 2.550 mm Batalla 5.770 mm Voladizo del. / tras. 2.805 mm / 3.405 mm Altura interior 2.400 mm Altura del suelo 340 mm Ángulo ataque 6,5º Ángulo de salida 7º Altura en peldaño Puerta 1: 250 mm (320 mm sin arrodillamiento) Puertas 2 y 3: 270 mm (340 mm sin arrodillamiento) Low – floor Nº de pasajeros 76 Una o dos zonas de silla de ruedas Cuatro asientos para PMR MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 65 Materiales antigraffiti Puesto conductor De dos a tres puertas dobles Estructura lateral y techo de aluminio Emparrillado / suelo Acero inoxidable Rampa eléctrica para minusválidos Posibilidad de montar butacas cantilever en zona delantera Iluminación LED en interior y exterior Frontal dividido en cinco partes para un fácil y económico intercambio de pieles exteriores Lunas dobles Aislamiento acústico de techo y costados Creepage function Ayuda en la salida Hillholder function Mantiene el bus parado cuando está en cuesta unos segundos para que no se vaya hacia atrás. Compatibilidad electromagnética reglamento R10 EcoAssist Ayuda a la conducción eficiente Eco-mode Gestión inteligente del clima una vez apagado el vehículo Cumplimiento de resistencia ante el fuego reglamento 118R MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 66 Anchura puerta (Puerta I): 1.100 mm (Puerta II): 1.200 mm (Puerta III): 1.050 mm Diámetro de giro 20.870 mm Peso máximo en eje delantero 7.500 Kg Peso máximo en eje trasero 12.600 Kg Propulsión Fabricante: Siemens Tipo: Sincrono Potencia nominal: 180 kW Par nominal: 1.500 Nm Capacidad de tracción incluso con pendientes máximas de un 18% Sistema de almacenamiento de energía Especificación baterías: Tecnología Litio Ion Voltaje nominal: 700 V Capacidad total: 300-450 kWh en función de las necesidades del cliente Carga: Enchufe (Combo standard 2): 125 - 200 A Tiempo de carga: 4 - 5h Gestión de almacenamiento energético a medida Sistema de climatización Conductor - Sistema de climatización Hispacold Cero Emisiones (frío: 3,5 kW, calor: 13 kW) Pasajeros - Sistema de climatización Hispacold Cero Emisiones (frío: 28 kW, calor: 32 kW) Tabla 3: Datos técnicos Irizar ie bus 12m. (Irizar Group, 2018) MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 67 ❖ Irizar ie bus / ie tram 18 m: Figura 64: Distribución de butacas Irizar ie bus 18 m. (Irizar Group, 2018) Figura 65: Distribución de butacas Irizar ie tram 18 m. (Irizar Group, 2018) MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 68 Longitud (ejes) 18.730 mm (3 ejes) Altura máxima 3.400 mm Anchura 2.550 mm Batalla 1 5.980 mm Batalla 2 6.540 mm Voladizo del. / tras. 2.805 mm / 3.405 mm Altura interior 2.400 mm Altura del suelo 350 mm Ángulo ataque 7,5º Ángulo de salida 7,5º Altura en peldaño Puerta 1, 2, 3: 250 mm (320 mm sin arrodillamiento) Puertas 4, 5: 270 mm (340 mm sin arrodillamiento) Low – floor Nº de pasajeros 155 Hasta 3 zonas de silla de ruedas / cochecito Cuatro asientos para PMR Materiales antigraffiti Zona conductor según VDV y EBSF Hasta 8 puertas disponibles (simples o dobles) Estructura lateral y techo de aluminio Emparrillado / suelo Acero inoxidable MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 69 Rampa eléctrica para minusválidos Posibilidad de montar butacas cantilever en zona delantera y después de la articulación Iluminación LED en interior y exterior Frontal dividido en cinco partes para un fácil y económico intercambio de pieles exteriores Lunas simples Aislamiento acústico de techo y costados Creepage function Ayuda en la salida Hillholder function Mantiene el bus parado cuando está en cuesta unos segundos para que no se vaya hacia atrás. Compatibilidad electromagnética reglamento R10 EcoAssist Ayuda a la conducción eficiente Eco-mode Gestión inteligente del clima una vez apagado el vehículo Cumplimiento de resistencia ante el fuego reglamento 118R Anchura puertas ie bus Puertas 1, 5: 1.100 mm Puertas 2, 3, 4: 1.200 mm Anchura puertas ie tram Puerta 1: 800 mm Puertas 2, 3, 4: 1.200 mm Puerta 5: 1.100 mm Diámetro de giro 23.700 mm Peso máximo en eje delantero 7.500 Kg MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 70 Peso máximo en eje 2 10.500 Kg Peso máximo en eje 3 13.000 Kg Propulsión Fabricante: Alconza, Irizar Group Tipo: Sincrono Potencia nominal: 235 kW Par nominal: 2.300 Nm Capacidad de tracción incluso con pendientes máximas de un 18% Sistema de almacenamiento de energía Especificación baterías: Tecnología Litio Ion Voltaje nominal: 600 V / 650 V Capacidad total: 90-150 kWh en función de las necesidades del cliente Carga: Enchufe (Combo standard 2): 125 - 200 A Tiempo de carga: 4 - 5h Gestión de almacenamiento energético a medida Carga rápida por pantógrafo: Tiempo de carga: 5 min aprox. Potencia máxima de carga 500 KW Gestión de almacenamiento energético a medida Sistema de climatización Conductor - Sistema de climatización Hispacold Cero Emisiones (frío: 3,5 kW, calor: 13 kW) Pasajeros - Sistema de climatización Hispacold Cero Emisiones (frío: 49 kW, calor: 55 kW) Tabla 4: Datos técnicos Irizar ie bus / ie tram 18 m. (Irizar Group, 2018) La información, las tablas y las figuras que aparecen en este capítulo están citadas a partir del catálogo Irizar e-mobility (Irizar Group, 2018). MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 71 3.2. Baterías. En la actualidad, existen diferentes tecnologías de almacenamiento de energía que cada vez pretenden mejorar sus prestaciones. A continuación, se van a detallar los principales tipos de batería que se comercializan actualmente. Plomo – ácido. Este tipo de batería que todavía continúa estando en uso para muchas aplicaciones apareció en 1859 y es una de las tecnologías más antiguas. Contienen plomo en el electrodo positivo, óxido de plomo en el electrodo negativo y emplean ácido sulfúrico como electrolito. Se consigue una diferencia de potencial de 2 V de media por cada celda. Finalmente se suelen agrupar las celdas en serie formando baterías de 6 V o 12 V, o incluso alcanzar cualquier tensión que sea múltiplo de dos. Actualmente se emplean en los vehículos para el arranque del motor eléctrico y se recargan por medio del alternador del propio coche. Como ventajas de este tipo de baterías tenemos su bajo coste, que es una tecnología madura, aunque todavía mejorable, el poco efecto memoria, su reciclaje, porque, aunque el plomo es un material muy contaminante se puede llegar a reciclar hasta prácticamente el 100% y que se consigue un voltaje medio en cada celda de 2 V. Como inconvenientes están su alto peso, debido a la baja densidad de energía que tienen, la baja durabilidad de este tipo de baterías, el elevado grado de autodescarga y que la eficiencia es inferior al 100% ya que no se llega a utilizar toda la materia activa de las células. Debido a que existen tecnologías con mejores características, actualmente no se suelen emplear en vehículos eléctricos, aunque algún fabricante aún las utiliza debido a su bajo coste y fácil manipulación. Níquel – Cadmio (Ni - Cd). Las baterías de níquel-cadmio, también son una tecnología bastante probada. Una de las características de este tipo de baterías es la larga vida útil que tienen, ya que pueden llegar a completar entre 1000 y 1500 ciclos de carga. Las principales ventajas que ofrece esta tecnología es la gran madurez que tiene, la densidad de energía y de potencia que es superior a la de plomo ácido, la buena durabilidad y la mejor eficiencia de esta. Como aspectos negativos, el coste es superior a las de plomo ácido, tienen un voltaje por celda muy bajo, de en torno a 1,2 V, también existe una amplia dependencia de la temperatura ambiente, un notable efecto memoria, la alta autodescarga que sufren y, sobre todo, la alta peligrosidad que tiene para el MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 72 medio ambiente el uso de Cadmio. Este último inconveniente es el que las ha llevado a desaparecer, llevando a innovar hacia baterías libres de cadmio, como es el caso de las de níquel - hidruro metálico. En su día fueron empleadas para los vehículos eléctricos, pero actualmente han sido sustituidas por las de níquel - hidruro metálico. Níquel – Hidruro Metálico (Ni - MH). Las baterías de níquel - hidruro metálico son las sucesoras de las de níquel – cadmio. Para evitar la peligrosidad de sus predecesoras, se sustituyó el cadmio contaminante por una aleación metálica capaz de formar hidruros. Entre las ventajas que nos ofrece esta tecnología, tenemos que la densidad de energía es superior que en el caso de níquel – cadmio, que es una tecnología bastante testada, no necesita mantenimiento y, además tienen menor efecto memoria. Pero como inconvenientes vemos que tienen una alta autodescarga, que el coste es más elevado aún que en el caso de níquel cadmio, el voltaje por celda sigue siendo bajo, en torno a 1,2 V, tienen baja durabilidad y la potencia específica es inferior que en la de Ni – Cd. Su principal utilidad ha sido para los coches eléctricos, aunque de un modo temporal, hasta que apareciera una solución que ofreciera mejores prestaciones. Se han implementado en algunos vehículos híbridos o eléctricos, pero consiguen una baja autonomía aun empleando un pack de baterías pesado. Ion – Litio (Li - ion). Es la tecnología más usada actualmente, pues las ventajas que ofrece esta tecnología son bastante superiores a las que ofrecen las demás. En el proceso de construcción de las células existen diferentes versiones, siendo las más comunes las cilíndricas y laminares. El ánodo suele ser de grafito, mientras que el cátodo es de óxido de cobalto, aunque actualmente se emplean otros materiales como óxidos mixtos de cobalto y otros elementos de transición, como el fosfato de litio y hierro u óxido de litio y manganeso, para tratar de evitar la toxicidad que tiene el cobalto. Por otra parte, el electrolito está compuesto de una mezcla de disolventes orgánicos en los que se encuentra disuelta una sal de litio. Las ventajas que nos ofrecen son amplias a pesar de ser una tecnología nueva y poco contrastada. Destacan por el elevado voltaje por celda, que está en torno a los 3,7 V, el bajo peso que tienen, debido a la alta densidad de energía, la elevada eficiencia, una alta durabilidad, la inexistencia del efecto memoria y MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 73 una tasa de autodescarga muy baja. Son las baterías que más carga almacenan, pero tienen que incorporar un circuito electrónico de gestión de la batería para evitar que las celdas se carguen por encima de lo recomendable. El principal problema es la sensibilidad que tienen a las temperaturas extremas, ya que provoca que disminuya su capacidad. Por ello, es recomendable que se coloque un sistema de refrigeración de la batería. Otros inconvenientes son el alto coste, la posibilidad de cortocircuitos con riesgo de explosión, que provocan problemas de seguridad y que la potencia específica es inferior a la de las baterías de níquel – cadmio. Actualmente se están empezando a utilizar en automoción eléctrica, aunque debido al elevado coste que tienen, hace que los usuarios tengan miedo económico de tener que sustituirlas, lo que ha llevado a los fabricantes a ofrecer programas de mantenimiento y garantía. Zinc – Aire. Las baterías de zinc también son otra alternativa viable. Contienen zinc en el electrodo negativo y un material poroso con un catalizador capaz de reducir el oxígeno del aire en el electrodo positivo. Una de las características de esta tecnología es que no se pueden recargar eléctricamente, únicamente cambiando mecánicamente los electrodos. Las ventajas que se ofrecen son el bajo coste, la madurez de este tipo de tecnología, el bajo peso debido a la alta densidad de energía que posee y lo poco peligrosas que son para el medio ambiente. Como inconveniente, tenemos que el voltaje por celda es bajo, de aproximadamente 1,2 V y que no son recargables como se ha comentado anteriormente. Actualmente, a pesar del potencial que tiene esta tecnología no es una alternativa viable. También se están realizando investigaciones para tratar de utilizar ánodos de litio en lugar de zinc, con lo que se aumentaría aún más la densidad de energía y se podría llevar a cabo una recarga electroquímica. Baterías ZEBRA. Las baterías ZEBRA están compuestas de sodio metálico en el electrodo negativo y cloruro de níquel en el positivo y, además, emplean cloroaluminato de sodio fundido y una membrana de betalúmina cerámica como electrolito. Las ventajas son un elevado voltaje por celda, de aproximadamente 2,6 V, que es una tecnología contrastada, el bajo peso, debido a la densidad de energía y de potencia elevadas que poseen, la baja autodescarga y la elevada durabilidad que tienen, en torno a 10 años. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 80 o Pantógrafo en cocheras: También se ofrece la posibilidad de automatización completa de la carga lenta en cocheras a través de la puesta en funcionamiento de estructuras con bóvedas de contacto instaladas por encima de los espacios de estacionamiento, remplazando la solución de toma de corriente que necesita de una conexión manual por parte de un operador. La automatización del contacto entre la bóveda y el pantógrafo del autobús estacionado permite la carga instantánea. Esta solución alternativa reduce la presencia de cables en el suelo y mejora, así, la seguridad de los operarios. Además, el sistema Smart Charging integra un sistema de telediagnóstico para monitorizar a distancia todos los sistemas y anticipar las posibles necesidades preventivas. En la Figura 66 están las características técnicas de los cargadores por pantógrafo. Figura 66: Características del cargador por pantógrafo. (Irizar Group, 2018) o Carga en cocheras: Es el sistema más sencillo y tradicional forma de carga, en la que el operario conecta el cargador con una manguera tipo 2 al autobús. Está disponible tanto para exterior como interior. El sistema de cargador tipo 2 es en el que el vehículo se conecta a la red principal de AC trifásica y protección a tierra. Este tipo de cargadores incluyen un complemento que proporciona el fabricante del vehículo, formado por una caja de control externa que realiza la función de control piloto, indicando la correcta conexión y protección a tierra del vehículo. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 81 En la Figura 67 se detallan las características técnicas de los cargadores modulares disponibles. Figura 67: Características técnicas de los cargadores modulares. (Irizar Group, 2018) El sistema de carga inteligente que incorporan los autobuses Irizar se trata de un centro de control que gestiona eficientemente todas las condiciones/ restricciones de carga en la cochera. Identifica las diferentes necesidades de carga que tiene cada autobús para así optimizar la potencia total requerida. Centraliza y registra todos los datos de los cargadores y buses conectados; visualiza el parque de vehículos y sus estados de carga; minimiza la potencia eléctrica de la red, dividiendo la potencia disponible entre los diferentes vehículos; limita la potencia de carga a la potencia máxima contratada por el cliente, configura los diferentes horarios de tarifa eléctrica para priorizar las cargas con un presupuesto menos caro; centraliza la información del sistema de telediagnóstico; vigila el procedimiento de carga de todos los vehículos conectados. Por otro lado, Datik, otra empresa del grupo ha creado el sistema Datik Autodock, una ayuda al conductor en las maniobras de aproximación, en las paradas y en las salidas de las mismas. Es un sistema capaz de tomar el control de la dirección y los pedales y de guiar el vehículo hasta hacerlo parar, efectuando una maniobra de aproximación precisa, segura y muy eficiente. Datik Autodock puede ser desconectado en cualquier momento de la maniobra de aproximación. Además, la cámara interior detecta el grado de atención del conductor y en caso de distracción o de ausencia, puede abortar la maniobra de aproximación finalizando la tarea de DA. Datik Autodock contribuye, también, a la optimización del rendimiento, considerando que los intervalos de frenada y de arranque presentan la mayor variabilidad de consumo según los conductores y que el estilo de conducción MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 82 de cada uno de ellos, su nivel de estrés o la prisa por terminar el servicio puede provocar un aumento del consumo en las paradas. Mejora, además, los niveles de seguridad y confort y aquellos relacionados con la puntualidad. 4 Figura 68: Irirzar ie tram conectado al pantógrafo. (Irizar Group, 2018) 4 La información acerca de los tipos de cargadores ha sido extraída del catálogo de Irizar emobility (Irizar Group, 2018). MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 83 4. Simulación del autobús 100% eléctrico. Para este apartado, se ha elegido para simular su autonomía, la aceleración en las salidas y las curvas del motor, el modelo Irizar ie bus 12m. Para poder realizar las simulaciones, necesitamos unos datos técnicos del vehículo: • Motor: Síncrono Potencia nominal: 180 KW Par nominal: 1500 Nm • Carrocería: Anchura: 2.550 mm Altura máxima: 3.209 mm Altura del suelo: 340 mm Coeficiente de resistencia aerodinámica (Cd): Coeficiente de resistencia a la rodadura (μrr): 0.008 • Chasis: Radio de las ruedas: 45 cm Relación de transmisión (G): 7 Tara del autobús: 14000 Kg Masa máxima autorizada: 20100 Kg • Sistema de almacenamiento de energía: Tecnología Ion – litio Voltaje nominal: 700 V Capacidad total: 450 KWh • Sistema de climatización: Conductor – Sistema Hispacold Cero emisiones (frío: 3.5 KW, calor: 13 KW) Pasajeros – Sistema Hispacold Cero emisiones (frío: 28 KW, calor: 32 KW) 4.1. Baterías del autobús. Para realizar la simulación del autobús, primero es necesario conocer la curva de descarga de la batería. En el caso de las de plomo ácido y las de níquel cadmio, al ser tecnologías bastante probadas, se puede encontrar fácilmente el modelado de estas, pero nuestro autobús, el Irizar ie bus 12 m, como podemos ver en su catálogo emplea baterías de la tecnología de Ion – Litio. Para modelar la batería, necesitamos conocer la curva que relaciona la tensión de vacío en bornes de la batería con la tasa de descarga. Como esta curva solamente se puede obtener de manera experimental y no existía la posibilidad de realizar un ensayo con las baterías reales, suponiendo que el MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 84 comportamiento de todas las baterías de esta tecnología es similar, se procedió a realizar un experimento práctico con la batería de un ordenador portátil. La batería utilizada es la que se ve en la Figura 69, cuyas características son: Li – ion 10.8 V – 4400 mAh 48 Wh Figura 69: Batería de Ion – Litio utilizada para los ensayos. (Elaboración propia) El ensayo realizado consiste en cargar la batería al 100%, dejarla sin utilizar al menos 5 minutos una vez desconectado el cargador, para que ésta estabilizara su tensión. Una vez hecho esto, se mide con un polímetro (como se ve en la Figura 70) la tensión que hay en los bornes de la batería, se enciende el ordenador portátil y se le deja únicamente con la pantalla encendida, es decir, sin utilizar nada en él, por lo que se supone que la corriente de descarga de la batería siempre va a ser la misma. El propio ordenador va indicando el porcentaje de batería que le queda y así, cada vez que disminuye un 5%, podemos tomar una lectura de la tensión, sabiendo exactamente la tasa de descarga. El proceso consiste en conectar el cargador para evitar que al extraer la batería se apague el ordenador, extraer rápidamente la batería y realizar la lectura de la tensión. Una vez que la batería llega al 6%, el ordenador se apaga automáticamente, así que no podemos conocer cómo se comporta ésta en el último tramo de descarga, pero tampoco es de especial relevancia, dado que en el uso del autobús no se va a permitir que se llegue a una descarga tan profunda debido al riesgo de que se estropee la batería. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 85 Figura 70: Toma de datos de la batería. (Elaboración propia) Para asegurarnos que los resultados del ensayo son reales, repetimos el ensayo cinco veces y tomamos valores medios. En la Figura 71, se muestran los resultados obtenidos de cada uno de los cinco ensayos y los asteriscos representan los valores medios de los resultados obtenidos en los ensayos 2, 3, 4 y 5. Se ha decidido desechar los datos del primer ensayo porque son algo diferentes del resto debido al procedimiento empleado para hacer el estudio. La tasa de descarga representa el porcentaje de descarga que tiene la batería en cada momento, estando la batería cargada completamente al 0% y descargada completamente al 100%. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 86 Figura 71: Resultados del ensayo de la batería de Ion – Litio. (Elaboración propia) Una vez obtenidos los resultados del ensayo, por medio de Matlab, utilizando la función “polyfit()”, somos capaces de obtener la función que aproxima a los puntos obtenidos. Probamos primero con un polinomio de grado uno, luego con uno de grado dos y finalmente el que mejor aproxima es el de grado tres, como se ve en la Figura 72. Figura 72: Polinomio aproximador de la caída de tensión de la batería. (Elaboración propia) En los resultados de la Figura 72, la tensión referida ya es a la de una única celda, no como en el caso de la Figura 71 que es la tensión nominal de la batería de 10,8 V. Si dividimos 10,8 V entre 3, el resultado es 3,6 V, lo que indica que la batería elegida para el ensayo estaba compuesta por tres celdas de 3,6 V unidas en serie. Por tanto, la función obtenida caracteriza la descarga de una celda de 3,6 V de Ion – Litio. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 87 Con la función obtenida podemos hacer simulaciones de distintos tipos de descarga de la batería. En la Figura 73 se hace una descarga a una potencia constante de 5 KW de una batería de Ion – Litio de tensión nominal 216 V y capacidad nominal de 50 Ah. Figura 73: Descarga a potencia constante de una batería de Ion – Litio. (Elaboración propia) El resultado que se obtiene podemos ver que se adapta a lo esperado ya que, al disminuir el porcentaje de batería, la tensión va cayendo también (Gráfica 1) y al ir transcurriendo el tiempo es cuando la batería se va descargando (Gráfica 3). Al ser la descarga a potencia constante, y la potencia es: P = V * I, cuando la tensión comienza a disminuir, la corriente que sale de la batería tiene que ir aumentando para mantener la potencia de descarga constante (Gráfica 2). Otra posibilidad de simulación es la descarga de la batería a una corriente constante, que es la representada en la Figura 74. En este caso, la batería que se emplea es de Ion – Litio, con tensión nominal de 18 V y capacidad nominal 50 Ah. La corriente de descarga para este caso va a ser de 30 A, de 50 A, y de 70 A, por lo que se puede ver la respuesta de la carga suministrada por la batería en cada uno de los tres casos. Cuanto mayor es la corriente de descarga, menor será la carga en Ah de la batería. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 88 Figura 74: Descarga de la batería de Ion – Litio a corriente constante. (Elaboración propia) 4.2. Ciclos de conducción. Un ciclo de conducción es la representación de la gráfica velocidad tiempo a la que se somete un vehículo. Existen diferentes tipos de ciclos, según sea el modo de utilización que se pretenda simular, de esta manera, hay ciclos que se centran más en la conducción urbana, es decir, tienen más aceleraciones y frenadas cómo sucede al conducir por la ciudad, mientras que otros ciclos están creados para simular una conducción por carretera y por tanto una vez que alcanzan la velocidad máxima permitida las variaciones de esta son pequeñas. También existen combinaciones de ambos tipos de ciclos, urbanos y extraurbanos. Para nuestra simulación, hemos seleccionado seis ciclos, tres que son urbanos y otros tres que combinan partes urbanas y partes por carretera. Aunque nuestro autobús va a circular siempre por una ciudad haciendo una ruta de transporte urbano, debido a la facilidad que nos permite el programa creado de cambiar un ciclo por otro, aprovechamos para ver el comportamiento que tiene en una conducción por carretera. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 89 • Ciclo SFUDS: Este ciclo es una adaptación para la conducción urbana del ciclo “The Federal Urban Driving Schedule”, ciclo empleado en Estados Unidos por la Agencia de Protección Medioambiental para medir las emisiones de los vehículos. Figura 75: Ciclo SFUDS. (Elaboración propia) • Ciclo ECE 15: El ECE 15 es un ciclo de conducción empleado por la Unión Europea para la simulación de la conducción urbana. Figura 76: Ciclo ECE 15. (Elaboración propia) MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 96 Figura 84: Autonomía del Irizar ie bus 12m (Elaboración propia) Al analizar los resultados obtenidos, vemos que las dos líneas de puntos que están más hacia la izquierda (verde y cian) son las que corresponden a los ciclos Artemis urbano y ECE 15, es decir, a los ciclos de conducción urbana. Las líneas de puntos roja, amarilla y azul, en la parte central del gráfico, son las correspondientes a los ciclos WLTP, NEDC y SFUDS, que son ciclos que principalmente combinan conducción urbana y extraurbana. Por último, la línea de puntos que está más a la derecha es la del ciclo EUDC, el que representa la conducción extraurbana únicamente. Los resultados obtenidos, son los esperados, ya que es normal que en una conducción urbana el consumo es mucho mayor que en la extraurbana, es decir, la autonomía de la batería del autobús para un modo de circulación urbana disminuye al estar continuamente arrancando y parando en las paradas. Para el ciclo Artemis urbano la autonomía ha sido de 54 km, en el caso del ciclo ECE 15 de 114 km y en el del SFUDS de 178 km. Como el ciclo Artemis tiene más paradas y arranques rápidos es el motivo por el que la autonomía del vehículo ha disminuido más. Si vemos el resultado del ciclo EUDC (cerca de 243 km) es el que mayor autonomía le ha dado al autobús debido a que estaría continuamente circulando por una carretera a una velocidad casi constante. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 97 Sin embargo, tanto el ciclo NEDC como el WLTP, que son ciclos de conducción que combinan tanto espacios urbanos y como extraurbanos, han dado como autonomía 176 km y 162 km respectivamente. En la siguiente simulación, Figura 85, se utiliza únicamente el ciclo SFUDS y el propósito de la prueba es ir variando la potencia de accesorios, es decir, la potencia eléctrica que tiene el autobús conectada y ver como esto afecta a la autonomía del vehículo. Para esta simulación la masa del vehículo seguimos fijándola en 18000 kg. Figura 85: Autonomía del Irizar ie bus variando la potencia de accesorios. (Elaboración propia) Analizando los resultados, vemos que la potencia de accesorios que tiene el autobús es uno de los factores más condicionantes de la autonomía del mismo. Para la P acc de 60000 W la autonomía es de 87 km, para P acc de 30000 W la autonomía es de 143 km y para P acc de 10000 W la autonomía es de 230 km. Conociendo los resultados obtenidos, una buena solución puede ser aplicar medidas de ahorro, como evitar consumos innecesarios, no abusar de la calefacción o del aire acondicionado, porque en una ruta de autobús urbano tampoco es mucha la pérdida por reducir a la mitad la climatización, teniendo en cuenta todos los beneficios que se obtienen con el empleo de autobuses 100% eléctrico. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 98 En el catálogo con los datos del Irizar ie bus 12 m se indica que el sistema de climatización está separado el del conductor y el de los pasajeros. Los datos de potencia utilizada en climatización son de: Conductor – Sistema Hispacold Cero emisiones (frío: 3,5 KW, calor: 13 KW) Pasajeros – Sistema Hispacold Cero emisiones (frío: 28 KW, calor: 32 KW) Por tanto, el aire acondicionado tanto del conductor como de los pasajeros supone una potencia de 3,5 + 28 = 31,5 KW y la calefacción de ambas zonas será de 13 + 32 = 45 KW. De esta manera probaremos la autonomía del autobús (Figura 86) para el caso de aire acondicionado al 100% (31,5 KW), calefacción al 100% (45 KW), aire acondicionado al 50% (15,75 KW) y calefacción al 50% (22,5 KW). Figura 86: Autonomía del Irizar ie bus variando el consumo de la climatización. (Elaboración propia) Los resultados de esta simulación refuerzan la recomendación que habíamos hecho en la conclusión de la simulación anterior, es decir, que al reducir tanto la calefacción como el aire acondicionado a la mitad de potencia, la autonomía del autobús ha aumentado casi en 60 km para cada uno de los dos casos. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 99 En el programa implementado en Matlab, también se ha incluido la posibilidad de cambiar el tipo de batería, es decir, además de las celdas de Ion – Litio que se han utilizado en estas simulaciones anteriores, probar qué sucedería en el caso de emplear celdas de plomo – ácido o de níquel – cadmio. En la Figura 87 se muestra el resultado de este cambio. Como masa del vehículo mantenemos los 18000 kg, ciclo de conducción SFUDS y potencia de accesorios 25 KW. Figura 87: Autonomía del Irizar ie bus variando el tipo de batería. (Elaboración propia) La variación de la autonomía según el tipo de batería se debe principalmente a que la tensión de cada celda es diferente, por ejemplo, para las de Ion - litio la tensión es de 3,6 V, mientras que para las de Plomo – ácido es de 2 V o en el caso de las de Ni – Cd es de tan solo 1,2 V. Por tanto, la tensión final de pack de baterías es distinta, aunque el número de celdas sea el mismo en los tres casos. Si queremos que la tensión vuelva a ser la misma, necesitaríamos añadir más celdas en serie, que ocuparían más espacio y supondrían más peso para el autobús. Para nuestro caso, la batería de Ion – Litio es la que mejor funciona en el autobús ya que le libera de un peso que le haría disminuir su autonomía. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 100 Al igual que la potencia de accesorios que tiene el autobús, otra variable que afecta a la autonomía es la masa total, es decir, cuanto más cargado esté, menor será la autonomía. En este ensayo (Figura 88), la potencia de accesorios conectada será de 40 KW y se mantendrá constante, mientras que la masa del autobús va a variar entre la tara, cuando está completamente vacío, un peso intermedio entre la tara y la MMA y finalmente cuando el peso del autobús esté en la Masa Máxima Autorizada (MMA). Figura 88: Autonomía del Irizar ie bus variando el peso del autobús. (Elaboración propia) En el caso más favorable, cuando el peso es de 14000 kg, la autonomía de nuestro autobús se queda en 136 km, con una masa de 17050 kg la autonomía baja a 122 km y si el vehículo está con la Masa Máxima Autorizada, entonces su autonomía es de 110 km. Analizando el resultado, vemos que el peso también es un factor importante porque al aumentar la masa del autobús, la autonomía ha bajado cerca de 26 km. No obstante, la mayor pérdida de autonomía del vehículo es debido a la potencia de accesorios conectados como vimos en las Figuras 85 y 86. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 101 En el ensayo de la Figura 89, se ha pretendido mostrar la mejor y la peor situación en las que se puede encontrar el autobús, es decir, el supuesto de la peor situación se da cuando la masa sea la Masa Máxima Autorizada y la calefacción esté puesta (P accesorios = 45 KW) y la mejor situación cuando la masa sea únicamente la de la tara del autobús (sin pasajeros), con la climatización completamente desconectada (P accesorios = 2KW). Figura 89: Autonomía del Irizar ie bus variando el peso y la potencia de accesorios del autobús. (Elaboración propia) Analizando los resultados, vemos que en el primer caso (situación más desfavorable) se puede tratar de un día de invierno, pero en el caso de la situación más favorable es un supuesto algo lejano de la realidad de este tipo de autobuses ya que, al ser una ruta urbana por la ciudad, siempre va a estar montando y bajando gente y el vehículo no circulará en vacío. En cuanto a la autonomía, el Irizar ie bus 12m tiene un buen alcance, es decir, es una alternativa útil a los autobuses que actualmente operan en las ciudades. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 102 Pero además de la gráfica de la autonomía del autobús que relaciona la tasa de descarga de la batería con la distancia recorrida, el programa es capaz de mostrarnos más parámetros internos del motor, como la curva de potencia del motor / tiempo (Figura 90), aceleración / tiempo (Figura 91), eficiencia del motor / tiempo (Figura 92), tensión de la batería / tiempo (Figura 93) e intensidad / tiempo (Figura 94). En este último ensayo, hemos empleado como ciclo de conducción el Ciclo SFUDS, como masa del vehículo 18000 kg y como potencia de accesorios se ha supuesto 25 KW. En las figuras de los ensayos, en el eje derecho, se ha representado la gráfica velocidad / tiempo (Ciclo SFUDS) para poder comparar la variación de la velocidad con el parámetro que se analiza en el eje izquierdo y obtener de forma más clara conclusiones acerca de lo sucedido. • Curva de potencia del motor / tiempo: Figura 90: Curva P motor / Tiempo. (Elaboración propia) En este caso, podemos ver como cuando el autobús está acelerando, la potencia es positiva, es decir, que sale de la batería hacia el motor, pero en el caso de las frenadas se ve muy claramente cómo actúa el frenado regenerativo recuperando energía. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 103 • Curva de aceleración / tiempo: Figura 91: Curva Aceleración / Tiempo. (Elaboración propia) Con esta curva podemos contrastar la aceleración que tiene el autobús en cada momento el autobús y con la ayuda de la gráfica velocidad / tiempo ver cuando éste comienza a frenar o acelerar. • Curva de eficiencia del motor / tiempo: Figura 92: Curva Eficiencia del motor / Tiempo. (Elaboración propia) Este gráfico permite ver cómo varía la eficiencia del motor a lo largo del ciclo. Cuando el motor comienza a adquirir velocidad, su eficiencia mejora, acercándose al 90%. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 104 • Curva de tensión de la batería / tiempo: Figura 93: Curva Tensión de la batería / Tiempo. (Elaboración propia) En este caso, no se ve mucho la gráfica, pero a pesar de parecer una línea recta, en realidad la gráfica es igual que la que aparece en la Figura 73. La tensión del conjunto de baterías va disminuyendo a medida que la carga de la misma se va gastando. • Curva de intensidad / tiempo: Figura 94: Curva Intensidad / Tiempo. (Elaboración propia) Con esta representación podemos ver cómo varía la intensidad del motor dependiendo de las aceleraciones que realiza el autobús a lo largo del ciclo. Como se puede ver, con el programa elaborado es posible conocer multitud de parámetros útiles a la hora de estudiar el comportamiento del autobús. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 105 5. Conclusiones obtenidas y trabajos relacionados. 5.1. Conclusiones. Una vez realizado este trabajo, las conclusiones a las que podemos llegar son: ▪ A lo largo de la historia los autobuses eléctricos o híbridos han aparecido varias veces, aunque en cada etapa con propósitos diferentes. Aparecieron en los primeros años del siglo XX con el fin de mejorar las transmisiones mecánicas, pero al mejorar estas, los autobuses eléctricos cayeron en el olvido, hasta que en los años 90 se comienzan a retomar proyectos para la hibridación de autobuses, pero esta vez, ya con el fin de construir vehículos que sean sostenibles con el medio ambiente. ▪ A pesar de la mejora de las tecnologías de las baterías, si hay una barrera que aún no se ha conseguido vencer es la de conseguir una buena autonomía con unas baterías que tengan menor peso y ocupen menos espacio. Como se ve en el apartado “2.1. Orígenes”, este problema le ocurrió en el autobús de Emilio de la Cuadra y al camión Pegaso 100% eléctrico y también les ocurre a los autobuses actuales, de ahí que algunas compañías han decidido apostar por el concepto de carga de oportunidad para así reducir el tamaño de la batería. ▪ Otra conclusión a la que se puede llegar es que los autobuses eléctricos tal y como están diseñados hoy en día solamente sirven para utilizarles en rutas urbanas. Actualmente no existen alternativas eléctricas para el transporte de viajeros por carretera a media y larga distancia. Únicamente existe una solución a medio plazo para reducir la contaminación, que es sustituir los autobuses con motor diésel por autobuses con modernos motores de gas. ▪ En cuanto al autobús eléctrico simulado, hemos podido ver cómo responde la autonomía en los distintos tipos de ciclos, cómo afectan los sistemas de climatización eléctricos y la masa total del vehículo. También se ha podido analizar los parámetros internos del motor y las baterías, tales como la velocidad, la aceleración, la potencia, la tensión o la intensidad. Parámetros que en definitiva nos ayudan a comprender mejor cómo funciona el autobús. MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 112 MOVILIDAD ELÉCTRICA EN EL TRANSPORTE DE VIAJEROS 113 Bibliografía Alonso Ripoll, Franciso Javier. 2018. Apuntes Sistemas de Transporte de Tracción Eléctrica. [En línea] 2018. [Citado el: 20 de Febrero de 2019.] https://campusvirtual.uva.es/. blog.directseguros.es. 2019. Las pegatinas de la DGT: todo lo que debes conocer sobre las etiquetas ecológicas: blog.directseguros.es. [En línea] 9 de Abril de 2019. [Citado el: 28 de Abril de 2019.] https://blog.directseguros.es/coches_y_personas/pegatinas-dgt-debesconocer-las-etiquetas-ecologicas/. Castrosua. 2018. Magnus H: Castrosua. [En línea] Septiembre de 2018. 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