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C CU UR RS SO O A AC CA AD DÉ ÉM MI IC CO O 2 20 01 10 0- -2 20 01 11 1 T TI IT TU UL LA AC CI IÓ ÓN N: : M MA AS ST TE ER R S SI IS ST TE EM MA AS S M ME EC CÁ ÁN NI IC CO OS S P PR RO OG GR RA AM MA A O OF FI IC CI IA AL L P PO OS SG GR RA AD DO O: : I IN NG GE EN NI IE ER RI IA A M ME EC CÁ ÁN NI IC CA A Y Y D DE E M MA AT TE ER RI IA AL LE ES S Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. TRABAJO FIN DE MÁSTER Autor: Alfonso Montañés Solana Dirigido por: Mario Maza Frechín Zaragoza, noviembre 2011 Dedicado a mi madre María Pilar, mi padre Alfonso, a mis hermanos Borja y María Eugenia, y al amor de mi vida Jana. También quiero dedicarles un agradecimiento especial a mi director Mario Maza Frechín, por su ayuda en la elaboración de este trabajo, y a mis amigos por estar siempre ahí. MEMORIA 15 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. 1. Introducción. 1.1. Objeto y alcance del trabajo. El objetivo de este trabajo fin de máster es realizar un estudio sobre el vehículo eléctrico y una pequeña instalación de mini eólica, para comprobar la posible viabilidad de la instalación de pequeños aerogeneradores en viviendas, con el fin de suplir parte del consumo eléctrico de vivienda producido por el vehículo eléctrico. El estudio se hace desde la perspectiva energética actual, donde la dependencia del petróleo empieza a ser un problema, y también con la vista puesta en el futuro, donde este tipo de vehículos, se supone, serán los que predominen en el parque automovilístico español. Aunque a lo largo de esta memoria se realizaran pequeños estudios, los dos grandes puntos del trabajo son los siguientes: - Los vehículos y sus consumos. - La instalación de mini eólica y su producción eléctrica. El vehículo del estudio se supondrá como un vehículo con un motor de propulsión eléctrica y las baterías que le acompañan. En esta descripción entran vehículos eléctricos puros, híbridos enchufables y eléctricos de rango extendido, pero el estudio solo se centrará en la parte que genere movimiento a partir del motor eléctrico. Se estimarán sus parámetros, se estudiarán sus componentes (motor, posible transmisión, baterías…), y se realizará un cálculo estimativo de consumo. 1.2. Marco actual y motivación del trabajo. Actualmente el petróleo es una de las materias primas más importantes, de la que depende en gran parte la economía global. Es la fuente que cubre un alto porcentaje de las necesidades energéticas de los seres humanos, y se estima que las reservas mundiales de petróleo, fácilmente accesibles (aquella que su coste de explotación es menor a su precio de venta), se terminen agotando de aquí a 80 años. Por esta razón, disminuir la dependencia de este elemento, es una de las batallas actuales con el fin de evitar agravar la crisis energética mundial. La situación actual en lo referente a consumos de petróleo y sectores dependientes del mismo en España, es la que se puede ver en la figura1., donde el sector del transporte se lleva más del 70% del consumo total. Figura 1. Sectores de consumo de P.petrolíferos en España. 16 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Según datos de 2004 proporcionados por el IDAE, el transporte por carretera se lleva el 80’5% del consumo del sector, y un 58’6% del consumo total. Dentro del sector del transporte por carretera, hay otras tres categorías importantes, como son los vehículos privados, el tráfico de mercancías y el transporte colectivo de pasajeros. El parque de vehículos privados, que como se ve en el gráfico anterior suponen un 50% del transporte por carreteras y por tanto un 29’3% del consumo total de productos derivados del petróleo, se lleva el 16’6% de la energía final consumida en el país, lo que supone unas 15500 ktep (18·107 MWh). Por lo tanto, se puede concluir que el vehículo privado se lleva una parte muy importante del consumo de derivados del petróleo a escala nacional, el 16’6%, y que si se consiguiera disminuir el consumo de los vehículos de este sector, se conseguiría disminuir la dependencia del petróleo del conjunto del país. Por ejemplo, si se reduce un 10% del consumo de derivados del petróleo en el sector de los vehículos privados, se conseguiría una reducción cercana al 3% del consumo de derivados total. Por consiguiente, con la situación energética actual que ha obligado al sector de la automoción a evolucionar rápidamente hacia vehículos más eficientes y menos contaminantes, la prioridad es conseguir reducir el consumo parque móvil español. Por ello, los vehículos eléctricos son una posible solución, ya que no realizan un consumo directo de este recurso, sino que su fuente de energía procede de la red eléctrica. En la producción eléctrica de España, la cantidad de productos derivados del petróleo consumidos es muy baja (6’7% del total), por lo que el uso de este tipo de vehículos reduciría drásticamente la dependencia de esta materia. Aun así, se seguiría dependiendo en gran parte de energías no renovables, y es por esto por lo que se realiza este estudio, para ver la viabilidad de la instalación de mini eólica en viviendas y así eliminar casi por completo la dependencia del petróleo. En el “ANEXO 1: ESTUDIO PRELIMINAR” se amplía toda la información tratada en este punto, y se planten algunas cuestiones adicionales. Figura 2. Sectores transporte. Figura 3. Sectores transporte por carretera. 17 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. 2. El vehículo eléctrico. El vehículo eléctrico se plantea como una alternativa al vehículo térmico con el fin de reducir las emisiones contaminantes. Se pretende que el vehículo eléctrico use la energía eléctrica de tal manera que se puedan reducir las emisiones contaminantes y sea una alternativa viable de futuro. 2.1. Arquitectura del vehículo eléctrico. Estos vehículos tienen una serie de componentes y características que los diferencian y lo definen como tales. Sus motores (eléctricos), sus sistemas de almacenamiento de energía (baterías) y sus sistemas de recarga, son los tres más importantes y por sus características individuales definen al vehículo eléctrico. 2.1.1. Motores. En el “ANEXO 2: MOTORES ELÉCTRICOS” se describen los distintos motores eléctricos utilizados en el mundo de la automoción, y se realiza una comparación con los de combustión interna. 2.1.2. Baterías. Las baterías son un componente principal en todos de coches eléctricos. Una batería está formada por dos o más células eléctricas unidas entre sí que transforman energía química en eléctrica. Cada una de esas células está formadas por dos electrodos (uno positivo y uno negativo) unidos mediante un electrolito. En la reacción química entre los electrodos y el electrolito es donde se genera energía eléctrica en forma de corriente continua. En el “ANEXO 3: BATERÍAS” se habla sobre los distintos tipos de baterías existentes en el mercado y sus características, y finalmente se hace un pequeño estudio sobre el factor autonomía-peso comparando cada tipo de baterías con la gasolina y el gasoil. 2.1.3. Sistemas de recarga y conectores. La recarga completa de las baterías de un coche eléctrico puede llegar a durar hasta 8 horas. El tiempo de recarga depende de los kW de potencia del sistema de recarga al que conectemos nuestro vehículo y de la capacidad en kWh de las baterías instaladas en el vehículo. En función de la potencia del sistema de recarga se hablará de carga estándar o de carga rápida. Los enchufes domésticos, tienen un voltaje de 230 V y una intensidad de 16 A, siendo su potencia de carga máxima de 3,68 kW. Una batería de 16 kWh se tardaría en recargar aproximadamente unas 5 horas. 18 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Actualmente existen varios sistemas recarga con sus correspondientes conectores. Esto nos lleva a la completa inexistencia de estándares de carga, tanto en sistemas de recarga como en sus conectores y enchufes. En el “ANEXO 4: SISTEMAS DE RECARGA Y CONECTORES”, se analizan los distintos sistemas actuales y se estima el tiempo de carga con cada uno de ellos. 2.2. Estimación del consumo mediante ciclos normalizados. Para poder estimar el consumo de un vehículo eléctrico (o cualquier vehículo) se utilizan los ciclos de conducción normalizados. Además se deben conocer todos los parámetros característicos del mismo si no se cuenta con el vehículo real, como es el caso de este estudio. Como este estudio no se centra en un vehículo en concreto, se necesita investigar que hay actualmente en el mercado de eléctricos. Para ello, en el “ANEXO 5: ESTADO ACTUAL DE LOS VEHÍCULOS ELÉCTRICOS E HÍBRIDOS ENCHUFABLES” se describen los vehículos eléctricos, eléctricos de rango extendido y algún híbrido que actualmente se encuentra en el mercado (o muy próximamente). 2.2.1. Ciclos de conducción. Una de los factores más importantes en un vehículo es su autonomía. Se trata de uno de los puntos críticos en la búsqueda de alternativas a los motores de combustión interna. Con el fin de intentar averiguar el número de kilómetros que puede recorrer un vehículo, se utilizan los ciclos de conducción, test realistas con diferentes cambios de velocidad, aceleración y frenada, que intentan simular situaciones próximas a la realidad. También se crearon con la idea de calcular aproximadamente las emisiones contaminantes producidas por un vehículo en determinadas situaciones. En el caso de este estudio, se utilizará uno de los ciclos estandarizados en la Unión Europea para el cálculo de consumos. A partir de este se calcularán las resistencias al avance, potencia y finalmente energía consumida por unidad de distancia. Para ampliar la información sobre los ciclos, consultar el “ANEXO 6: CICLOS DE CONDUCCIÓN ESTÁNDAR”. El ciclo que se va a utilizar para este estudio es un ciclo europeo de tipo modal, con aceleraciones y velocidades constantes. Su nombre es New European Driving Cycle (NEDC). New European Driving Cycle (NEDC). El NEDC es un ciclo proveniente de la combinación de otros dos ciclos europeos, el ECE-15 y el EUDC, y se utiliza para la certificación de vehículos ligeros en Europa. El ciclo ECE-15 es un ciclo de conducción urbana. Fue ideado para representar las condiciones de la conducción en ciudades, como por ejemplo París o Roma. Se caracteriza por tener la velocidad limitada a 50 km/h y una duración de 195 segundos. Consta de 3 periodos de aceleración constante, 4 tramos de deceleración constante y 4 zonas a velocidad constante. 19 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. El ciclo EUDC representa una conducción extraurbana (velocidad entre 50 y 70 km/h) analizando con una incorporación a una autopista (en dos fases, primero aceleración hasta 100 km/h y luego hasta 120 km/h) antes de frenar hasta detener el vehículo. El NEDC se conforma de cuatro ciclos ECE-15 continuados, seguidos de un EUDC, quedando de la siguiente forma: 0 10 20 30 40 50 60 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 ECE-15 t (s) V (km/h) 0 20 40 60 80 100 120 140 800 840 880 920 960 1000 1040 1080 1120 1160 1200 EUDC t (s) V (km/h) 0 20 40 60 80 100 120 140 0 200 400 600 800 1000 1200 NEDC t (s) V (km/h) Figura 4. Ciclo ECE-15. Figura 5. Ciclo EUDC. Figura 6. Ciclo NEDC. 20 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. ECE-15 EUDC NEDC Distancia recorrida 4x1013 = 4052 m 6955 m 11007 m Tiempo total 4x195 = 780 s 400 s 1180 s Velocidad media 18'7 km/h 62'6 km/h 33'6 km/h Velocidad máxima 50 km/h 120 km/h 120 km/h El ciclo de conducción especifica la velocidad, aceleración y tiempo a los que deberá ceñirse el vehículo para calcular su consumo. Es por ello que para continuar el estudio se necesita definir el vehículo, o lo que es lo mismo, las características y coeficientes de éste. 2.2.2. Selección de datos para el vehículo del estudio. En la actualidad no existe una gran variedad de vehículos eléctricos, como se puede leer en el ANEXO 5. En este apartado se definirán las características aproximadas de lo que sería un eléctrico puro para, a continuación, realizar los cálculos energéticos. El cálculo que se quiere realizar consiste en averiguar la energía requerida por un vehículo eléctrico a lo largo de un ciclo de conducción normalizado. Para poder llegar hasta la energía consumida en dicho ciclo, primero se calculará la resistencia al avance, y para ello será necesario conocer: Masa (M), Superficie frontal (S), Coeficiente de rodadura (r) y el coeficiente aerodinámico (Cx) del hipotético vehículo eléctrico. -MASA. La masa es una propiedad intrínseca a los cuerpos y sirve para medir la cantidad de materia que un cuerpo contiene. Es uno de los factores determinantes, y de mayor influencia, en el consumo de un vehículo. La masa de los vehículos eléctricos es mayor que la de sus homólogos de gasolina o gasóleo. Esto se debe sobre todo al sobrepeso adicional del sistema de almacenamiento de energía, las baterías. Este peso extra suele estar entre los 200 y los 300 kg. Un vehículo convencional de un tamaño medio, estilo un Golf, suele estar entre los 1200 y los 1300 kg de peso. Añadiéndole el peso de las baterías, se alcanzan los 1600 kg. Este será el peso del vehículo eléctrico seleccionado para el estudio.  Masa: M = 1600 kg -SUPERFICIE FRONTAL O EFECTIVA. La superficie frontal, es el área del vehículo que se enfrenta directamente al flujo de aire que genera el vehículo al circular a una velocidad determinada. Es un factor que influye en la resistencia aerodinámica, y que está determinado por la habitabilidad que se le quiera dar al vehículo en cuestión. En este aspecto, los vehículos eléctricos no se diferencian de los de combustión interna. Tabla 1. Ciclo NEDC. 21 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Para un vehículo de tamaño medio, una anchura y altura típica podría ser de 1’8 m por 1’4 m. A esto habría que restarle la superficie frontal definida por el fondo del vehículo, los flancos interiores de las ruedas y el suelo sobre el que se circula. Para ello se multiplica a la anchura y altura por un factor de corrección que habitualmente se aproxima a 0’85. Por lo tanto para el vehículo eléctrico que se está definiendo, la superficie frontal quedará de la siguiente forma.  Superficie frontal: S = 0’85*1’8*1’4 = 2’142 m2 -COEFICIENTE AERODINÁMICO. El coeficiente aerodinámico es un número adimensional que se obtiene experimentalmente para cada vehículo en el túnel del viento, e influye sustancialmente en la resistencia aerodinámica (misma influencia que la superficie frontal). Es un factor que se está empezando a cuidar especialmente en muchos vehículos actuales. Ante la imposibilidad de disminuir la superficie frontal debido al factor de la habitabilidad interior, los fabricantes se ven obligados a mejorar este número y así conseguir vehículos más eficientes. En los vehículos eléctricos, donde se busca maximizar la eficiencia, este factor suele ser excepcional. Un valor típico en vehículos compactos suele ser 0’30. Un valor excepcional sería 0’24. Será este último el seleccionado para el vehículo con el que se va a trabajar.  Coeficiente aerodinámico: Cx = 0’24 -COEFICIENTE DE RODADURA. El coeficiente de rodadura es un valor adimensional que afecta a resistencia a la rodadura tanto como lo hace la propia masa del vehículo. En su ecuación empírica más completa, depende de muchos factores, como son la velocidad a la que se desplaza el vehículo, el peso del vehículo, la presión de inflado de los neumáticos y el tipo de neumático (radial o diagonal). A pesar de esto, es un coeficiente que se puede simplificar y considerar constante, y que muchas marca de vehículos proporcionan (valor aproximado). Al igual que sucedía con el coeficiente aerodinámico, este es un valor que tiende a mejorarse y que debe ser lo más bajo posible para así maximizar la eficiencia. Un vehículo con un mal coeficiente de rodadura puede alcanzar valores de 0’013 y uno muy bueno de 0’006. Como los vehículos eléctricos suelen usar neumáticos con bajos coeficientes de rodadoras, para el vehículo que aquí se define se estimará un valor de 0’008.  Coeficiente a la rodadura:  r = 0’008 28 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. La potencia en vatios: Y finalmente la energía total en Julios, dependiente de la velocidad (m/s) y la aceleración (m/s2): Con esta ecuación, únicamente válida para el vehículo eléctrico definido, se integrará cada una de las rectas de aceleración constaten y velocidad constante del ciclo NEDC. Sumándolas se obtendrá la energía total consumida durante el ciclo. Los tramos en los que el vehículo tiene una deceleración constante no se integrarán, ya que energéticamente cuando un vehículo eléctrico decelera, el motor trabaja como generador y por lo tanto no pierde energía sino que la recupera. Para simplificar los cálculos y trabajar con el caso más desfavorable (un vehículo eléctrico en el que el motor no trabajase como generador), estos tramos no serán tenidos en cuenta. Para ver los cálculos en detalle (integración de cada uno de los tramos del ciclo), pasar a leer el “ANEXO 8: MÉTODO DE CÁLCULO POR INTEGRACIÓN POR TRAMOS DEL CICLO DE CONDUCCIÓN”. 2.2.5.1. Consumo medio del vehículo para el ciclo NEDC. El consumo que resulta de aplicar la ecuación del vehículo eléctrico a cada uno de los tramos para la zona urbana del ciclo es: Y para la parte del ciclo de carretera: Obtenidas ambas partes de ciclo, la energía total de ciclo consumida desde las baterías es: Sabiendo que la distancia total recorrida en el ciclo es de D = 11007 m, y que 1 Wh = 3600 J, el consumo del vehículo eléctrico para el ciclo NEDC es de: 29 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Para comprobar si el consumo que se ha obtenido está dentro de lo razonable, se puede comparar con los consumos mostrados en el “ANEXO 5: ESTADO ACTUAL DE LOS VEHÍCULOS ELÉCTRICOS E HÍBRIDOS ENCHUFABLES”. Los consumos y rendimientos de los vehículos mostrados en este apartado son (en orden descendente empezando por los que se cree que sus datos son menos fieles a la realidad y terminando por los que se cree más fieles):  Mitsubishi i-miev: 100 Wh/km y 90’9%.  Think City: 144 Wh/km y 95’5%.  Tesla Roadster: 135 Wh/km y 95’5%.  Opel Ampera: 133 Wh/km y 47’95%  Toyota Prius Plug-in: 152 Wh/km y 68’7%  Nissan Leaf: 173 Wh/km y 76’5% Recordemos que el rendimiento estimado del vehículo (basado en datos aproximados de cada una de las partes, y sin haber tenido en cuenta la recuperación de energía en la inversión del motor en las frenadas) es de  . Comparando el consumo medio obtenido de y el rendimiento medio estimado del con los vehículos de la muestra que actualmente se encuentran en el mercado, se puede apreciar claramente como los datos calculados son muy similares, por lo que puede afirmase que el cálculo estimativo de consumo está bien hecho, y será válido para continuar con el estudio. 3. Instalación eólica. Una instalación eólica, es aquélla que produce energía eléctrica a través de aerogeneradores mediante el aprovechamiento del viento, y por lo tanto este tipo de instalaciones siempre requieren de la presencia de viento para poder funcionar. Para el buen funcionamiento de estas instalaciones, se requiere que el flujo de viento sea lo más laminar posible, y para asegurar esto es necesario que el aerogenerador se sitúe en una zona libre de turbulencias, es decir, a una considerable altura sobre el terreno. Por ello este tipo de energía depende básicamente de la localización en la que se encuentren los aerogeneradores. Se requiere una zona de vientos elevados durante una gran parte del año para hacer que una instalación eólica resulte interesante económicamente. 30 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. 3.1. Energía eólica. Toda la energía cinética del viento proviene en último término del sol. La tierra recibe del sol una cantidad de energía del orden de 1017 W/m2. Alrededor de un 2% de esta potencia es la que genera el viento. Este se genera como consecuencia de las diferencias de temperatura que alcanzan las diferentes zonas de la tierra, bien por su diferencia de altitud (vientos de montaña y valle, generando corrientes de aire ascendente en horas de sol y descendente durante la noche), de la latitud, o por la diferencia de temperatura de la tierra y del agua del mar. En este último caso se generan brisas que van desde la mar a la tierra durante las horas de sol, y desde la tierra a la mar durante la noche. En el “ANEXO 9: El ORIGEN DE LA ENERGÍA EÓLICA” se amplía la información sobre el origen de la energía eólica y el viento. En la década de 1970, y como consecuencia de la crisis energética, los países desarrollados inciden en el plano de la investigación y el desarrollo, apareciendo la tecnología que permitiría la producción de las actuales turbinas eólicas. La energía producida en estas máquinas recibe el nombre de energía eólica, y es la energía generada por las corrientes de aire al actuar y mover las palas de los aerogeneradores. Este movimiento, energía cinética, es transmitido por las palas al eje, que a su vez está conectado a un generador eléctrico el cual se encarga de la producción eléctrica. 3.2. Aerogeneradores. 3.2.1. Tipos de aerogeneradores. Existen distintas formas de clasificar los aerogeneradores: Según el tipo de eje, la orientación con respecto al viento, el número de palas…. En este apartado solo se hablará forma resumida de la primera de ellas, clasificación según el tipo de eje. Para ampliar la información, acudir al “ANEXO 12: TIPOS DE AEROGENERADORES”. Aerogeneradores de eje Horizontal. También conocidos como HAWT, que proviene de las siglas en inglés (horizontal axis wind turbines). Son los más habituales y en ellos se ha centrado el mayor esfuerzo de diseño e investigación en los últimos años. Su característica principal es que el eje de rotación se encuentra paralelo al suelo y a la dirección del viento. Sus ventajas son, que al estar a una altura de entre 40 y 60 metros del suelo, aprovecha mejor las corrientes de aire, y todos los mecanismos para convertir la energía cinética del viento en otro tipo de energía están ubicados en la torre y la góndola, además de tener una eficacia muy alta. Como desventaja tenemos el transporte por sus grandes dimensiones (torres de 60 metros y palas de 40 metros), la fuerza que tiene que resistir las palas y en velocidades altas de viento, más de 100 Km/h deben de ser parados para evitar daños estructurales 31 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Aerogeneradores de eje Vertical. Los aerogeneradores de eje vertical son una alternativa menos conocida llamada a hacerse un hueco entre los consumidores. Son idóneas para aprovechar la energía eólica en los tejados de casas, edificios públicos o zonas industriales. También conocidos como VAWT, que proviene de las siglas en inglés (vertical axis wind turbines). Su principal característica es que el eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo y a la dirección del viento. Su ventaja es la eliminación de los complejos mecanismos de direccionamiento y las fuerzas a las que se someten las palas ante los cambios de orientación del rotor. Por el contra, su desventaja es que presentan una menor capacidad de generación eléctrica. Existen varios tipos: - Darrieus: Consiste en dos o tres arcos que giran alrededor del eje. - Sabonius: Dos o más filas de semicírculos colocados opuestamente alrededor del eje. - Panémonas: Cuatro o más semicírculos unidos al eje central. 3.2.2. Principio de funcionamiento de un aerogenerador. El principio aerodinámico por el cual el conjunto de palas gira, es similar al que hace que los aviones vuelen. La cantidad de energía extraíble del viento a una velocidad determinada depende de la geometría de las palas del rotor. La fuerzas que actúan sobre las palas son, la fuerza de sustentación y la de arrastre o resistencia. Consultar el “ANEXO 10: PRINCPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN AEROGENERADOR” para ampliar la información sobre estas fuerzas. 3.3. Potencia eólica. La potencia máxima teórica que se podría extraer de un flujo de aire si este cediese toda su energía (Velocidad a la salida = 0 m/s), viene dada por la siguiente expresión: 3.2.3. Límite de Betz. Las leyes de la física, impiden que se pueda extraer toda la potencia disponible en el viento a su paso por el rotor de un aerogenerador. El viento a su paso se frena, saliendo del mismo con una velocidad menor que con la que ha entrado, pero sigue teniendo energía. Figura 11. Aerogeneradores de eje vertical. 32 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. La potencia máxima aprovechable por el aerogenerador viene definida por el límite de Betz, y es igual a 16/27 (Cp=0’59259), así que la potencia máxima que se puede extraer del viento es del 59’26%, quedando la expresión de la potencia: Consultar el “ANEXO 11: POTENCIA EÓLICA Y LÍMITE DE BETZ” para ampliar la información. 3.4. Mini eólica. En este trabajo se pretende estudiar la instalación de aerogeneradores en viviendas para suplir el consumo de un vehículo eléctrico. El problema reside en las limitaciones, tanto técnicas como medioambientales y económicas, que conlleva la instalación de un aerogenerador de grandes dimensiones próximo (o sobre la cubierta) a un edificio en estudio. Estos son los problemas más importantes: - Tamaño. No es posible instalar un aerogenerador de un diámetro de palas de 50 metros en la cubierta de un edificio. Además, es importante tener en cuenta que el peso añadido del aerogenerador deberá tenerse en cuenta en la etapa de diseño del edificio por el arquitecto. - Ruido y vibraciones. Este es un tema presente en todo tipo de aerogeneradores y que presenta grandes problemas a la instalación en un edificio. El principal problema es que tanto el ruido como las vibraciones que produce un aerogenerador son difícilmente cuantificables a priori (debido a que el uso habitual de estos aparatos es anclados en tierra y en zonas alejadas de la población, lo que reduce la importancia de estos factores). Hasta que no se ha realizado la instalación no se conocen con exactitud los datos acerca del ruido y la vibración que esta produce. Esto conlleva que el instalar los aerogeneradores (ya sean de mayor o menor potencia) sobre la cubierta sea más desaconsejable que el instalarlos anexos al edificio. Al instalarlos sobre el terreno, desaparecen por completo los problemas de vibraciones y se reducen los problemas de ruido al estar más alejada la instalación de los espacios habitados. - Amortización de la inversión. Debido a los grandes costes iniciales de estas instalaciones ha de tenerse presente que se requieren lugares con condiciones muy favorables para amortizar un aerogenerador. Debido a estos problemas, principalmente por la necesidad de disponer de aparatos más económicos que aunque generan una menor cantidad de energía eléctrica son más accesibles para cualquier inversor, se ha desarrollado lo que se conoce como mini-aerogeneradores (mini eólica). Estos aparatos son de mucho menor tamaño y, por ello, de mucha menor potencia que los grandes aerogeneradores utilizados en las instalaciones habituales. Su potencia es inferior a los 100 kW y el área de barrido está limitada a los 200 m2. Por sus menores dimensiones es posible su instalación en edificios (en su cubierta o anexos a ellos), ya sean viviendas 33 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. unifamiliares, bloques de pisos o edificios de otro uso, debido a sus menores dimensiones y menores costes iniciales. Las grandes diferencias existentes entre los aerogeneradores de lo que se denomina como eólica y los referidos a mini eólica, son las siguientes: - Tamaño. Mucho menor en mini-eólica, lo que conlleva que la potencia de estos aerogeneradores sea mucho menor y, con ello, una producción eléctrica anual y unos ingresos anuales debido a la venta de energía eléctrica menores. El menor tamaño también implica un menor peso lo que permite la implantación de este tipo de instalaciones en las cubiertas de las casas. - Costes iniciales de inversión. De nuevo menores globalmente en instalaciones minieólicas. Sin embargo, el coste relativo por kW suele resultar mayor en estas pequeñas instalaciones (de 2 a 5 veces superior dependiendo del modelo), lo que implica que el periodo de amortización sea superior. - Curva de rendimiento del aerogenerador. Aunque actualmente existen aerogeneradores diseñados prioritariamente para valores altos, medios o bajos de velocidad del viento, por regla general, los aerogeneradores de menor potencia requieren una mayor velocidad del viento para un correcto funcionamiento. Esto conlleva que el número de horas de funcionamiento al cabo de un periodo de tiempo sea menor, reduciendo los ingresos y aumentando el periodo de amortización de la instalación. 3.5. Estimación de la producción de un mini-aerogenerador. Para estimar la producción de energía eléctrica de un mini-aerogenerador se necesita conocer la curva de potencia del este (curva potencia-velocidad del viento). Esta curva es característica de cada aerogenerador y la proporciona el fabricante. 3.5.1. Selección del mini-aerogenerador de eje vertical. Por lo tanto para poder estimar un consumo, al igual que se hizo con la selección (definición de parámetros) del vehículo eléctrico, se deberá seleccionar un mini-aerogenerador con su curva de potencia. Para este estudio se ha decidido seleccionar mini-aerogeneradores del tipo eje vertical, ya que estos cuentan con ciertas ventajas interesantes para viviendas y bloques de pisos. Estas ventajas son: - No se tienen que redireccionar, por lo que pueden recibir el viento desde cualquier dirección con la ventaja de evitar la necesidad de complejos mecanismos de direccionamiento. - Son mucho más silenciosos, algo indispensable para el confort en viviendas. - Mayor regularidad en la producción ante turbulencias y cambios de dirección del viento, cosa habitual en ciudades y zonas de edificios. 34 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. - Suelen tener el generador instalado en el suelo, lo que permite un mejor acceso ante reparaciones y mantenimiento. - Muchos modelos son de fácil montaje y ensamblado. Aunque en apartados anteriores se obtuvieron datos de energía eléctrica consumida por un vehículo eléctrico a lo largo de un año, no se conoce la producción de un aerogenerador, que es lo que se pretende calcular en este apartado, y por lo tanto desconocemos la potencia a instalar. Es por esto que para realizar este cálculo, se han elegido tres mini-aerogeneradores de eje vertical de potencias comprendidas entre los 600 W y los 4000 W. Los tres modelos son de la misma marca, Urban Green Energy, y son los siguientes:  Urban Green Energy Eddy (Potencia nominal = 600W)Precio: 3.309’31 €  Urban Green Energy Eddy GT (Potencia nominal = 1000W)Precio: 5.986’14 €  Urban Green Energy UGE-4K (Potencia nominal = 4000W)Precio: 16.512’45 € Las diferencias principales entre ellos son la potencia nominal, las revoluciones de giro nominales, el peso y las dimensiones, y las características comunes son: La velocidad de arranque (3 m/s), la velocidad de parada (30 m/s), el tipo de generador (imanes permanentes). Para ver las características completas de cada uno de ellos y junto con sus gráficas de potencia y producción anual, pasar al “ANEXO 13: MINI-AEROGENERADORES”. 3.5.2. Datos del viento. Para poder estimar la producción de un aerogenerador, es indispensable conocer de forma precisa los mapas de viento o datos eólicos de la zona donde se va a instalar el aparato. Para el caso de este estudio, se han obtenido datos procedentes de otro proyecto que estudiaba la viabilidad de paneles solares, aerogeneradores e instalaciones de cogeneración en la localidad oscense de Monzón. Los datos del viento proceden de la página web de La Agencia Estatal de Meteorología, y recogen valores de las horas de viento de cada mes, durante un perdió de un año (año 2007), para velocidades comprendidas entre 2 m/s y 19 m/s. La estación meteorológica de la que se han obtenido los datos está situada en el aeropuerto de Monflorite, Huesca. Así pues, tomando los datos meteorológicos de esta estación durante cada día de un año se obtienen los siguientes valores para intensidad de viento. 2 m/s 3 m/s 4 m/s 5 m/s 6 m/s 7 m/s 8 m/s 9 m/s 10 m/s 11 m/s 12 m/s 13 m/s 14 m/s 15 m/s 16 m/s 17 m/s 18 m/s 19 m/s Enero 402 h 117 h 96 h 48 h 24 h 18 h 9 h 0 h 9 h 3 h 3 h 9 h 3 h 0 h 3 h 0 h 0 h 0 h Febrero 186 h 171 h 135 h 54 h 51 h 21 h 15 h 24 h 18 h 15 h 6 h 12 h 3 h 15 h 9 h 9 h 0 h 0 h Marzo 90 h 123 h 117 h 96 h 60 h 57 h 39 h 24 h 39 h 21 h 18 h 18 h 9 h 3 h 15 h 9 h 0 h 6 h Abril 219 h 243 h 150 h 69 h 33 h 12 h 0 h 3 h 3 h 6 h 3 h 0 h 0 h 0 h 3 h 0 h 0 h 0 h Mayo 75 h 102 h 114 h 78 h 90 h 75 h 48 h 30 h 60 h 33 h 6 h 12 h 9 h 6 h 3 h 3 h 0 h 0 h Junio 141 h 117 h 207 h 90 h 72 h 27 h 30 h 24 h 9 h 12 h 0 h 9 h 6 h 0 h 0 h 0 h 0 h 0 h Julio 87 h 213 h 96 h 63 h 45 h 63 h 54 h 30 h 30 h 9 h 15 h 3 h 6 h 9 h 21 h 0 h 0 h 0 h Agosto 126 h 132 h 156 h 90 h 78 h 30 h 18 h 15 h 39 h 27 h 12 h 9 h 3 h 9 h 0 h 0 h 0 h 0 h Septiembre 144 h 183 h 150 h 102 h 69 h 9 h 27 h 0 h 18 h 18 h 9 h 0 h 6 h 3 h 6 h 0 h 0 h 0 h Octubre 156 h 171 h 195 h 102 h 33 h 36 h 6 h 12 h 9 h 9 h 0 h 6 h 6 h 0 h 0 h 3 h 0 h 0 h Noviembre 162 h 249 h 147 h 54 h 57 h 24 h 24 h 9 h 0 h 0 h 3 h 0 h 0 h 0 h 9 h 3 h 0 h 3 h Diciembre 120 h 204 h 96 h 120 h 54 h 24 h 9 h 12 h 21 h 39 h 12 h 0 h 12 h 15 h 0 h 3 h 0 h 3 h TOTAL 1908 h 2025 h 1659 h 966 h 666 h 396 h 279 h 183 h 255 h 192 h 87 h 78 h 63 h 60 h 69 h 30 h 0 h 12 h Número de horas a una velocidad de viento de… MES Tabla 2. Datos del viento en el aeropuerto de Monflorite, Huesca. 35 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Estos datos son exclusivos de una situación geográfica particular, por lo que si variase la situación geográfica, haría falta busca nuevos datos. 3.5.3. Estimación de la producción eléctrica. Tomando estos datos y conocidas las curvas de potencia-velocidad del viento, ANEXO 11, de cada uno de los mini-aerogeneradores de eje vertical, se estima la energía producida por cada uno de ellos. Urban Green Energy Eddy (Potencia nominal = 600W). Sumando todos los valores para cada una de las velocidades de viento, el aerogenerador EDDY produce una cantidad de 774’75 kWh/año. Urban Green Energy Eddy GT (Potencia nominal = 1000W). Velocidad del viento Potencia Horas de viento Energía producida 3 m/s 10 W 2025 h 20,25 kWh 4 m/s 30 W 1659 h 49,77 kWh 5 m/s 50 W 966 h 48,30 kWh 6 m/s 80 W 666 h 53,28 kWh 7 m/s 125 W 396 h 49,50 kWh 8 m/s 190 W 279 h 53,01 kWh 9 m/s 280 W 183 h 51,24 kWh 10 m/s 385 W 255 h 98,18 kWh 11 m/s 510 W 192 h 97,92 kWh 12 m/s 640 W 87 h 55,68 kWh 13 m/s 650 W 78 h 50,70 kWh 14 m/s 640 W 63 h 40,32 kWh 15 m/s 630 W 60 h 37,80 kWh 16 m/s 620 W 69 h 42,78 kWh 17 m/s 610 W 30 h 18,30 kWh 18 m/s 610 W 0 h 0,00 kWh 19 m/s 610 W 12 h 7,32 kWh 20 m/s 610 W 0 h 0,00 kWh Velocidad del viento Potencia Horas de viento Energia producida 3 m/s 25 W 2025 h 50,63 kWh 4 m/s 50 W 1659 h 82,95 kWh 5 m/s 90 W 966 h 86,94 kWh 6 m/s 140 W 666 h 93,24 kWh 7 m/s 200 W 396 h 79,20 kWh 8 m/s 300 W 279 h 83,70 kWh 9 m/s 420 W 183 h 76,86 kWh 10 m/s 600 W 255 h 153,00 kWh 11 m/s 800 W 192 h 153,60 kWh 12 m/s 1.000 W 87 h 87,00 kWh 13 m/s 1.150 W 78 h 89,70 kWh 14 m/s 1.220 W 63 h 76,86 kWh 15 m/s 1.250 W 60 h 75,00 kWh 16 m/s 1.220 W 69 h 84,18 kWh 17 m/s 1.200 W 30 h 36,00 kWh 18 m/s 1.180 W 0 h 0,00 kWh 19 m/s 1.180 W 12 h 14,16 kWh 20 m/s 1.180 W 0 h 0,00 kWh Figura 14. Curva de potencia Eddy. Figura 15. Curva de potencia Eddy GT. Tabla 3. Eddy. Tabla 4. Eddy GT. 36 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. En este segundo caso, realizando la sumando cada una de las velocidades de viento, el aerogenerador EDDY GT produce una cantidad de 1323’02 kWh/año. Urban Green Energy UGE-4K (Potencia nominal = 4000W). Y como ya se podía suponer fijandose exclusivamente en la potencia nominal de los aparatos, el UGE-4K tiene una producción de energía de 5198’1 kWh/año. 4. Estudios comparativos y de viabilidad económica. En este apartado se realizarán varios estudios económicos y comparativos, empezando por una comparativa entre el vehículo eléctrico y los de combustión interna. 4.1. Comparativa de consumo y coste del vehículo eléctrico con vehículos de combustión interna. Para poder valorar mejor este dato de consumo del vehículo eléctrico, se realiza una comparativa entre este y un par de vehículos del mercado de combustión interna. Actualmente lo vehículos de la industria del automóvil europea certifican sus consumos con el ciclo NEDC, por lo que para realizar esta comparativa se buscaran los datos de consumo medio ofrecidos por los fabricantes, y tras pasarlos a las mismas unidades que nuestros datos (Wh/km) se hará la comparación. Velocidad del viento Potencia Horas de viento Energía producida 3 m/s 200 W 2025 h 405,00 kWh 4 m/s 250 W 1659 h 414,75 kWh 5 m/s 350 W 966 h 338,10 kWh 6 m/s 500 W 666 h 333,00 kWh 7 m/s 750 W 396 h 297,00 kWh 8 m/s 1.100 W 279 h 306,90 kWh 9 m/s 1.550 W 183 h 283,65 kWh 10 m/s 2.200 W 255 h 561,00 kWh 11 m/s 3.000 W 192 h 576,00 kWh 12 m/s 4.000 W 87 h 348,00 kWh 13 m/s 4.300 W 78 h 335,40 kWh 14 m/s 4.400 W 63 h 277,20 kWh 15 m/s 4.300 W 60 h 258,00 kWh 16 m/s 4.200 W 69 h 289,80 kWh 17 m/s 4.150 W 30 h 124,50 kWh 18 m/s 4.150 W 0 h 0,00 kWh 19 m/s 4.150 W 12 h 49,80 kWh 20 m/s 4.150 W 0 h 0,00 kWh Figura 16. Curva de potencia UGE-4K. Tabla 5. UGE-4K. 37 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Escogeremos entonces un coche de motor gasolina y otro diesel, de características similares al definido en el estudio. Recordemos esas características:  Masa: M = 1600 kg  Superficie frontal: S = 0’85*1’8*1’4 = 2’142 m2  Coeficiente a la rodadura:  r = 0’008  Coeficiente aerodinámico: Cx = 0’24  Rendimiento del vehículo:  T.Vehículo = 0’659  Consumo del ciclo: CNEDC = 172’75 Wh/km Aunque el dato de potencia no se ha definido, por no hacer falta para los cálculos, se tendrá en cuenta que se trata de un dato más o menos importante a la hora de comparar consumos, y se intentará buscar vehículos de la menor potencia posible y mayor número de características similares a las definidas. 4.1.1. Vehículos de combustión interna elegidos. - El vehículo diesel elegido será Volkswagen Golf 1.6 TDI DSG cuyas características son:  Masa: 1262 kg.  Superficie frontal: 0’85·1’78·1’48 = 2’24 m2.  Coeficiente aerodinámico: Cx = 0’29.  Neumáticos de baja resistencia a la rodadura.  Consumo en ciclo mixto: 4’2 litros de gasóleo a los 100 km.  Potencia: 105 cv. La masa de este es mucho menor que la del vehículo eléctrico, pero hay que tener en cuenta que el supuesto vehículo eléctrico cuenta con un pesado pack de baterías, y por lo tanto este tipo de vehículos, para un mismo segmento, siempre serán más pesados. - El vehículo gasolina elegido será en este caso un híbrido mixto, Toyota Prius 1.8 HDS, que aunque se trate de un vehículo que cuenta con motor eléctrico, no es enchufable y por lo tanto toda su energía la obtiene de la gasolina. Además se puede considerar el vehículo con motor de gasolina más eficiente del planeta. Sus características son:  Masa: 1375 kg.  Superficie frontal: 0’85·1’72·1’49 = 2’18 m2.  Coeficiente aerodinámico: Cx = 0’24.  Neumáticos de baja resistencia a la rodadura.  Consumo en ciclo mixto: 3’9 litros de gasolina a los 100 km.  Potencia: 99 cv (82 cv motor eléctrico). 4.1.2. Comparación de consumos. Tomando solamente los datos de consumo de ambos vehículos pasamos a compararlos con los obtenidos en el estudio. 44 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. En la segunda, opción de mercado, la venta se realiza de acuerdo al precio del mercado más la prima de referencia, quedando un precio de venta máximo y mínimo acotado por un límite superior e inferior. Como se desconoce el precio de venta de mercado, para este estudio se realizaran los cálculos con la tarifa regulada. 4.3.2. Datos del análisis económico. De los tres mini-aerogeneradores se tienen los siguientes datos iniciales para empezar el análisis: - Producción anual de energía: Eddy  774’75 kWh/año, Eddy GT  1.323’02 kWh/año y UGE-4K 5.198’1 kWh/año. - Precio inicial aerogenerador: Eddy  3.309’31€, Eddy GT  5.986’14€ y UGE-4K 16.512’45€. - Coste inicial de instalación y otros: Supondremos un 30% del precio incial. - Precio final aerogenerador (Precio inicial + instalación y otros): Eddy  3.951’1€, Eddy GT  7.781’98€ y UGE-4K 21.466’18€. *Nota: No se tendrán en cuenta las posibles subvenciones que pudieran dar las administraciones públicas para la instalación de estos aparatos. En este estudio lo que se busca es la integración de un vehículo eléctrico con la instalación de un mini-aerogenerador en una vivienda, por lo tanto se tendrá en cuenta dentro del análisis de amortización, el sobrecoste que conlleva la compra de este tipo de vehículos con respecto a los de combustión interna (el precio del vehículo de combustión interna no se tendrá en cuenta como un gasto inicial, ya que se presupone el medio de transporte como algo ineludible, y por tanto un gasto asumido). Como referencia del eléctrico, se toma el precio del Nissan Leaf, 29.995 € (este precio incluye una ayuda de 6.000€), y como referencia del de combustión interna, un vehículo que ya se ha utilizado en este estudio, el Volkswagen Golf 1.6 TDI, que cuenta con un precio de 20.630 €. El capital del vehículo eléctrico a amortizar será entonces la diferencia entre ambos: - Sobrecoste del vehículo eléctrico a amortizar: 9.365 €. Al contar en el análisis con la parte del sobrecoste a amortizar del vehículo eléctrico, también habrá que tener en cuenta, el beneficio que este supone en lo que se refiere a coste de consumo anual combustible-electricidad, con respecto al vehículo de combustión. Según lo estimado en el punto 4.1.4, el vehículo eléctrico supone un ahorro mínimo de 149’24€/año (en relación a lo que cuesta la electricidad consumida por el combustible consumido), y un ahorro máximo de 1279’37€/año, a lo que habría que añadirle un porcentaje de aumento anual de este ahorro, por el seguro mayor incremento del precio de los carburantes con respecto al de la electricidad. Este aumento anual se estimara en un aumento 3%/año del ahorro mínimo. 45 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Para este estudio se han tomado los siguientes datos característicos: - Impuestos sobre ingresos: 16% (Dato estimado). - Ingresos de explotación los primeros 20 años: 7,3228 c€/kWh. - Ingresos de explotación a partir de los 20 años: 6,12 c€/kWh. - Incremento anual del precio de la energía: 3% (Dato estimado). - Tasa de descuento (depreciación del dinero): 3% (Dato estimado). 4.3.3. Resultados del estudio económico. Realizando los cálculos con los parámetros tenidos en cuenta en el apartado anterior, se obtiene que la compra de un vehículo eléctrico y la integración de un aerogenerador en la vivienda, serán habrán amortizado: *Para el mini-aerogenerador Eddy: - Con ahorro máximo se recupera la inversión en 11 años. - Con ahorro mínimo se recupera la inversión en 70 años. *Para el mini-aerogenerador Eddy GT: - Con ahorro máximo se recupera la inversión en 13 años. - Con ahorro mínimo se recupera la inversión en 77 años. *Para el mini-aerogenerador UGE-4K: - Con ahorro máximo se recupera la inversión en 19 años. - Con ahorro mínimo se recupera la inversión en 68 años. Para ver las tablas de resultados de donde se han obtenido estos valores, se puede descargar el archivo “Estudio económico.xlsx” http://db.tt/VOZmt1fY, o dirigirse al “ANEXO 14: RESULTADOS DEL ANALÍSIS ECONÓMICO”. 5. Conclusiones. A lo largo de este estudio se ha podido calcular el consumo de un vehículo eléctrico, así como la estimación de generación eléctrica de tres mini-aerogeneradores de eje vertical. Los datos obtenidos para el consumo del vehículo eléctrico, parten de la definición de diferentes parámetros extraídos de distinta bibliografía y cálculos estimativos, dando como resultado un valor aproximado de 172’75 kWh/km, dato que se aproxima mucho los proporcionados por distintos fabricantes de la industria. Si comparamos los valores característicos del vehículo eléctrico definido con los del Nissan Leaf, se apreciará como muchos de ellos coinciden o son muy similares. Esto se debe a que se tomo a este vehículo como referencia, por tratarse de uno de los primeros eléctricos puros que salió a la venta en España. Pero lo más interesante es ver como con el método de cálculo utilizado y desarrollado en este proyecto, el consumo final obtenido es prácticamente el 46 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. mismo que el del Nissan Leaf, y esto da aún mayor validez a los cálculos y estimaciones realizados. A partir de estos cálculos y el valor obtenido, se ha podido realizar una comparación entre los vehículos eléctricos y los de motor de combustión interna, analizando tanto consumos como coste. En ella se ha quedado manifiesto que los vehículos eléctricos son netamente superiores en lo que a eficiencia se refiere, consiguiendo consumos de hasta un 60% inferiores. Esto alto rendimiento afecta directamente a la cantidad de energía que consume, y por lo tanto al coste, dando como resultado que “llenar el depósito” en un eléctrico sale mucho más económico que hacer lo mismo en sus homólogos de gasolina o gasóleo. Con los datos obtenidos, se puede afirmar que un conductor español que realice pocos km al año, no más de 7.000 km, podría ahorrarse como mínimo unos 149€ al año, si sustituyese su vehículo actual por un eléctrico puro. Y este ahorro del que se habla, como se dice sería el mínimo, ya que si este conductor superase los 30.000 km el ahorro superaría los 1.200€ anuales. Un punto que no se menciona en la memoria, aunque sí en los anexos, son las desventajas de los eléctricos puros, y es que aunque en lo que se refiere a costes de consumo y rendimiento son actualmente imbatibles, sus escasa autonomía proporcionada por una tecnología de baterías aún no lo suficientemente buena, los relegan a un segundo lugar de cara a un posible comprador. A esto también contribuye su elevado precio. En cuanto a la energía mini-eólica y sus pequeños aerogeneradores, se ha intentado desarrollar de una forma breve los principios básicos, características y bondades, además de mostrar las ventajas principales frente a eólica de elevadas potencias y tamaños, poco útil en viviendas por su complejidad y coste. El haberse decantado en este trabajo por los mini-aerogeneradores de eje vertical ha sido justificado en varias ocasiones. El no tener que ser redireccionados o su baja nivel sonoro, son dos de sus características que como ya se ha dicho, los hace adecuados para sus instalación en viviendas. Además se ha podido comprobar cómo su producción eléctrica anual puede llegar a ser significativa, tanto como para cubrir la demanda de un vehículo eléctrico. Eso si el coste de instalación se podría considerar excesivamente caro, y debido a ello, la posibilidad de instalar acumuladores de energía para almacenar lo producido queda casi por completo descartada. Hay que mencionar que aunque el coste no fuese tan elevado, lo acumuladores de energía, baterías, segarían siendo excesivamente caros por si solos. En lo que se refiere al estudio de viabilidad se ha podido llegar a varias conclusiones. La primera de ellas es que la energía eólica a partir de mini-eólica tiene un coste elevadísimo, con una carga inicial difícilmente soportable por una familia media española. La segunda, y también bastante evidente, es que la integración para suplir el consumo de un vehículo eléctrico, puede llegar a tardar en amortizarse hasta 77 años en el peor de los caso (este es el caso en el que no se recorren muchos kilómetros al año con el vehículo eléctrico), lo que suponiendo una vida media del vehículo eléctrico en 10 años (las baterías serían uno de 47 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. los problemas de este tipo de vehículos), habría que cambiar hasta siete veces de vehículo en ese periodo. Esto no se ha tenido en cuenta en los cálculos, y si se incluyese provocaría que la inversión fuese imposible de amortizar. En cambio se podría afirmar, que si una persona recorre más de 30.000 km al año, la amortización podría conseguirse en un periodo mínimo de 11 años (con el mini-aerogenerador Eddy, el más pequeño), lo que supone un tiempo no excesivamente elevado. Y aunque se tuviese en cuenta que durante esos 11 años se habrían recorrido más de 330.000 km, suponiendo que el vehículo eléctrico utilizado contara con una autonomía de 180 km y siempre se recargase agotando esta autonomía, lo que supondría un número de recargas superior a las 1.800 (baterías de litio soportan entre 1.000 y 2.000), se podría decir que el vehículo eléctrico podría aguantar y por lo tanto la inversión habría sido amortizada. Esta situación estaría en el límite de una posible amortización y no aseguraría rentabilidad alguna. Otra de las conclusiones a las que se puede llegar con el estudio de viabilidad económica, es que el ahorro en gasolina o gasóleo que supone el cambiarse a un vehículo eléctrico, es mucho mayor que los beneficios de explotación eléctrica de un mini-aerogenerador en relación a los costes iniciales de ambas inversiones por separado. Teniendo en cuenta que el sobrecoste de un vehículo eléctrico sobre uno de combustión, se encuentra entre los 10.000€ y los 15.000€, y que el primer mini-aerogenerador con una producción adecuada de energía cuestas más de 16.000 euros, se puede afirmar que hoy en día la compra de un vehículo eléctrico se va a amortizar antes que la compra de un aparato de mini-eólica, y que la conjunción de ambos sería difícil amortizarla y/o rentabilizarla. La conclusión final es simple, la integración de vehículo eléctrico y mini-aerogenerador podría ser rentable en caso de realizar 30.000 km/año o más, pero siempre teniendo en cuenta el límite de uso de un vehículo eléctrico, que rondaría eso 30.000 kilómetros al año. ANEXO 1: ESTUDIO PRELIMINAR 51 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. ANEXO 1: Estudio preliminar. Para empezar con el estudio se debe conocer cuál es la situación actual en lo referente a consumos de petróleo y sectores dependiente del mismo. Consumo de petróleo mundial. Como se observa en la gráfica de abajo, durante los últimos veinte años se ha ido incrementando el consumo de petróleo a escala global, pasado de consumir 67 millones de barriles por día en el año 1991, a consumir 85 millones de barriles por día en el año 2010, lo que supone un aumento del 26’9%. Figura 18. Información procedente de EIA. En los últimos tres años la situación económica ha producido una deceleración e incluso y pequeño descenso del consumo. El aumento de consumo de los últimos 20 años parece provenir de un aumento proporcional de la población. Si se consultan los datos de aumento de población, desde 1991 hasta 2009, se ha pasado de 5363 millones de habitantes a 6775 millones de habitantes, un aumento porcentual del 26’3%, similar al aumento de consumo de petróleo del 26’9%. ¿Se puede afirmar entonces que el aumento de consumo de petróleo, con similar pendiente que el aumento de población (como se puede ver en la gráfica de abajo) es una causa directa del mismo?. Figura 19. Información procedente del Banco Mundial. 52 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Centrándose exclusivamente el gráfico, se podría afirmar que sí, que el aumento de población podría ser una causa directa del aumento de consumo pero… ¿se debe realmente a esta causa?, ¿es un aumento global equitativo o a un aumento de consumo en determinadas regiones del planeta?. Consumo de petróleo en España. Observando los datos de España, el aumento del consumo de petróleo es aún más significativo que a escala mundial. Se supera ampliamente ese 26’9% de aumento a escala global, llegándose a alcanzar un 34’9%, y pasando de consumir 1 millón de barriles por día en 1991 a más de 1’4 millones de barriles por día en 2010. Figura 20. Información procedente de EIA. El porcentaje de aumento de consumo es del 34’9% con respecto al año 2010, y al igual que sucedía a escala mundial, existe un descenso de consumo desde el año 2007 producido por crisis económica. Comparando las cifras de 1991 con las del máximo histórico de 2007, el porcentaje de aumento alcanzando el 50%. Esto sugiere que si la situación económica hubiese seguido la tendencia, el consumo con respecto a hace 20 años sería superior al 50% y por lo tanto aún más alarmante. Para responder a la pregunta de si realmente el aumento de población es la causa del aumento de consumo, se observan los datos de aumento de población en España, donde se ve que desde 1991 hasta 2009, se ha pasado de 38’9 millones de habitantes a 46 millones, un aumento del 18%. Comparándolo este porcentaje con el aumento de consumo de petróleo del 34’9%, se vislumbra ya que el consumo de petróleo ha aumentado muy por encima del aumento de población, y que por lo tanto en España (y seguramente también en el resto de países desarrollados) el aumento de población está relacionado con el aumento de consumo de petróleo, pero no es la causa principal de este. Para que el aumento de población no es causa directa del aumento de consumo, se obtiene la gráfica de “porcentaje de aumento de habitantes en España” comparado con el “porcentaje de aumento de consumo de petróleo en España” y se sacan las líneas de tendencia de cada una de ellas. Con esto se puede apreciar como la pendiente de cada una es muy distinta, dando 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 Consumo en España de petróleo en miles de barriles por … 53 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. valor así a la afirmación que se ha hecho de que una no es causa directa de la otra, sino un factor mas que influye en ese aumento. Figura 21. Información procedente del Banco Mundial. Con todo esto se llega a la conclusión de que el considerable aumento de la población a escala mundial no es el causante directo del aumento de consumo de petróleo (tampoco a escala nacional, como hemos podido ver en la gráfica de España), aunque se contempla que sea uno de los factores influyentes. Lo que queda claro comparando las gráficas de porcentaje de aumento de población de España ,figura 21, y del mundo, figura 19, es que viendo que el consumo se ha disparado en la primera y más o menos tiene la misma pendiente que el aumento de población en la segunda, el aumento de consumo de petróleo se debe a un gran crecimiento en los sectores de consumo de países como España, y que por lo tanto se debe averiguar cuáles son estos sectores para poder influir sobre ellos y afectar positivamente a la reducción de consumo de estos productos. Entonces viendo esto, la pregunta que debe plantearse es, ¿qué sectores son los que más influyen en el consumo de petróleo y sus derivados?, y ¿a qué afecta realmente este elevado consumo de petróleo?. Emisiones de CO2 en España. El siguiente gráfico compara las emisiones totales de CO2 en España con las emisiones solamente producidas por derivados del petróleo (periodo comprendido entre 1991 y 2009): Figura 22. Información procedente de EIA. 60 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas.  Imán permanente.  Excitación en serie.  Excitación independiente. Dentro de estos tres, los que se han impuesto en la industria con mayor fuerza son los motores CC de excitación independiente, aunque empezaremos explicando los de imán permanente. Motor CC de imán permanente. Los motores de imán permanente (PM, permanent magnet) normalmente, en la industria del automóvil, suelen contar con potencia no muy elevadas. Formados como todos los motores por un rotor y un estator, cuentan en el estator con imanes permanentes. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado que son: - No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación, ni para el devanado asociado. - Se mejora la fiabilidad ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen, y no hay probabilidad de que se presente una sobrevelocidad debida a pérdida del campo. - Se mejoran la eficiencia y la refrigeración por la eliminación de la pérdida de potencia en un campo excitador. - La característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. - Un motor de imán permanente (PM) se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua. Además, cuando se necesite de baja potencia y no se disponga de alimentación de energía para su funcionamiento, se recomienda el uso de motores de este tipo de motores. Éstos, aunque ofrecen la mitad de la velocidad en vacío que un motor devanado en serie, poseen mayor par de arranque, omitiendo así su desventaja, ya que las sobrecargas pueden causar desmagnetización parcial y pérdida de la energía en él acumulada. Motores CC de excitación en serie. En estos motores, los devanados de inducido y el inductor están colocados en serie y alimentados por una misma fuente de tensión. En ellos existe dependencia entre el par y la velocidad, ya que son motores en los que al aumentar la corriente de excitación se hace disminuir la velocidad, con un aumento de par. El inductor tiene un número relativamente pequeño de espiras de hilo, que debe ser de sección suficiente para que pase por él la corriente de régimen que requiere el inducido. En los motores serie, el flujo depende totalmente de la intensidad de la corriente del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a saturación moderada, el flujo será casi directamente proporcional a dicha intensidad. Las principales características de este motor son: 61 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. - Se embala cuando funciona en vacío, debido a que la velocidad de un motor de corriente continua aumenta al disminuir el flujo inductor y, en el motor serie, este disminuye al aumentar la velocidad, puesto que la intensidad en el inductor es la misma que en el inducido. - La potencia es casi constante a cualquier velocidad. - Le afectan poco la variaciones bruscas de la tensión de alimentación, ya que un aumento de esta provoca un aumento de la intensidad y, por lo tanto, del flujo y de la fuerza contraelectromotriz, estabilizándose la intensidad absorbida. Motores CC de excitación independiente. Estos son los motores de corriente continua más utilizados en la industria del automóvil. Obtienen la alimentación del rotor y del estator de dos fuentes de tensión independientes. Con ello, el campo del estator es constante, al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza también. Las variaciones de velocidad al aumentar la carga se deberán sólo a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentar la caída de tensión en el rotor. Este sistema de excitación no se suele utilizar debido al inconveniente que presenta el tener que utilizar una fuente exterior de corriente. Además de en la industria del automóvil, los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales, extrusión de materiales plásticos y goma, ventilación de hornos, retroceso rápido en vacío de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar. El motor de excitación independiente es el más adecuado para cualquier tipo de regulación, por la independencia entre el control por el inductor y el control por el inducido. Aplicaciones y ventajas de los motores CC. Aunque el precio de un motor de corriente continua es considerablemente mayor que el de un motor de inducción (Corriente alterna) de igual potencia, existe una tendencia creciente a emplear motores de corriente continua en aplicaciones especiales. La gran variedad de la velocidad, junto con su fácil control y la gran flexibilidad de las características par-velocidad del motor de corriente continua, han hecho que en los últimos años se emplee éste cada vez más con maquinas de velocidad variable en las que se necesite amplio margen de velocidad y control fino de las mismas. Existe un creciente número de procesos industriales que requieren una exactitud en su control o una gama de velocidades que no se puede conseguir con motores de corriente alterna. El motor de corriente continua mantiene un rendimiento alto en un amplio margen de velocidades, lo que junto con su alta capacidad de sobrecarga lo hace más apropiado que el de corriente alterna para muchas aplicaciones. Los motores de corriente continua empleados en juguetes, suelen ser del tipo de imán permanente, proporcionan potencias desde algunos vatios a cientos de vatios. Los empleados en giradiscos, unidades lectoras de CD, y muchos discos de almacenamiento magnético son 62 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. motores en los que el rotor es de imán fijo y sin escobillas. En estos casos el inductor está formado por un juego de bobinas fijas y un circuito electrónico que cambia el sentido de la corriente a cada una de las bobinas para adecuarse al giro del rotor. Este tipo de motores proporciona un buen par de arranque y un eficiente control de la velocidad. Otra ventaja es la facilidad de inversión de marcha de los motores grandes con cargas de gran inercia, al mismo tiempo que devuelven energía a la línea actuando como generador, lo que ocasiona el frenado y la reducción de velocidad. En lo que se refiere a la industria del automóvil, las ventajas son: - Grandes pares de arranque. - Alto margen de regulación de su velocidad. - Alimentación y regulación de su velocidad, sencillos y económicos, como ya se decía mas arriba. Motores de corriente alterna. Según su sistema de funcionamiento, se pueden clasificar en motores asíncronos o de inducción, motores sincrónicos, motores de reluctancia variable (paso a paso) y motores universales. Figura 29. Motores de corriente alterna. En la industria del automóvil se utilizan los motores asíncronos, los de reluctancia variable y los síncronos de imanes permanentes, que son tres de los que se hablará en este apartado. Los más utilizados entre los tres, en la industria automovilística, son los síncronos de imanes permanentes. Motores CA asíncronos o de inducción. El motor de inducción no necesita escobillas ni colector. Su armadura es de placas de metal magnetizable. El sentido alterno de circulación, de la corriente en las espiras del estator genera un campo magnético giratorio que arrastra las placas de metal magnetizable, y las hace girar. 63 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Fue creado es su forma más simple por Galileo Ferraris y Nikola Tesla en 1885-86. Dos años más tarde se construyó una máquina con el rotor en forma de jaula de ardilla. El rotor de bobinado se desarrolló a principio del S.XX. La diferencia del motor asíncrono con el resto de los motores eléctricos radica en el hecho de que no existe corriente conducida a uno de sus devanados (normalmente al rotor). La corriente que circula por el devanado del rotor se debe a la fuerza electromotriz inducida en él por el campo giratorio; por esta razón, a este tipo de motores se les designa también como motores de inducción. La denominación de motores asíncronos obedece a que la velocidad de giro del motor no es la de sincronismo, impuesta por la frecuencia de la red. Hoy en día se puede decir que más del 80% de los motores eléctricos utilizados en la industria son de este tipo. Todo ello debido a su fortaleza, sencillez de construcción, buen rendimiento y bajo coste, así como a la ausencia de colector y al hecho de que sus características de funcionamiento se adaptan bien a una marcha a velocidad constante. No obstante, y gracias al desarrollo de la electrónica de potencia (inversores y cicloconvertidores), en los últimos años está aumentando considerablemente la utilización de este tipo de motores a velocidad variable. Resumiendo las ventajas mencionadas, la gran utilización de los motores asíncronos se debe a las siguientes causas: - Construcción simple. - Bajo peso. - Mínimo volumen. - Bajo coste. - Mantenimiento inferior al de cualquier otro tipo de motor eléctrico. Existen dos tipos básicos de motores asíncronos por sus características constructivas: - Motores de jaula de ardilla: el devanado del rotor está formado por barras de cobre o aluminio, cuyos extremos están puestos en cortocircuito por dos anillos a los cuales se unen por medio de soldadura o fundición. - Motor de rotor bobinado: el devanado del rotor de estos motores está formado por un bobinado trifásico similar al del estator, con igual número de polos. Un motor de rotor bobinado a igualdad de potencia y clase de protección, es más costoso, menos robusto y exige un mantenimiento mayor que uno de jaula de ardilla. No obstante, frente a este último posee fundamentalmente dos ventajas, que en algunos casos concretos resultan determinantes: las características del circuito eléctrico del rotor pueden ser modificadas en cada instante desde el exterior, y la tensión e intensidad del rotor son directamente accesibles a la medida o al control electrónico. 64 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Motores CA de reluctancia variable. Los motores de reluctancia variable hacen referencia a un motor eléctrico del tipo paso a paso, cuyo funcionamiento se basa en la reluctancia variable mediante un rotor dentado que tiende a alinearse con los polos bobinados del estator. El rotor es de material magnético, pero no es un imán permanente, y presenta una forma dentada, con salientes. La ranuración del rotor conlleva una variación de la reluctancia en función de su posición angular. El estator consiste en una serie de piezas polares conectadas a 3 fases. Está formado por láminas de material ferro magnético no imantado, con una serie de ranuras en forma longitudinal, que albergan los bobinados de las fases, y forman los polos del estator. Normalmente la constitución del rotor y el estator es a base de láminas ferromagnéticas, pero también se pueden encontrar unidades con constitución sólida de hierro dulce. En todo momento, el rotor "buscará" alinearse de forma tal de minimizar la reluctancia rotorestator, circunstancia que se da cuando el espacio entre polos del estator queda lo más posiblemente ocupado por material del rotor, es decir, orientando los 4 polos energizados del estator. Este tipo de motor puede diseñarse para funcionar con pasos más pequeños que los pasos de un motor paso a paso de imán permanente. Por otra parte, su rotor es de baja inercia, con lo que se mejora su respuesta dinámica, aunque tiene la desventaja de tener menor par motor que un motor eléctrico de imán permanente de similar tamaño. En lo que respecta a los vehículos eléctricos, el motor de reluctancia variable debido a su bajo coste de fabricación, su simplicidad en construcción y su robustez, está empezando a ser considerado como un motor con potencial. Resumiendo, las características principales de este tipo de motores son: - Larga vida. - Velocidad de respuesta elevada (<1ms). - Posicionamiento dinámico preciso. - Reinicialización a una posición preestablecida. - Frecuencia de trabajo variable. - Funcionamiento sincrónico bidireccional. - Sincronismo unidireccional en régimen de sobrevelocidad. - Carencia de escobillas. - Insensibilidad al choque en régimen dinámico, a la regulación de la fuente de alimentación. Los inconvenientes principales que presentan y que afectan a su uso masivo en la automoción son: - Necesidad de un sistema de detección de posición. - Rizado en el par que presenta. 65 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. - Bajo factor de potencia. Motores CA síncronos de imanes permanentes. Los motores de imanes permanentes son motores eléctricos de corriente alterna cuyo funcionamiento se basa en imanes permanentes situados en el rotor. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Son llamados así porque la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético del estator son iguales, y se usan en máquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante. Convencionalmente se ha utilizado en aplicaciones de generación de energía eléctrica, aunque hoy también se usa cada vez más como motor, debido a que tiene una mayor densidad de potencia y mejor rendimiento que las máquinas asíncronas Las ventajas son: - Mayor rendimiento - Menor mantenimiento. - Son máquinas con arranque muy suave. - Pueden alcanzar grandes velocidades. - Mejoran bastante el factor de potencia. Y los principales inconvenientes: - Tendencia a la desmagnetización. - No se pueden modificar las características de la máquina. - Son caros. Para el problema de la desmagnetización, los motores poseen un damper que protege los imanes de esta durante los transitorios asociados en el arranque, y además amortigua las oscilaciones pendulares. Los imanes permanentes que utilizan pueden ser de distintos materiales, que se eligen en función de la energía magnética requerida, la temperatura de operación, el peso, el tamaño y el coste. Estos imanes son: - Imanes de NdFeB (Neodimio, hierro, Boro). - Imanes de Alnico (Aluminio-Niquel-Cobalto). - Imanes de SmCo (Samario Cobalto). - Imanes cerámicos (Ferrita dura). - Imanes para aplicaciones a motores y generadores. - Imanes para aplicaciones en sensores y transductores. Los motores síncronos de imanes permanentes pueden adoptar una forma cilíndrica con un bajo diámetro y gran longitud (cilinder rotor), siendo llamados motores de flujo radial, o 66 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. pueden tener un rotor en forma de disco más liviano, rotor de disco (disk rotor), pasando a llamarse motores de flujo axial, de los que hablaremos a continuación. En ambos casos el resultado es un bajo momento de inercia y una constante de tiempo mecánica baja. Motores CA flujo axial. Este tipo de motores síncronos de imanes permanentes tiene la gran ventaja de poder ser montados dentro de la rueda del vehículo. Por ello también se les conoce como motores rueda. Esta disposición permite la optimización del espacio en el vehículo y la simplificación de los acoplamientos mecánicos entre el motor y la rueda. Tienen una gran densidad de par, pero también tienen un gran inconveniente, los esfuerzos radiales y las inercias rotacionales debido a su forma y disposición. Aplicaciones y ventajas de los motores CA. Debido al fácil manejo, transmisión, distribución y transformación de la corriente de la corriente alterna, los motores de CA son con los que más desarrollo tecnológico se ha conseguido, llegando a rendimientos superiores al 95%. Las principales ventajas y características de cada uno de los motores de corriente alterna se pueden resumir en: - MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN: Muy experimentado industrialmente por ser el más económico, robusto y con bajo mantenimiento. Factor de potencia bajo. - MOTORES DE RELUCTANCIA CONMUTADA: Sencillos y robustos, pero necesitan sensores especiales para detectar la posición del rotor. Par pulsante. - MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES: Mayor densidad de potencia, más reducido en volumen y peso. Factor de potencia alto, pero por el contrario es una máquina de mayor coste, menos robusta y menos experimentada (desmagnetización imanes). - MOTORES DE FLUJO AXIAL: Son un tipo de MSIP adecuados para ser integrados en la rueda. Las aplicaciones de estos son de lo más diversas. Desde la propia generación de energía con aerogeneradores, hasta el sector que nos afecta en este trabajo, la automoción. 67 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Vehículos eléctricos y sus motores. Todos los motores eléctricos antes explicados se utilizan en la industria del automóvil, pero como se puede ver en la siguiente tabla actualmente hay un tipo que predomina. Figura 30. Vehículos eléctricos y sus motores. Como ya se había mencionado en apartados anteriores, y se puede ver en la tabla, el tipo de motor dominante en el mercado de vehículos eléctricos e híbridos es el motor de corriente alterna síncrono de imanes permanentes. Recordemos que sus principales ventajas son una elevada densidad de potencia con un volumen y peso reducidos. Estas características son muy importantes en el mundo de la automoción, sobre todo peso, que en todos los vehículos eléctricos es el factor determinante que nos permite jugar con el peso añadido de las baterías y por tanto su capacidad. Se aprecia como para potencias comprendidas entre los 60 kW y los 111 kW, este tipo de motor es el dominador claro. Existe la excepción del motor utilizado para el Think city, un motor CA asíncrono con 30 kW de potencia, que seguramente sea debido a la filosofía de esta marca de hacer un eléctrico más asequible y también su reducidísimo volumen, a lo que contribuye este tipo de motor. 68 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. El Tesla roadster también se decanta por este tipo de motor pero con la potencia más alta montada en un vehículo eléctrico hasta la fecha. La elección del motor CA asíncrono en este vehículo seguramente sea debida a otras dos ventajas también muy importantes además del reducido volumen (que seguramente sea la causa principal al tratarse de un vehículo de reducidas dimensiones), el bajo mantenimiento (menor que cualquier otro motor eléctrico) y sobre todo al reducido peso (importantísimo en este coche ya que cuenta con 400 kg de baterías). Por último tenemos el Honda Insight, que al tratarse de un híbrido en paralelo sin toma de recarga, utiliza un motor CC sin escobillas y de muy baja potencia, 10 kW, seguramente debido a su mayor fiabilidad. Comparación motores eléctricos frente a los de combustión. Todo este cambio que se está viviendo en la actualidad en la industria del automóvil con el paso de los vehículos de combustión, primero a los híbridos y luego a los eléctricos puros, viene fundamentalmente motivado por el fuerte incremento de los precios del combustible y la crisis mundial, que ha provocado que se busque maximizar la eficiencia de todo vehículo, y el paso del motor de combustión al motor eléctrico puedes ser la clave. Ventajas e inconvenientes de los motores eléctricos. De los motores eléctricos ya hemos hablado largo y tendido a lo largo de todo este apartado. Aquí se mencionaran las ventajas e inconvenientes principales frente a los motores tradicionalmente usados en la industria de la automoción. En principio, cualquier motor eléctrico puede actuar como generador, al contrario que los motores de combustión que como sabemos no existe aquel que aspire los gases de escape durante los frenados y descensos, y los convierta en combustible y aire fresco. El motor eléctrico puede ofrecer esto, producir electricidad actuando como generador durante los descensos y procesos de frenado. Además de esta, las ventajas que tienen los motores eléctricos son muchas: - La ausencia de emisión de gases contaminantes a escala local (Si se producen gases en la producción de energía eléctrica). - El funcionamiento silencioso y sin vibraciones. - La posibilidad de usar energía eléctrica solo a partir de renovables (energía eólica y energía solar). - La mayoría de los motores eléctricos puede ofrecer potencias mayores a la nominal por tiempos cortos. - Los motores eléctricos no consumen cuando el vehículo está parado (además de lo ya mencionado, que permiten aprovechar la energía que se pierde normalmente en los frenados y descensos). - Rendimientos máximos muy elevados, en torno al 90-95%, incluso más (el rendimiento medio depende del tipo de uso, pero podría estar alrededor del 80-85%). 69 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. - Par constante durante gran parte de la curva de par, lo que hace que la potencia este disponible desde el arranque, no dependiendo de la potencia acumulada del giro del motor como ocurre en un motor de combustión. Figura 31. Curvas de par y potencia. - La potencia del motor se transmite con una sola marcha directamente a las ruedas, haciendo innecesaria la transmisión de varias velocidades, y aumentando el rendimiento en más del 8% al evitar la pérdida por rozamiento. El motor eléctrico posee también una densidad de potencia mayor que un motor de combustión, lo que permite la producción e implantación de la misma potencia del motor en un espacio y peso más reducido. 76 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. de corriente eléctrica por un circuito externo. Los procesos elementales que trascurren son los siguientes: PbO2 + 2 H2SO4 + 2 e– → 2 H2O + PbSO4 + SO42– Pb + SO42– → PbSO4 + 2 e– En el proceso de carga, el sulfato de plomo (PbSO4) se reduce a plomo metal en el polo negativo (cátodo), mientras que en el ánodo se forma óxido de plomo (PbO2). Por lo tanto, se trata de un proceso de dismutación. No se libera hidrógeno, ya que la reducción de los protones a hidrógeno elemental está cinéticamente impedida en la superficie de plomo, característica favorable que se refuerza incorporando a los electrodos pequeñas cantidades de plata. El desprendimiento de hidrógeno provocaría la lenta degradación del electrodo, ayudando a que se desmoronasen mecánicamente partes del mismo, alteraciones irreversibles que acortarían la duración del acumulador. Hay que mencionar que en la descarga, la concentración del ácido sulfúrico, porque se crea sulfato de plomo (PbSO4) y aumenta la cantidad de agua liberada en la reacción. Como el ácido sulfúrico concentrado tiene una densidad superior a la del ácido sulfúrico diluido, la densidad del ácido puede servir de indicador para el estado de carga del dispositivo. Como sucede en todos los tipos de batería, el proceso carga-descarga no puede ser repetido infinitamente. Esto se debe a que durante el proceso, los electrodos pierden parte del material debido a que el sulfato de plomo (PbSO4) forma cristales y ya no responden bien a los procesos indicados. Se dice entonces que la batería se ha sulfatado y es necesario sustituirla por otra nueva. Actualmente existen varios tipos de baterías de plomo-ácido en las que el electrolito no es líquido sino un gel: Selladas de plomo-ácido: Durante la década de los 1970, los investigadores desarrollaron una batería de plomo-ácido libre de mantenimiento que puede funcionar en cualquier posición. El electrolito líquido es gelificado en separadores humedecido y sellado. Las válvulas de seguridad permiten la ventilación durante la carga, descarga y cambios de presión atmosférica. Surgieron dos sistemas de plomo-ácido: La batería sellada de plomoácido pequeña (SLA), también conocido bajo el nombre de Gelcell, y la más grande con válvula regulada de plomo-ácido (VRLA). Con separador de vidrio absorbente (AGM): La AGM es un nuevo tipo de baterías selladas de plomo-ácido que utiliza esteras de vidrio de absorción entre las placas. Está sellada, libre de mantenimiento y las placas están rígidamente montadas para resistir grandes choques y vibraciones. Casi todas las baterías AGM son recombinantes, lo que significa que pueden recombinarse con el 99% del oxígeno y el hidrógeno. Casi no hay pérdida de agua. Dependiendo de la profundidad de la descarga y la temperatura de funcionamiento, las baterías selladas de plomo-ácido proporcionan 200 y 1000 ciclos de descarga/carga. La razón principal de su ciclo de vida relativamente corto es la corrosión de la rejilla del electrodo positivo, el agotamiento de la materia activa y la expansión de las placas positivas. Estos 77 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. cambios son más frecuentes a temperaturas de funcionamiento más elevados. La recarga cíclica no previene o revierte la tendencia. La batería de plomo-ácido tiene una de las densidades de energía más bajas, en torno a los 30 Wh/kg (Recordemos que la gasolina rondaba los 12.000 Wh/kg). Además, el rendimiento a bajas temperaturas es marginal, y hay que tener muy en cuenta que el alto contenido de plomo hace que las baterías de plomo-ácido sean hostiles con el medio ambiente sino se procede con un adecuado tratamiento después de su vida útil. Por contra, la auto-descarga es de aproximadamente 40% por año, una de las mejores en las baterías recargables. Resumiendo sus ventajas y desventajas: Ventajas. - Bajo coste y fácil de fabricación. - Maduras y fiables. - La auto-descarga se encuentra entre las más bajas de los sistemas de baterías recargables. - Capaces de altas las tasas de descarga. Desventajas. - Densidad de energía baja, en torno a 30 Wh/kg. - No admiten sobrecargas ni descargas profundas, viendo seriamente disminuida su vida útil (El voltaje de la célula no debe caer por debajo de 2.10V). - Permite sólo un número limitado de ciclos de descarga completa, que es adecuado para aplicaciones de espera que requieren descargas profundas sólo ocasionalmente. - Altamente contaminantes (El contenido de plomo y el electrolito de la batería hostiles para el medio ambiente). - Peso excesivo, al estar compuesta principalmente de plomo. Entrando ya en su uso dentro de la industria del automóvil, estas fueron las baterías que montaban las primeras series del Impact (EV-1) y con ellas ya se lograban más de 100 Km de autonomía. Hoy en día están obsoletas para estos fines, aunque algunos coches eléctricos “asequibles” como el Reva (en algunas versiones) continúan usándolas. En definitiva, estas baterías tienen un uso prácticamente residual en los vehículos eléctricos, teniendo como principales usos la maquinaria industrial y las en los vehículos de combustión interna las baterías auxiliares. Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd). Estas baterías utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esta configuración de materiales permite recargar la batería una vez está agotada, para su reutilización. La reacción química es: 78 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Carga: Cd + 2Ni OH + 2H2O <==> Descarga: Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 Su densidad de energía, al igual que la de plomo-ácido, es muy baja, de tan sólo 60 Wh/kg. Admiten sobrecargas, se pueden seguir cargando cuando ya no admiten mas carga, aunque no la almacena. Admiten un gran rango de temperaturas de funcionamiento. Cada vez se usan menos (a favor de la NiMH), debido a su efecto memoria y al cadmio (que es muy contaminante). Sin embargo, poseen algunas ventajas sobre el NiMH, como por ejemplo los ciclos de vida que oscilan entre los 1.000 y 1.500 ciclos. En condiciones estándar dan un potencial de 1,3 V (Tensión de trabajo nominal 1,2). Estas baterías se pueden almacenar casi indefinidamente en cualquier estado de carga a una temperatura entre – 40ºC y +50ºC. Las baterías parcial o totalmente cargadas pierden gradualmente su carga. Esta descarga es mayor cuanto mayor es la temperatura. Ventajas. - Son mucho más robustas en construcción y por tanto menos propensas que las baterías normales a perder el electrolito. - Tienen una resistencia interna extremadamente baja, lo que permite asociar varios elementos en serie. - Mantienen la tensión prácticamente constante durante casi el 90% del ciclo de descarga, lo que facilita su uso en ciertas aplicaciones. Desventajas. - Densidad de energía baja, en torno a 60 Wh/kg. - Debido a su bajísima impedancia interna no se pueden cargar a tensión constante ya que se generarían corrientes muy elevadas produciendo un sobrecalentamiento y su destrucción. - Efecto memoria muy alto. Esto significa que no puede volver a cargarse el acumulador hasta que este no se haya agotado por completo. De no hacerlo así sus prestaciones se resentirán. - El cadmio es muy contaminante. - Media-Alta vida, entre 500 y 1500 ciclos de carga-descarga. Debido a sus puntos desfavorables, los ciclos de carga-descarga y la baja densidad energética, no son muy interesantes para los vehículos eléctricos. En la actualidad no existen vehículos eléctricos que utilicen este tipo de baterías, pero en la década de los 80 Peugeot se atrevió con un par de modelos adaptados, un 205 eléctrico y una furgoneta J5 eléctrica. Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-Mh). Una batería de níquel-hidruro metálico (Ni-MH) es un tipo de batería recargable que utiliza un ánodo de oxidróxido de níquel (NiOOH), pero su cátodo es de una aleación de hidruro metálico. Esto permite eliminar el costoso (y medioambientalmente peligroso) cadmio a la vez que se beneficia de una mayor capacidad de carga (entre dos y tres veces la de una pila 79 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. de NiCd del mismo tamaño y peso) y un menor efecto memoria. Por contra, presentan una mayor tasa de autodescarga que las de NiCd (un 30% mensual frente a un 20%). La reacción ocurrida en el electrodo negativo es: Mientras que en el electrodo positivo: No admiten bien el frío extremo, reduciendo drásticamente la potencia eficaz que puede entregar. Cada célula de Ni-MH puede proporcionar un voltaje de 1,2 voltios y una capacidad entre 0,8 y 2,9 amperio-hora. Su densidad de energía llega a los 80 Wh/kg. Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria, en el que en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada), imposibilitando el uso de toda su energía. Los ciclos de carga de estas baterías oscilan entre 500 y 700, y uno de sus inconvenientes principales son las "altas" temperaturas que pueden alcanzar durante el periodo de carga y también durante su uso. La tecnología NiMH se utiliza ampliamente en baterías recargables para electrónica de consumo. Son muy útiles en esta porque sus electrodos se pueden soldar sin problemas. En el mundo de la automoción, han sido utilizadas en vehículos eléctricos como el General Motors EV1, Honda EV Plus, Ford Ranger EV y el scooter Vectrix. Actualmente se usan en la gama de vehículos híbridos más conocida como son el Toyota Prius, y Honda Insight. También en las versiones híbridas de los Ford Escape, Chevrolet Malibu y Honda Civic Hybrid. Baterías metal-aire. Otro tipo de baterías también utilizadas en el mundo de los vehículos eléctricos son las que cuentan con un ánodo metálico y electrolitos basado en agua (una disolución de potasa). En ellas el oxígeno del ambiente se introduce a través de un electrodo poroso de “aire” (- cátodo) y produce iones de hidroxilo al contactar con el electrolito. Estos iones alcanzan al ánodo y empiezan a oxidar el metal, una reacción que produce una corriente a través de la liberación de electrones. Dentro de estas baterías podemos encontrarnos con las baterías Zinc-aire y las baterías Aluminio-aire. Las de zinc-aire puede llegar a tener una capacidad de hasta 350 Wh/kg, y las aluminio-aire almacenan alcanzan los 1.300 Wh/kg. Las Baterías de aluminio-aire no han tenido una gran aceptación comercial, pero su pequeñísimo peso y su gran densidad energética potencial han hecho que se acometan 80 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. estudios en esta área, tales como prolongar la vida de esta pila entre otros, o conseguir recargarlas. Pero como toda case de baterías tienen sus inconvenientes, y son que como ocurre con cualquier solución acuosa, el agua en el electrolito se puede evaporar, causando que las baterías fallen de forma prematura. El agua también posee una ventana electroquímica relativamente baja, lo que significa que se empieza a descomponer cuando la célula excede los 1,23 voltios. Además también tienen problemas de corrosión y estabilidad, y aunque se van haciendo avances en solucionar esta problemática, no suficientes como para hallar aplicaciones comerciales. Su precio de fabricación aún es elevado, por lo que las únicas aplicaciones existentes son las militares, donde los costes no tienen tanta importancia. Baterías de sal fundida. Este tipo de baterías, que pueden ser tanto primarias como secundarías, son llamadas activas ya que necesitan un aporte externo para funcionar, a diferencia de los sistemas pasivos (Baterías de litio, Ni-MH, metal-aire, Ni-Cd, plomo-ácido,…) que una vez han sido cargados, pueden proporcionar energía sin aporte externo. Son conocidas como baterías térmicas y tienen su electrolito como característica diferenciadora. Este es sólido e inactivo a temperatura ambiente, lo cual impide su carga o descarga en frío, pero sin embargo a altas temperaturas el electrolito se licua y puede reaccionar químicamente para dar o recibir electricidad. Usan sal fundida como electrolito y ofrecen una densidad energética elevada debido a la mayor variedad y diferencia de potencial eléctrico de los electrodos. También tienen una alta potencia específica, gracias a la mayor conductividad iónica de la sal fundida. Estas características las hacen muy prometedoras para la propulsión de vehículos eléctricos. Sin embargo, tienen problemas de seguridad e inflamabilidad por sus elevadas temperaturas de trabajo (400 a 700 °C), y necesitan, por tanto, materiales estructurales de la batería con características muy especiales. Cabe decir que algunos diseños más modernos operan a temperaturas un poco más bajas, de 270 a 350 °C. En estas baterías el electrolito se inmoviliza cuando se ha fundido, gracias a un sello especial de óxido de magnesio, que se mantiene en su lugar por capilaridad. Esta mezcla pulverulenta se comprime en "pellets" para formar un separador entre el ánodo y el cátodo de cada célula dentro del vaso de la batería. Mientras el electrolito (sal) permanece sólido, la batería queda inerte y permanece inactiva. Cada celda contiene también una "fuente de calor pirotécnica" que se utiliza para calentar la celdilla hasta la temperatura teórica de funcionamiento, de entre 400 y 550 °C. Estas baterías tienen una serie de ventajas: 81 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. - A temperatura ambiente no se encuentran activada, y esto tiene el doble beneficio de impedir el deterioro de los materiales activos durante el almacenaje y al mismo tiempo, elimina la pérdida de capacidad debida a la autodescarga hasta que la batería se pone en funcionamiento. - Pueden ser por tanto almacenados indefinidamente (hasta 50 años). - Una vez activada la batería, suministra una Intensidad mínima que varía desde una muy grande durante pocos segundos (o décimas de segundo) hasta una duración en usos típicos de 60 minutos o más. Dentro de estas baterías existen varios tipos. Las baterías Na-S, y Litio-S comprenden dos de los sistemas más avanzados de baterías de sal triturada. La batería Na-S ha alcanzado un estado de desarrollo más importante que su correspondiente de litio. Esta tiene mayor interés ya que emplea materiales para los electrodos que son más abundantes y baratos. Una de las problemáticas de estas baterías es la corrosión de los aislantes. Los electrodos gradualmente se volvían conductores y su ratio de autodescarga aumentaba. Otro problema añadido fue el crecimiento dendrítico del sodio en las baterías Na-S, lo cual llevó al desarrollo de la Batería ZEBRA. - Baterías ZEBRA. Esta batería fue inventada en 1985 por el grupo “Zeolite Battery Research Africa Project” (liderado por Johan Coetzer), de donde proviene su nombre, ZEBRA; y su desarrollo continuó hasta el año 2009. Su nombre técnico es "Batería de Na-NiCl2", y se trata de un tipo de baterías secundaria, dentro de las baterías de sal fundida, que opera a una temperatura más reducida, entre 250 °C y 360 °C, y utiliza cloroaluminato de sodio triturado (NaAlCl4), que tiene un punto de fusión de 157 °C, como electrolito. El electrodo negativo es sodio triturado y el electrodo positivo es níquel cuando está la batería descargada, y cloruro de níquel cuando está cargada. Debido a que el níquel y el cloruro de níquel son prácticamente insolubles en soluciones neutras y básicas, es posible el contacto íntimo entre electrolito y electrodos, lo cual conlleva una muy pequeña resistencia a la transferencia de cargas. Se necesita un separador de betaalúmina en forma cerámica, dado que tanto el sodio como el cloroaluminato son líquidos a la temperatura de trabajo. La batería ZEBRA tiene unas características interesantes de energía y potencia (90 Wh/kg y 150 W/kg). Sus ventajas son por tanto: - Operar a una temperatura menor que sus hermanas (entre 250 °C y 360 °C). - El electrolito de beta-alúmina que ha sido desarrollado para este sistema es muy estable. - Los elementos primarios usados en la fabricación de la batería ZEBRA (sodio, cloro y aluminio) tienen una disponibilidad mundial y unas reservas totales mucho más grandes que los de las baterías de litio ion. 82 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. - Pueden alcanzar hasta los 3000 ciclos de carga-descarga y 8 años de vida. También tiene alguna que otra desventaja, como que si se apagan (si no están en un proceso de carga o descarga) y se permite que se solidifique, estas baterías se deben recalentar durante un período de incluso dos días para que se alcance la temperatura y se proporcionen plena carga. Este tiempo de recalentamiento varía dependiendo del estado de carga de la batería, cuando fue desconectada, la temperatura inicial y, por supuesto, la potencia utilizada para el recalentamiento. Después de una completa desconexión de la batería, una batería completamente cargada suele tardar tres días en enfriarse y solidificar. Estas baterías han sido usadas en varios vehículos como por ejemplo, la furgoneta eléctrica Modec, que usa baterías ZEBRA en el modelo de 2007, o el Think City. Baterías de litio. Aunque parezcan una tecnología reciente, en el mundo de las baterías se empezó a trabajar con las bases de litio en el año 1912, aunque no fue hasta los años 70 que vieron la luz los primeros modelos no recargables. Ya en los 90 se introdujeron iones de litio para mejorar la estabilidad y así aparecieron los primeros modelos de baterías recargables que se han popularizando hasta llegar a nuestros días. Hoy en día la mayoría de aparatos electrónicos que utilizan baterías, utilizan baterías de ión litio. En los primeros prototipos de baterías de litio, el electrodo positivo (cátodo) era normalmente un óxido o sulfuro metálico con la capacidad de intercalar y desintercalar iones litio en los procesos de descarga y carga de la batería de un modo reversible; el electrodo negativo (ánodo) en estos primeros sistemas estaba constituido por litio metálico que debía sufrir procesos igualmente reversibles de disolución durante la descarga y deposición durante la recarga. Para llegar a ser realmente aplicables las baterías de litio han tenido que superar inconvenientes, algunos de ellos graves. El más serio obstáculo para la comercialización de baterías de litio recargables se derivó precisamente de la gran reactividad del litio metálico que podría representar problemas de seguridad; el uso del metal como ánodo se vio asociado a problemas de crecimiento dendrítico del litio durante los procesos de recarga continuados. Este comportamiento llegó a ser causa de problemas de funcionamiento y seguridad. Afortunadamente estos problemas se resolvieron de forma totalmente satisfactoria con la introducción de dos variantes dentro de esta tecnología: las baterías de "ion-litio", y el desarrollo de electrolitos poliméricos plásticos menos reactivos que sus análogos líquidos. -Baterías de iones de litio. En las baterías de ion-litio el ánodo no está formado por litio metálico sino por otro material mucho más seguro, como por ejemplo el grafito, capaz de intercalar (o almacenar) iones de litio en una forma menos reactiva que la del litio metálico, sin un notable detrimento de su densidad energética. DURANTE LA DESCARGA: Los iones litio cambian espontáneamente del electrodo negativo al electrolito y de éste al electrodo positivo. El electrolito permite el paso de iones pero no de electrones. Al mismo tiempo, los electrones fluyen espontáneamente del electrodo negativo al 83 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. positivo a través del único camino que les dejamos libre: a través de nuestro circuito eléctrico. A medida que avanza la descarga, el potencial de cada electrodo cambia de forma que su diferencia disminuye y cae por tanto el voltaje de la celda a medida que sacamos carga eléctrica de la batería. DURANTE LA CARGA: Bombeamos electrones en el electrodo negativo y los extraemos del positivo. Hacemos por tanto el electrodo negativo más negativo y el positivo más positivo y aumentamos así la diferencia de potencial entre ellos, o, lo que es lo mismo, el voltaje de la celda. Este proceso fuerza también a los iones litio a salir del electrodo positivo y a intercalarse en el negativo. Las ventajas de esta tecnología son: - Una elevada densidad de energía: Hasta 150 Wh/kg. - Poco espesor. Se pueden presentan en placas rectangulares, con menos de 5 mm de espesor. Esto las hace especialmente interesantes para integrarlas en dispositivos portátiles que deben tener poco espesor. - Alto voltaje por célula. Cada batería proporciona 3,7 voltios, lo mismo que tres baterías de Ni-MH o Ni-Cd (1,2 V cada una). - Carecen de efecto memoria. - Descarga lineal. Durante toda la descarga, el voltaje de la batería varía poco, lo que evita la necesidad de circuitos reguladores - Larga vida en las baterías profesionales para vehículos eléctricos. Mas de 3000 ciclos de carga/descarga. - Facilidad para saber la carga que almacenan. Basta con medir, en reposo, el voltaje de la batería. La energía almacenada es una función del voltaje medido. - Muy baja tasa de autodescarga. Menos de un 6% mensual. Mucha de ellas, tras seis meses en reposo, pueden retener un 80% de su carga. A su vez también muestran una serie de desventajas muy a tener en cuenta: - Coste elevado. Su fabricación es más costosa que las de Ni-Cd e igual que las de de Ni- MH, si bien actualmente el precio baja rápidamente debido a su gran penetración en el mercado, con el consiguiente abaratamiento.. - Pueden sobrecalentarse hasta el punto de explotar: Están fabricadas con materiales inflamables que las hace propensas a detonaciones o incendios, por lo que es necesario dotarlas de circuitos electrónicos que controlen en todo momento la temperatura de la batería. - Peor capacidad de trabajo en frío: Ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de Ni- Cd o Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta en un 25%. -Baterías de polímero de litio. Son una variación de las baterías de iones de litio. Sus características son muy similares, ero permiten una mayor densidad de energía, así como una tasa de descarga bastante superior. Estas baterías tienen un tamaño más reducido respecto a las de otros 84 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. componentes. Su tamaño y peso las hace muy útiles para equipos pequeños que requieran potencia y duración. Esta batería de polímero de litio es única en cuanto a que el electrolito sólido reemplaza un separador poroso, el gel es únicamente es añadido para mejorar la conductividad. Las ventajas de estas son: - Espesores mínimos. Pueden reducirse hasta grosores de 1 milímetro. - Pueden empaquetarse con cualquier forma. - Alta densidad de energía. Hasta 200 Wh/kg. - Poco peso. - Más seguras que las de Ion-Litio. - No necesitan de mantenimiento, sin efecto memoria. - Baja descarga durante su almacenamiento. - Son más inocuas para el medio ambiente. - Gran capacidad de descarga. Se pueden descargar totalmente en menos de dos minutos. Inconvenientes: - Requiere un circuito de seguridad para mantener los límites de voltaje máximo y mínimo. - Limitaciones en su transporte (compañías aéreas). - Precio superior a las baterías de Ion-Litio. - Tecnología en desarrollo. - Pueden explotar si se perforan. Vehículos eléctricos y sus baterías. En los vehículos convencionales se usan baterías de plomo-ácido, que no sirven para producir movimiento sino para los sistemas suplementarios del vehículo. Estas son de poca capacidad y reducido tamaño. En cambio en los vehículos eléctricos se necesitan baterías con gran capacidad para así poder tener una autonomía significativa. 85 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Figura 33. Vehículos eléctricos y sus baterías. En la mayoría de los eléctricos actuales, predominan las baterías de ión litio, que aunque su mayor problemática pueda ser su inestabilidad en determinadas situaciones y su elevado coste, ventajas como la alta densidad energética (150 Wh/kg) con respecto a los otros tipos de baterías, su bajo peso y la posibilidad de poder variar su forma hasta hacerlas finas placas, las hacen por el momento ganadoras indiscutibles del mercado. Como vemos también existen vehículos con baterías de Ni-MH, pero estas debido a su baja densidad energética, solo se han utilizado en vehículos híbridos no enchufables. Y las ZEBRA, que aunque se utilizan en el conocido Think City, tiene la gran desventaja de tener una elevada temperatura de funcionamiento. El gran problema de las baterías se refleja en la autonomía, ya que debido a su baja densidad energética en comparación con los combustibles, hace que para alcanzar una autonomía de solo 100 km necesitemos muchos kg de baterías, como veremos en el siguiente apartado. Comparación de las baterías frente a los depósitos de combustible (Estudio peso-autonomía). Esta comparativa consistirá en ver cuántos kg de combustible y baterías necesitamos para alcanzar una determinada autonomía. 92 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Figura 35. Gráfica peso-autonomía de baterías. Aquí es donde vemos claramente cuál es la batería más o menos ventajosa en cuanto a peso se refiere. La de plomo-ácido, como ya se ha dicho, es la que menos, pero existe una que destaca claramente por su alta densidad energética y su bajo peso, la batería de aluminio-aire. Esta tiene grandes problemas como su estabilidad, su alta corrosión interna y su elevado coste, que aunque como ya se dijo, se van haciendo avances, de momento no son suficientes para aplicaciones comerciales. 93 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. También se aprecia como las baterías de ión-litio no son las que mejor características de pesoautonomía tiene, y que se encuentran en una zona intermedia. Pero aún teniendo una peor relación que otros tipos de baterías, son las que mejor se adaptan a la industria del automóvil por tener menor número de problemas y algunas ventajas en su confección final. Comparándolas directamente con la gasolina y el gasóleo vemos cual es el problema actual de los vehículos eléctricos. Figura 36. Gráfica comparativa peso-autonomía de combustibles con baterías. Donde la gasolina y el gasóleo se superponen, teniendo valores similares, las baterías de ión litio disparan su peso en un orden cerca de 30 veces superior para la autonomía media que alcanzan los vehículo eléctricos actuales. Todo este pequeño estudio refleja lo que ya se sabía, que los vehículos eléctricos de hoy en día, adolecen de baterías con pobres relaciones peso-autonomía, lo que los hace ser un sector nuevo y muy específico dentro de la automoción. Y aunque existen tecnologías muy prometedoras, hasta que estas no resuelvan todos sus problemas (estabilidad, densidad energética y sobre todo coste) no se podrán considerar al vehículo eléctrico puro como un competidor directo del vehículo de combustión interna. ANEXO 4: SISTEMAS DE RECARGA Y CONECTORES 97 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. ANEXO 4: Sistemas de recarga y conectores. Así como los vehículos de combustión interna utilizan gasolineras para repostar y llenar sus depósitos de combustible, el vehículo eléctrico tiene el problema de no contar con una red de sitios a nivel nacional donde recargar sus baterías a día de hoy. Existen postes de carga instalados y que ya en funcionamiento en nuestras ciudades, cerca de 500. Estos son normalmente monofásicos, aunque ya empieza a haber postes trifásicos colocados por Endesa con 22 kW y 32 A. El primer poste de carga rápida que instalado en Barcelona llega a una potencia de 50 kW, por lo que el tiempo estimado de la recarga total de la batería antes citada de 16 kWh sería de unos 20 minutos. Existen otros proyectos en España para la instalación de electrolineras: - Valladolid y Palencia son las elegidas para iniciar la colocación de las electrolineras en un proyecto de Castilla y León, que se extenderán hasta el 2015 a los 20 municipios con mayor población de la comunidad. - Salamanca, León y Burgos serán las siguientes capitales en contar con estos puntos de recarga, colocando uno cada 10.000 habitantes, aproximadamente. En toda la Comunidad se instalarán 300 puntos de recarga en la vía pública. - El proyecto Movele lleva instalados mas 200 puntos de recarga en 83 localizaciones de 37 ciudades, aunque su objetivo inicial era llegar a los 500 puntos. - En 17 localidades españolas, entre las que se encuentran Sevilla, Málaga, Cádiz, Madrid, Alicante, Asturias, Valencia, Vizcaya, Vigo, Pontevedra y Barcelona, tienen previsto instalar en 19 centros comerciales gestionados por la multinacional de servicios inmobiliarios Jones Lang LaSalle, puntos de recarga para usuarios con vehículos eléctricos. Para consultar todos los puntos de recarga instalados a nivel nacional, se puede acudir a la siguiente web: http://www.precio-gasolina.com/electrolineras Cuando se extiendan por el mercado los vehículos eléctricos, y sobre todo de vehículos híbridos enchufables, estos puntos se irán expandiendo a lo largo de toda la geografía española, aunque actualmente la realidad sea que la mayoría de los ciudadanos desconoces de su existencia y ubicación, y en muchas ciudades aún no ha sido instalado ni uno solo de estos puntos. Otro punto sobre el que también hay que hablar cuando se habla sobre cargadores y tomas de carga es la problemática actual de la completa inexistencia de estándares de carga, tanto en sistemas de recarga como en sus conectores y enchufes. Actualmente se usan distintos estándares para la recarga de los vehículos eléctricos enchufables, lo que se traduce en una fragmentación del mercado para este tipo de vehículos. 98 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Contar con un sistema de recarga universal facilitaría el desarrollo de iniciativas privadas relacionadas con el soporte técnico o de carga a coches eléctricos. La estandarización reducirá la complejidad de instalación para los fabricantes, acelerará el proceso de implantación de sistemas comunes y mejorará la satisfacción de uso de los conductores de vehículos eléctricos. Sistema de recarga SAE J1772. El sistema de recarga SAE J1772, fue desarrollado por el proveedor Yazaki, y es uno de eso sistemas de conexión que podría transformarse en el enchufe universal. En el año 2009 fue apoyado por Volkswagen, BMW, Tiat, Chrysler, Ford, Toyota, Honda, Nissan, Mitsubishi, Tesla y General Motors, que confirmó que el Chevrolet Volt incluirá este sistema de carga. El sistema en realidad es un compendio de los distintos sistemas de carga de las marcas. Este integra todas las posibilidades de carga en un solo conector, lo que posibilitará que los coches que tengan este tipo de entrada compartan estaciones de carga. Es especialmente cuidadoso con la transmisión de electricidad para evitar su gasto innecesario, así como con la seguridad de quien manipula el dispositivo, dos de las principales demandas de las marcas que apoyan su uso. El enchufe SAE J1772, con tres puntos de carga, permitirá la carga de cualquier vehículo que lo incluya en tomas de corriente de 120 y 240 voltios. El conector del SAE J1772 se basa en un enchufe diseñado por Yazaki, y permite un incremento de potencia de hasta 19’2 kW, suministrados vía corriente monofásica (120-240 V AC monofásica y hasta 80 A). Cuenta con un conector redondo de 43 mm de diámetro y tiene cinco pines. Soportará un canal de comunicaciones a través de la línea eléctrica para identificar al vehículo y controlar su carga, y ha sido diseñado para soportar hasta 10.000 ciclos de conexión/desconexión y exposición a cualquier clase de elementos. Con un ciclo normal de conexión/desconexión diario (una conexión al día), la vida promedio sería de unos 27 años. También ha sido diseñado para su uso con tomas de 200-450 voltios de DC (200 A y 90 kW), que permitirá reducir el tiempo de recarga desde las horas necesarias con un enchufe convencional a sólo unos minutos. Sistema de recarga CHAdeMO. Otro sistema de recarga utilizado por marcas japonesas es el sistema CHAdeMO. Este es su nombre comercial, y se trata de un método de carga rápida para vehículos eléctricos de batería, que ofrece hasta 62’5 kW de potencia a través de un conector eléctrico especial. Ha sido propuesto como otro sistema estándar para la industria mundial de vehículos eléctricos por la asociación que lleva el mismo nombre. CHAdeMO es una abreviatura de "CHArge de MOve", lo que traducido significa "Cargue para moverse”. También es un juego de palabras en japonés “O cha demo de ikaga desuka” que significa "¿Qué tal un poco de té?" refiriéndose a hacer algo rápido mientras el vehículo se carga. 99 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. La alianza para este conecto fue formada por las empresas, Energía eléctrica de Tokio (TEPCO), Nissan, Mitsubishi y Fuji (fabricante de Subaru). Más tarde se unió Toyota. Las especificaciones de este sistema son: - Tipo de corriente: Corriente continua (DC o CC) - Máxima potencia de salida DC: 62’5 kW - Máxima tensión en bornes de salida: 600 V - Intensidad máxima: 100 A El enchufe de este sistema de carga esta especificado por la norma G105-1993 de JEVS (Japan Electric Vehicle Standard) del instituto de investigación de automóviles de Japón. Al igual que SAE J1772, el conector también incluye una conexión de datos para funciones tales como, un bloqueo de seguridad para evitar la activación de los conectores antes de que sea seguro, transmisión de los parámetros de la batería a la carga estación incluyendo cuándo dejar de carga, tensión, capacidad total de la batería, y como debe actuar la estación durante la carga. Todos esos datos que se necesitan para realizar correctamente el proceso de carga de la batería. El Nissan Leaf es un vehículo que utiliza los dos sistemas de recarga hasta ahora mencionados. Para la recarga estándar el SAE J1772 y para la carga rápida el CHAdeMO. Sistema de recarga EV Plug Alliance. La EV Plug Alliance se formó en marzo de 2010 por 28 compañías eléctricas de Francia e Italia. Estas proponen un enchufe derivado de los conectores SCAME que se usan en vehículos eléctricos ligeros. Este conector es capaz de proporcionar carga trifásica a una intensidad de hasta 32 A. Al estar limitado el enchufe a 32 A, le permite ser el más barato de todos los sistemas en cuanto a costes de instalación. Además, por sus características, sería la mejor opción para la toma de pared o de caja de los postes de carga. Las características de este sistema son: - 7 pines: L1, L2, L3, N, PE, CP, PP - Conexión mono (12’8 kW) o trifásica (22 kW) con el mismo conector. - Grado de protección IPXXB: toma con bloqueo de la clavija y la tapa de la toma que imposibilita el acceso a las partes en tensión. - Máxima potencia de salida máxima AC: 22 kW - Máxima tensión en bornes de salida: 100 V a 500 V - Intensidad máxima: 32 A Sistema de recarga Mennekes (VDE-AR-E 2623-2-2). Por último el sistema Mennekes que ha sido la elección reciente (septiembre de 2011) de la Asociación Europea de Constructores de Automóviles (ACEA). Esta asociación ha acordado presentar un conjunto de recomendaciones para estandarizar la carga de los vehículos eléctricos. La propuesta permitiría el uso de un único enchufe, independientemente 100 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. del país, fabricante o compañía eléctrica, y el estándar elegido ha sido el sistema de recarga Mennekes. La elección se ha debido en gran parte a que este sistema puede realizar tanto recarga lenta como rápida en corriente continua (CC) o en alterna (CA), por lo que puede combinar en un único enchufe la recarga estándar en CA y recarga rápida, tanto en CA y CC. Esto garantiza la interoperabilidad en la UE y cumplir todos los requisitos de la norma ISO/IEC de seguridad. Las características de este sistema son: - 7 pines: L1, L2, L3, N, PE, CP, PP - Conexión mono o trifásica con el mismo conector. - Grado de protección IPXXB según la Norma IEC 61851-1, es posible acceder a las partes en tensión de la toma por lo que hay que implantar un seleccionador aguas arriba AC22, que bloquea la clavija pero no la tapa de la toma. - Máxima potencia de salida AC: 43’5 kW - Máxima tensión en bornes de salida: 100 V a 500 V - Intensidad máxima: 62 A Como se especifica arriba, este sistema es capaz de ofrecer potencias desde los 3 kW (16 A en una sola fase, recarga estándar) a los 43 kW (62 A en trifásica, recarga rápida). Además otros de los motivos principales de su elección frente al sistema CHAdeMO (que puede ofrecer potencias superiores de hasta 62’5 kW), ha sido el coste de instalación de los puntos de recarga, que en el caso CHAdeMO puede llegar a ser hasta 10 veces superior que el del sistema Mennekes (se estiman los costes en unos 2000 € por punto de carga). Sistema de cambio rápido de baterías (o sistema QuickDrop de Renault). Otro método considerado dentro de los sistemas de “recarga” para los vehículos eléctricos, y que evitaría la problemática de los conectores (aunque introduciría otras), es el sistema de cambio rápido de batería, como por ejemplo el QuickDrop de Renault. En este sistema la batería va colocada en el coche de modo que se puede quitar y poner desde debajo, con un sistema automatizado, en unos tres minutos de tiempo. Este cambio se haría en electrolineras (Ya existe una marca registrada para este tipo de electrolineras, las llamadas Better Place). El proceso sería tan sencillo como entrar con tu coche y la batería descargada en la electrolinera, realizar el cambio en tres minutos, y salir con tu batería completamente cargada teniendo para otros tantos kilómetros de autonomía mas (la que te proporcionen tus baterías). Para utilizar el sistema de cambio de batería, el propietario, en lugar de comprar la batería junto con el coche, paga una cuota mensual por su uso y mantenimiento. Esta mensualidad depende del número de kilómetros anuales que haga el coche. Además de poder cambiarla tantas veces le sea necesario en una electrolinera, el fabricante se hará cargo de sustituir la 101 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. batería del coche cuando esta llegue al final de su vida útil, sin que el propietario tenga que pagar por una nueva. Esta es la opción por la que apuesta Renault. Supone una ventaja muy interesante ya que el precio de compra del coche eléctrico se reduce notablemente respecto a uno similar con la batería en propiedad. La batería de iones de litio de un coche eléctrico, a día de hoy, puede costar entre 8.000 y 12.000 euros (según el modelo). Es lo más caro del coche. A pesar de sus beneficios, son demasiadas las sombras que se ciernen sobre este formato de recarga. Este se ve empañado por suponer un sistema cerrado que obligará a los constructores a adaptar sus vehículos para ser compatibles con una tecnología propiedad de una sola empresa. Además está el tema del alquiler de las baterías, ya que los usuarios no serán propietarios de las mismas sino que estarán atados a un alquiler mensual, lo que seguro no gustará a mucha gente. Pero el peligro más importante que se ciernen sobre el sistema de cambio de baterías son los puntos de recarga rápida que no paran de extenderse, lo que permitirá a muchos usuarios recorrer distancias moderadas con una batería media. Además también están los sistemas de inducción que permiten recargar nuestras baterías incluso sin necesidad de detener el vehículo y de los que se hablará a continuación. Sistemas de recarga por inducción. La recarga por inducción es otro de los futuros sistemas de recarga de vehículos eléctricos. Este sistema es posible gracias a la transmisión de la electricidad por inducción electromagnética, un fenómeno descubierto por Michael Faraday en el siglo XIX. La inducción electromagnética es un fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m.) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Por ejemplo, si se mueve un imán permanente por el interior de las espiras de una bobina solenoide (A), formada por espiras de alambre de cobre, se genera de inmediato una fuerza electromotriz (f.e.m.), es decir, aparece una corriente eléctrica fluyendo por las espiras de la bobina, producida por la “inducción magnética” del imán en movimiento. Si al circuito de esa bobina (A) le conectamos una segunda bobina (B) a modo de carga eléctrica, la corriente al circular por esta otra bobina creará a su alrededor un “campo electromagnético”, capaz de inducir, a su vez, corriente eléctrica en una tercera bobina (C). Es decir, que el “campo magnético” del imán en movimiento produce “inducción magnética” en el enrollado de la bobina (B), mientras que el Figura 37. f.e.m. Figura 38. Inducción. 109 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. ANEXO 5: Estado actual de los vehículos eléctricos e híbridos enchufables. Actualmente en el mercado no existe una amplia gama de vehículos eléctricos e híbridos a la venta. La realidad es que son muy pocos los que realmente se pueden adquirir. Además no son vehículos para todo tipo de usos, ya que como veremos su autonomía, además de variar mucho en función de la forma de conducción, deja mucho que desear comparada con los gasolina o diesel de toda la vida. Para conocer los vehículos que actualmente, y en un futuro cercano, se van a vender, se puede acudir al catálogo MOVELE (proyecto piloto de MOVilidad ELEctrica) donde encontraremos información detallada sobre los mismo y la subvención del gobierno que se percibirá por la adquisición de uno de ellos (actualmente todas ayudas asignadas han sido eliminadas del catálogo). A continuación haremos un repaso a los vehículos del catálogo MOVELE que podemos encontrar a día de hoy o muy próximamente en el mercado. Think City. Se tratar del primer vehículo totalmente eléctrico puesto a la venta en nuestro país. Está diseñado para una movilidad urbana aunque tiene una velocidad punta de 120 km/h. Viendo sus características podríamos pensar que debido a su baja potencia, monta un motor de corriente continua, pero si nos fijamos en el voltaje de trabajo no daremos cuenta de que se trata de un pequeño motor de corriente alterna, que en este caso es un asíncrono de tres fases. Además cuenta con opciones de montar dos tipos de baterías de capacidades similares (ion-litio y níquel-sodio). Su precio supera los 25.000 euros con ayudas incluidas. Figura 42. Think City.  Vehículo Eléctrico (BEV).  Potencia eléctrica máxima: 30 kW.  Autonomía eléctrica: 160 km.  Peso: 1115 kg.  Capacidad batería: 65 Ah.  Voltaje: 371 V. 110 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas.  Consumo: 144 Wh/km.  Energía autonomía completa: 23 kWh.  Capacidad: 24’1 kWh.  Rendimiento: 95’5%. Tesla Roadster. En este caso hablamos de uno de los mejores vehículos eléctricos actuales y que al igual que el anterior también se encuentra a la venta. Se trata de un deportivo con unas características sobresaliente tanto en potencia como en autonomía. Monta un motor de corriente alterna asíncrono y lleva baterías de ion-litio de gran capacidad. Para poder adquirirlo en España, además de tener que desembolsar más de 100.000 euros, tendremos que homologarlo individualmente. Figura 43. Tesla Roadster.  Vehículo Eléctrico (BEV).  Potencia eléctrica máxima: 215 kW.  Autonomía eléctrica: 390 km.  Consumo: 135 Wh/km.  Energ a autonom a completa: 52’65 kWh.  Peso: 1238 kg.  Capacidad batería: 147 Ah.  Voltaje: 375 V.  Capacidad: 55’1 kWh.  Rendimiento: 95’5%. Mitsubishi i-miev. Se trata de un pequeño utilitario eléctrico ya a la venta en España con un precio cercano a los 35.000 euros. Lleva un motor asíncrono de imanes permanentes y baterías de ion-litio, y su uso tanto por autonomía como por tamaño es básicamente urbano. Figura 44. Mitsubishi i-miev. 111 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas.  Vehículo Eléctrico (BEV).  Potencia eléctrica máxima: 47 kW.  Autonomía eléctrica: 150 km.  Consumo: 100 Wh/km.  Energía autonomía completa: 15 kWh.  Peso: 1110 kg.  Capacidad batería: 50 Ah.  Voltaje: 330 V.  Capacidad: 16’5 kWh.  Rendimiento: 90’91%. Nissan Leaf. Este vehículo eléctrico se puso a la venta en mayo a un precio de unos 30.000 euros. Como se ve en la imagen se trata de un vehículo de mayores dimensiones y peso que los anteriores, y por lo tanto cuenta con un motor de mayor potencia y mayor capacidad de baterías. A diferencia de los vehículos anteriores, aunque seguimos contamos con un motor de corriente alterna, en este caso es síncrono de imanes permanentes. Las baterías son también de ion-litio. Figura 45. Nissan Leaf.  Vehículo Eléctrico (BEV).  Potencia eléctrica máxima: 80 kW.  Autonomía eléctrica: 105 km.  Consumo: 173 Wh/km.  Energía autonomía completa: 18 kWh.  Peso: 1525 kg.  Capacidad batería: 66 Ah.  Voltaje: 360 V.  Capacidad: 23.7 kWh.  Rendimiento: 76’5%. Opel Ampera/Chevrolet Volt. En este caso ya no hablamos de un eléctrico puro sino mas bien de un eléctrico de rango extendido o híbrido en serie, donde tenemos un motor eléctrico para la tracción y un motor de gasolina para alimentar las baterías y ampliar así la autonomía. Este vehículo llegará al mercado español a principios de 2012 con un precio cercano a los 42.000 euros. 112 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Figura 46. Opel Ampera/Chevrolet Volt.  Vehículo Eléctrico de Autonomía Ampliada (REEV).  Potencia eléctrica máxima: 111 kW.  Autonomía eléctrica: 60 km (+500 km gasolina)  Consumo: 133 Wh/km.  Energía autonomía completa: 8 kWh.  Peso: 1694 kg.  Capacidad batería: 45 Ah.  Voltaje: 370 V.  Capacidad: 16’65 kWh.  Rendimiento: 47’93 %. Toyota Prius Pug-in Hybrid. Por último tenemos al híbrido por excelencia, que pretende sacar una versión enchufable del mismo para 2012. Será el mismo vehículo con un motor a gasolina de ciclo atkinson y motor eléctrico síncrono de imanes permanentes trabajando en configuración mixta, pero con unas baterías de ion-litio de mayor capacidad. Figura 47. Toyota Prius Plug-in Hybrid.  Vehículo Híbrido Enchufable (PHEV).  Potencia eléctrica máxima: 60 kW.  Autonom a eléctrica: 23’4 km (+800 km gasolina)  Consumo: 152 Wh/km.  Energ a autonom a completa: 3’55 kWh.  Peso: 1577 kg.  Capacidad batería: 15 Ah.  Voltaje: 345 V.  Capacidad: 5’15 kWh.  Rendimiento: 68’7%. 113 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Como se puede aprecia en todos los modelos que se han puesto a la venta, o se van a poner a la venta próximamente, no existe una tendencia homogénea en el tipo de vehículo, lo que nos indica que los fabricantes aún no tienen claro hacia donde debe ir el mercado. Si nos fijamos en los datos técnicos obtenemos lo siguiente: Pot. Electrica (kW) Autonomía (km) Consumo (Wh/km) Energia (kWh) Peso (kg) Máxima 215,0 390,0 173,0 52,7 1694,0 Mínima 30,0 23,4 100,0 3,6 1110,0 Media 79,6 143,6 135,6 19,1 1311,1 Tabla 23. Datos vehículos eléctricos. Capacidad (Ah) Voltaje (V) Capacidad (kWh) Rendimiento (%) Máxima 147,0 375,0 55,1 98,5 Mínima 15,0 330,0 5,2 47,9 Media 61,0 351,4 21,8 83,8 Tabla 24. Datos vehículos eléctricos. Todos ellos utilizan motores eléctricos de corriente alterna y batería de ión-litio, y en cuanto a la potencia podríamos decir que son variadas, yendo desde los 40 cv del Think a los más de 290 cv del Tesla. Lo que sí que queda claro viendo los distintos tamaños de estos vehículos es, que su peso es mucho mayor que otros de su mismo segmento gasolina o diesel, lo que nos indica la baja densidad de energía que tienen las baterías, y el lastres que suponen para poder alcanzar una buena autonomía. La conclusión que podríamos obtener es que si se decide la compra de un vehículo puramente eléctrico, su uso debe ser fundamentalmente para ciudad, debido a que los rangos de autonomía que nos proporcionan (el Tesla es un excepción) actualmente, harán que no pueda ser el sustituto de uno de combustión interna. ANEXO 6: CICLOS DE CONDUCCIÓN ESTÁNDAR 117 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. ANEXO 6: Ciclos de conducción estándar. Los ciclos de conducción estándar están normalizados a nivel internacional, en la Unión Europea, Estados Unidos y Japón. Son llamados Starndar Driving Cycles o Ciclos de prueba de emisiones (Emissions Test Cycles), y hay que mencionar que se realizan siempre suponiendo que el coche circula con pendiente cero. Los hay de dos tipos, ciclos transitorios (transient cycles), que son los ciclos que tratan de representar la realidad de manera fidedigna, y los ciclos modales (modal cycles), que son los ciclos teóricos basados en tramos de aceleraciones y velocidades constantes. Los transitorios son más empleados en los Estados Unidos y por contra, los modales lo son en Europa y Japón. Como ejemplos de ciclos internacionales, estadounidenses y japoneses, tenemos: Internacionales. World Harmonized Transient Cycle (WHTC). Se trata de un ciclo transitorio de 1800 segundos, en el que están normalizados tanto el par como la velocidad. Se basa en un patrón para vehículos pesados de todo el mundo y fue elaborado por la CEPE GRPE GROUP. Figura 48. Ciclo WHTC. Estados Unidos. Son los ciclos realistas, pero debido a esto ello son los mas difíciles de simular, ya que para cada segundo se tiene una velocidad del vehículo distinta, el ciclo es transitorio. Uno de los primeros que hubo fue el ciclo LA-4 basado en el flujo de tráfico de Los Ángeles y desarrollado en la década de los 70 del siglo XX. Actualmente, se utilizan los ciclos FTP 72, SFUDS, FTP 75, HFEDS, IM 240, LA-92, NYCC y US 06 ANEXO 7: MÉTODO DE CÁLCULO POR DISCRETIZACIÓN DEL CICLO DE CONDUCCIÓN 127 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. ANEXO 7: Método de cálculo por discretización del ciclo de conducción. Este método consiste en dividir el ciclo de conducción NEDC en segundos, definiendo para cada segundo, su velocidad y su aceleración correspondiente. Con estos datos se aplica la ecuación de la energía:   Este cálculo da como resultado la energía necesaria para mover el vehículo con esa velocidad y aceleración para cada segundo. Sumando los valores con signo positivo, se obtiene la energía total consumida durante el ciclo NEDC, y sumando los valores negativos se tendría la energía máxima que se podría recuperar en deceleraciones y frenadas. Con los km del ciclo y las equivalencias de Julios a Wattios·hora, se obtiene rápidamente fácilmente la energía que el vehículo consume por unidad de distancia. Realizar este cálculo a mano, supondría pasarse horas haciendo cálculo. Por este motivo, para resolverlo de una manera rápida y poder aplicarlo para cualquier tipo de vehículo, se decidió crear una hoja Excel que facilitara todo el proceso. A continuación se explicará cómo ha sido crea y como funciona. Para probar el archivo Excel de cálculo del ciclo NEDC se puede descarga de la siguiente dirección web: “Simulador ciclo NEDC.xlsx” http://db.tt/XscJsYMw Simulador ciclo NEDC. Esta hoja de cálculo realiza las operaciones necesarias para el cálculo energético del ciclo NEDC. Para ello, se parte de una tabla de datos que divide el ciclo NEDC en los puntos característicos de sus rectas de velocidad y aceleración contante: Figura 61. Ciclo NEDC. 128 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Figura 62. Simulador NEDC EXCEL- discretización por tramos. Partiendo de estos datos, se realiza una discretización mayor, y se pasa a dividir el ciclo en segundos: Figura 63. Simulador NEDC EXCEL- discretización por segundos. Con esto, queda completamente definido del ciclo para poder realizar los cálculos necesarios para hallar la energía consumida. Pero para poder calcular, se necesitarán los datos del vehículo. Para ello se introduce una tabla en la que aparecen la masa, el coeficiente de rodadura, el coef. aerodinámico, la superficie frontal, el rendimiento del vehículo y el 129 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. porcentaje de energía recuperada en las frenadas, además del radio de rodadura y la relación de transmisión, que como se verá luego, sirven para calcular el rendimiento. Tabla 25. Simulador NEDC EXCEL- tabla para introducir datos. Antes de pasar a calcular la energía total consumida en el ciclo, se estimará el rendimiento del vehículo. Para ello se fijaran como valores a introducir por el usuario los rendimientos de los convertidores electrónicos, de las baterías y del sistema mecánico, pero se realizará una estimación a partir de las revolución del motor y el par, el rendimiento del motor. Se parte de la siguiente gráfica de curvas de rendimiento, en función del par y las revoluciones de giro, de un motor eléctrico de imán permanente: Figura 64. Simulador NEDC EXCEL- Curvas de rendimiento motor eléctrico. Para estimar el rendimiento se obtiene la curva de par de un vehículo eléctrico. En este se toma como referencia la del Renault Fluence: Figura 65. Simulador NEDC EXCEL- Curva de par y potencia motor eléctrico. 130 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Se superpone de forma aproximada esta curva sobre las curvas de rendimiento: Figura 66. Simulador NEDC EXCEL- Superposición Par con curvas de rendimiento motor eléctrico. Con el par superpuesto sobre la gráfica de rendimientos, se obtiene para cada cierto número de revolución por minuto (500rpm), un valor aproximado del rendimiento. Figura 67. Simulador NEDC EXCEL- Rendimiento en función de las rpm. Graficando esto y sacando la línea de tendencia de la curva, se obtiene una ecuación que calcula de forma, también de forma aproximada, el rendimiento a partir de unas revoluciones dadas. 131 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. A partir de la velocidad, el radio de rodadura y la relación de transmisión se calculan las revoluciones por segundo para cada instante de tiempo, y con estas rpm y aplicando la ecuación se obtiene un rendimiento para cada segundo del ciclo. Figura 68. Simulador NEDC EXCEL- Revoluciones por minuto y rendimiento. Con el rendimiento y los datos del vehículo, se aplica la ecuación de la energía antes mencionada y se obtiene la energía consumida en cada segundo. También se calculan por separado cada una de las resistencias aerodinámicas. Figura 69. Simulador NEDC EXCEL- Engería y resistencias al avance. 132 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Sumando los valores positivos de la columna de “ENERGÍA” se obtiene la energía total consumida por el ciclo: Figura 70. Simulador NEDC EXCEL- Energía final. Por último se diseña una pantalla desde la que introducir los datos y obtener los resultados, además de añadir opciones de cálculo de coste estimativo de la energía por consumida. Figura 71. Simulador NEDC EXCEL- Pantalla de datos. ANEXO 8: MÉTODO DE CÁLCULO POR INTEGRACIÓN POR TRAMOS DEL CICLO DE CONDUCCIÓN 140 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Calculo energético en el tramo de carretera. Una vez calculada la energía del tramo urbano, se pasa al cálculo del tramo de carretera, que se corresponde con el ciclo EUDC. Al igual que en el apartado anterior, habrá que descomponer en los tramos a integrar, diferenciando tramos de aceleración constante, con tramos de velocidad constante. Los valores de las aceleraciones y velocidades ya han sido calculados en la tabla de tramos: Figura 76. Ciclo EUDC. Velocidad (km/h) Velocidad (m/s) Tiempo (s) 1) Aceleración a 0'486 m/s2 0 0,00 800 2) V=cte=19'44 m/s 70 19,44 840 Deceleración 70 19,44 893 3) V=cte=13'89 m/s 50 13,89 900 4) Aceleración a 0'37 m/s2 50 13,89 970 5) V=cte=19'44 m/s 70 19,44 985 6) Aceleración a 0'3336 m/s2 70 19,44 1035 7) V=cte=27'78 m/s 100 27,78 1060 8) Aceleración a 0'37 m/s2 100 27,78 1100 9) V=cte=33'33 m/s 120 33,33 1115 Deceleración 120 33,33 1125 V = cte = 0 0 0,00 1160 0 0,00 1180 Tabla 27. Discretización por tramos del ciclo EUDC. 0 20 40 60 80 100 120 140 800 840 880 920 960 1000 1040 1080 1120 1160 1200 EUDC t (s) V (km/h) 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 141 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Primer tramo: Aceleración a 0'486 m/s2. Figura 77. Recta de aceleración constante a 0’486 m/s2 del ciclo EUDC. Este primer tramos tiene una duración de 40 segundos y en ese tiempo pasa de 0 m/s a 19’44 m/s, quedando la ecuación del la velocidad en función del tiempo . Además la aceleración en este tramo es de , con lo que la ecuación a resolver queda: Segundo tramo: Velocidad constante a 19’44 m/s. En este tramo de 53 segundos se circula a una , con lo que la ecuación quedará: y = 0,4861x 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 800 810 820 830 840 850 1) Aceleración a 0'486 m/s2 V (m/s) t (s) 142 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Tercer tramo: Velocidad constante a 13’89 m/s. En este tramo de 70 segundos se circula a una , con lo que la ecuación quedará: Cuarto tramo: Aceleración a 0'37 m/s2. Figura 78. Recta de aceleración constante a 0’37 m/s2 del ciclo EUDC. En este tramos de 15 segundos, se pasa de 13’89 m/s a 19’44 m/s, quedando la ecuación del la velocidad en función del tiempo . Además la aceleración en este tramo es de , con lo que la ecuación a resolver queda: y = 0,37x + 13,89 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 970 975 980 985 990 4) Aceleración a 0'37 m/s2 V (m/s) t (s) 143 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Quinto tramo: Velocidad constante a 19’44 m/s. En este tramo de 50 segundos se circula a una , con lo que la ecuación quedará: Sexto tramo: Aceleración a 0'3336 m/s2. Figura 79. Recta de aceleración constante a 0’3336 m/s2 del ciclo EUDC. En este tramos de 25 segundos, se pasa de 19’44 m/s a 27’78 m/s, quedando la ecuación del la velocidad en función del tiempo . Además la aceleración en este tramo es de , con lo que la ecuación a resolver queda: y = 0,3336x - 19,44 18,00 20,00 22,00 24,00 26,00 28,00 30,00 1035 1045 1055 1065 6) Aceleración a 0'3336 m/s2 V (m/s) t (s) 144 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Séptimo tramo: Velocidad constante a 27’78 m/s. Este tramo es de 40 segundos se circula a una , con lo que la ecuación quedará: Octavo tramo: Aceleración a 0'37 m/s2. Figura 80. Recta de aceleración constante a 0’37 m/s2 del ciclo EUDC. En este tramos de 15 segundos, se pasa de 27’78 m/s a 33’33 m/s, quedando la ecuación del la velocidad en función del tiempo . Además la aceleración en este tramo es de , con lo que la ecuación a resolver queda: y = 0,37x - 27,78 27,00 28,00 29,00 30,00 31,00 32,00 33,00 34,00 1100 1105 1110 1115 1120 8) Aceleración a 0'37 m/s2 V (m/s) t (s) 145 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. Noveno tramo: Velocidad constante a 33’33 m/s. Este tramo es de 10 segundos se circula a una , con lo que la ecuación quedará: Al igual que en el apartado anterior, sumamos todos los valores de energía obtenidos para cada tramo para así tener el valor total de la energía consumida en el ciclo EUDC: Por lo tanto: Energía total consumida para el ciclo NEDC. Obtenidos ya los consumos de ambas partes de ciclo, urbano y carretera, la energía total de ciclo será: ANEXO 9: EL ORIGEN DE LA ENERGÍA EÓLICA 149 Estudio de integración energética del vehículo eléctrico con instalaciones de mini eólica en viviendas. ANEXO 9: El origen de la energía eólica. La energía eólica tiene su origen en la solar, más específicamente en el calentamiento diferencial de masas de aire por el Sol, ya sea por diferencias de latitud (vientos globales) o el terreno (mar-tierra o vientos locales). Las diferencias de radiación entre distintos puntos de la Tierra generan diversas áreas térmicas y los desequilibrios de temperatura provocan cambios de densidad en las masas de aire que se traducen en variaciones de presión, en movimiento de estas masas, el viento. El viento. Vientos geostróficos El calentamiento dispar de la superficie terrestre por acción de la radiación solar es el principal causante del viento. En las regiones ecuatoriales se produce una mayor absorción de radiación solar que en las polares. Entonces el aire caliente que se eleva en los trópicos es reemplazado por las masas de aire fresco superficiales proveniente de los polos. El ciclo se cierra con el desplazamiento, por la alta atmósfera, del aire caliente hacia los polos. Esta circulación general, que sería la observada si la tierra no girase, se ve profundamente alterada por el movimiento de rotación de la tierra generando zonas de vientos dominantes que responden a patrones definidos. A lo largo del año las variaciones de la radiación solar incidente, provocan variaciones en la intensidad y dirección de los vientos dominantes en cada uno de los puntos de la corteza terrestre. Las direcciones del viento dominantes son: Tabla 28. Direcciones del viento dominantes. Figura 81. Vientos geostróficos.