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1 2 DIMENSIONAMIENTO DE LA CADENA DE TRACCIÓN DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO PARA DISTINTOS ESCENARIOS EN ENTORNO URBANO RESUMEN El objetivo del proyecto es el diseño de la cadena de tracción de un vehículo eléctrico, diseño que se ha llevado a cabo seleccionando en un banco de datos los distintos elementos que la componen: baterías, motor eléctrico y accionamientos mecánicos para la transmisión del movimiento. Se han optimizado varios modelos según el escenario de demanda correspondiente: vehículo de uso particular, vehículo tipo taxi o vehículo de transporte de mercancías. Las distintas configuraciones se han dimensionado y simulado con el programa Advisor. Mediante iteraciones en el diseño de los vehículos, modificando sucesivamente las baterías y motores, se han seleccionado aquellos que cumplen las exigencias de los ciclos de funcionamiento con un consumo energético mínimo. Pese al menor consumo energético del coche eléctrico frente al coche térmico, hay que tener en cuenta que la producción y transporte de electricidad es energéticamente menos eficiente que la extracción, refino y distribución de los combustibles fósiles. Evidentemente, lo que realmente cuenta es el consumo de la energía disponible en el medio que es destinada al transporte, en nuestro caso al transporte en entorno urbano. Para ello se hace necesario una comparación de la eficiencia y el consumo “del pozo a la rueda” para los vehículos estudiados eléctricos frente a los actuales térmicos. También se realiza una distinción entre consumo de energías renovables y limpias y el consumo de energías no renovables y contaminantes. Complementando lo anterior, se realiza un pequeño estudio del coste de mantenimiento de dichos vehículos frente a los actuales de combustión interna, basándonos en el precio del Kwh eléctrico y de los combustibles fósiles. Finalmente se comentará la limitación de los resultados obtenidos, las nuevas tendencias en movilidad eléctrica, las ventajas cualitativas del uso del coche eléctrico y las áreas de investigación prioritarias en este campo. 3 4 TABLADECONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN..............................................................................................................9 2.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y METODOLOGÍA DE OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO.......................................................................................................................13 2.1. CRITERIOS DE SELECCIÓN Y CONDICIONES DE PARTIDA PARA LOS DISTINTOS ESCENARIOS DE DEMANDA............................................................................................ 13 2.1.1. Vehículos particulares y vehículos tipo taxi................................................... 13 2.1.2. Vehículos de reparto de mercancías............................................................ 13 2.2. CICLOS DE FUNCIONAMIENTO UTILIZADOS .......................................................... 14 2.2.1. Vehículos particulares....................................................................................... 14 2.2.2. Vehículos tipo taxi.............................................................................................. 15 2.2.3. Vehículos de reparto de mercancías............................................................ 16 2.3. MODO DE APROXIMACIÓN ITERATIVO A LA SOLUCIÓN ÓPTIMA..................... 17 3. RESULTADOS OBTENIDOS CON EL PROGRAMA ADVISOR...............................21 3.1. VEHÍCULO PARTICULAR............................................................................................ 21 3.2. VEHÍCULO TIPO TAXI.................................................................................................. 23 3.3. VEHÍCULO DE REPARTO DE MERCANCÍAS............................................................ 24 3.4. RESUMEN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS.......................................................... 26 4. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS..............................................................................28 4.1. ANÁLISIS ENERGÉTICO. CONSUMO DE ENERGÍAS PRIMARIAS........................... 28 4.2. ANÁLISIS ECONÓMICO. COSTE DE MANTENIMIENTO ......................................... 39 5. CONCLUSIONES............................................................................................................44 6. BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................47 7. ANEXOS..........................................................................................................................51 7.1. CITYELEC. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS.............................................................. 51 7.2. PROGRAMA ADVISOR.............................................................................................. 57 7.3. TIPOS DE BATERÍAS..................................................................................................... 84 7.4. TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS............................................................................. 89 7.5. TABLA DE RESULTADOS OBTENIDOS CON ADVISOR............................................ 97 7.6. CONSUMOS DE VEHÍCULOS TÉRMICOS...............................................................100 7.7. MIX DE PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD............................................................103 5 6 MEMORIA 7 8 1. INTRODUCCIÓN Este proyecto se encuadra en el proyecto Cityelec1 (Proyecto Singular Estratégico para la Electrificación de la Movilidad en Entorno Urbano), que cuenta con la participación de entidades privadas y públicas, nacionales e internacionales. El objetivo del proyecto Cityelec es buscar soluciones para la entrada de nuevos sistemas de movilidad de personas y mercancías en entorno urbano de forma eficiente y limpia[2]. Dentro de dicho contexto, el objetivo de este proyecto es el de optimizar y analizar energéticamente tres tipos de vehículos: • vehículo particular tipo turismo • vehículo para el transporte de pasajeros tipo taxi • vehículo destinado al transporte de mercancías. Para llegar a conocer las configuraciones óptimas se iterará en la selección de los componentes, primero en las baterías y luego en la elección del motor, ensayándolos en los ciclos de funcionamiento específicos de cada escenario de demanda. Estos escenarios de demanda han sido establecidos anteriormente al inicio del desarrollo de este proyecto. De esta manera se consiguen varios conjuntos óptimos de baterías y motor. Este proceso se ha llevado a cabo para encontrar un vehículo optimizado energéticamente con baterías2 de níquel-metal-hidruro, plomo-ácido e Ionlitio, siempre y cuando la secuencia de iteraciones se estuviese dirigiendo hacia una solución factible. Posteriormente se escogerá entre las soluciones optimizadas aquella que presente un menor consumo de energía. El software usado para escoger los diseños, simularlos en los diferentes ciclos de funcionamiento y conocer los resultados es el programa Advisor3. Dicho programa está basado en Simulink, el cual a su vez trabaja en entorno de Matlab. En él disponemos de un interfaz gráfico en el cual seleccionamos las configuraciones de los vehículos, y los ciclos en los cuales se van a simular, de entre un cierto numero de opciones 1 Anexo 6.1 2 Anexo 6.3 3 Anexo 6.2 9 Figura 2. Ciclo de funcionamiento para vehículo tipo taxi 2.2.3. Vehículos de reparto de mercancías De una manera similar a la del ciclo de funcionamiento del vehículo tipo taxi, este ciclo representa una jornada laboral de reparto de unas 8 horas, excluido el periodo de descanso al mediodía. La velocidad máxima no llega a los 50 Km/h, debido a la carga del vehículo y a la mayor complejidad de circulación conforme aumenta el tamaño de los mismos. A continuación se muestra la gráfica que ilustra este ciclo: 16 Figura 3. Ciclo de funcionamiento para vehículo de reparto de mercancías 2.3. MODO DE APROXIMACIÓN ITERATIVO A LA SOLUCIÓN ÓPTIMA Para llegar a una solución óptima o por lo menos cercana a la óptima se ha seleccionado de partida un número de módulos de baterías considerando la autonomía exigida por el ciclo de funcionamiento y el número de repeticiones del mismo sin recargar la batería. Tras ello, se ha seleccionado el motor que llevará el vehículo, atendiendo principalmente a las velocidades y aceleraciones que se requieren en el correspondiente ciclo de funcionamiento y al peso propio del vehículo más la carga considerada. Fijando los demás parámetros de diseño y condiciones de carga se comienza la simulación y se analizan los resultados de la misma. Advisor muestra una pantalla de datos de consumo y emisiones (en el caso de vehículos eléctricos estas últimas siempre son nulas) y otra de aviso de errores en cuanto a cumplimiento del ciclo por parte del vehículo, que pueden ser a causa de no llegar a recorrer los Km establecidos en los ciclos o por no cumplir las prestaciones dinámicas también establecidas por dichos ciclos. En caso de no haber problemas en lo referente al cumplimiento de las prestaciones establecidas podemos considerar que el motor seleccionado es lo 17 suficientemente potente (aunque en este caso también podría presentar una potencia excesiva para su uso con el consiguiente alejamiento del punto de rendimiento máximo y de consumo mínimo). De una manera similar, si los resultados muestran que los ciclos se han cumplido en todo su recorrido podremos concluir que la energía almacenada en las baterías es la suficiente. Una configuración que cumpla ambos requisitos de ciclo (prestaciones y autonomía) es una solución de diseño aceptable, pero no tiene por qué ser óptima. Para aproximarnos desde una solución aceptable hasta una solución cuasióptima tendremos dos formas alternativas de proceder al re-diseño del vehículo. La primera sería obtener una solución aceptable en autonomía y, manteniendo sin cambiar el sistema de almacenamiento de energía, probar con diferentes motores hasta dar con el que resulta en un consumo óptimo cumpliendo con las prestaciones exigidas. Posteriormente se reduce el peso de las baterías hasta alcanzar el mínimo peso de vehículo que cumpla con la autonomía. El problema con esta metodología es que la reducción del peso de las baterías puede significar un cambio notable en el peso total del vehículo, el cual puede hacer que el motor seleccionado tenga una potencia redundante para su funcionamiento. La segunda de las alternativas para buscar la minimización del consumo es, a partir de una solución de diseño aceptable, reducir el número de módulos de baterías hasta el mínimo posible. Posteriormente se seleccionan varios motores, de menores y mayores potencias y se ve si alguno de ellos presenta un consumo más reducido que con el motor inicial, cumpliendo además los requisitos de funcionamiento. En caso de no ser así la solución hallada sería la óptima o una cercana a la óptima. Esta segunda aproximación es mejor en cuanto a que el cambio de motores no altera tanto el peso global del vehículo como la reducción de las baterías, por lo que estaríamos analizando las posibles soluciones manteniendo casi constante el peso global del vehículo, el cual afecta tanto a las exigencias de autonomía como a las de prestaciones. Por ello, éste será el método de aproximación escogido. A continuación se resumen y ordenan los pasos de este método en forma de algoritmo: 18 1. Para cada tipo de tecnología de batería, encontrar el modelo que permite mayor autonomía con menor peso propio (modelo de mayor densidad energética) 2. Seleccionar dicha batería, estimando el número de módulos inicial teniendo en cuenta el peso del vehículo y la longitud del recorrido 3. Seleccionar inicialmente un motor, estimando su potencia en base a el peso del vehículo y las exigencias dinámicas del ciclo (aceleraciones y velocidades) 4. Escoger ciclo de funcionamiento adecuado 5. Iniciar simulación y analizar los resultados de la misma a. Si cumple autonomía y prestaciones: i. Disminuir el número de módulos de baterías hasta que deje de cumplir dichos requisitos ii. Llegados al tamaño óptimo de batería, realizar la simulación con motores de potencia superior e inferior y ver los resultados: 1. Peores que con el motor inicial: la solución alcanzada es óptima 2. Mejores para alguno de los motores probados en 5.1.ii que para el inicial: disminuir si es posible el número de módulos, sino, ésta es la solución de diseño óptima. En caso de poder disminuir el número de módulos, la solución alcanzada también sería la óptima. b. Si no cumple autonomía: i. Aumentar el número de módulos hasta que la cumpla, y posteriormente proceder a partir del apartado a. c. Si no cumple prestaciones i. Aumentar potencia del motor poco a poco hasta que cumpla, y posteriormente proceder a partir del apartado a. d. Si no cumple autonomía ni prestaciones i. Aumentar número de módulos y potencia del motor conjuntamente hasta cumplir uno de los dos requisitos, tras lo cual se procederá a partir de b. o c. En caso de cumplir ambos requisitos se procederá desde a. 19 Este proceso se repetiría para varios tipos de baterías, escogiendo para nuestros diseños definitivos aquellas que reduzcan el consumo de energía; sin embargo en simulaciones previas al diseño de vehículos se encontraron las baterías que ofrecían una mayor autonomía para un mismo peso. Estas baterías son las que han sido utilizadas en el diseño de cada tipo de vehículo: • Tecnología plomo-ácido: o ‘Pb_104’; batería de pb-ácido de 12V desarrollada por GNB, 104 Ah. • Tecnología níquel-metal-hidruro o ‘Nimh93’; batería NiMH de 93 Ah, tecnología ‘ovonic’5. o ‘Nimh_90_ovonic’; batería NiMH de 90 Ah, tecnología ‘ovonic’. • Tecnología ión-litio: o ‘Li_temp’, batería ión litio ventilada de 6 Ah Como el objetivo es dimensionar el prototipo eléctrico de menor consumo para cada tipología de vehículo, si se encontrase que con seguridad uno de ellos va a tener menor gasto energético que otros vehículos en proceso de diseño (los de diferente tipo de batería), no se continuaría con el diseño iterativo de este vehículo. 5 Tecnología que usa un tipo de materiales (‘ovónics’), los cuales se comportan como semiconductores cuando son sometidos tensión eléctrica bajo ciertas condiciones. 20 3. RESULTADOS OBTENIDOS CON EL PROGRAMA ADVISOR 3.1. VEHÍCULO PARTICULAR Se ha ensayado dicho vehículo inicialmente en 5 ciclos, lo cual representa un uso continuado de lunes a viernes sin realizar la recarga de las baterías. Esto implica un recorrido de 211,7 Km antes de recargar el vehículo. Así se permitiría una recarga a un nivel de potencia doméstico durante el fin de semana. Como chasis se escogió el ‘SMCAR’ (small car), que representa un chasis para vehículo de tamaño medio-pequeño. Primeramente se escogieron baterías de plomo-ácido, de 12 V de voltaje nominal, instalándose 25 módulos de las mismas. Se usó un motor ‘AC30’ (motor trifásico de inducción de jaula de ardilla, corriente alterna de 30 KW de potencia). La simulación arrojó como resultados una insuficiente autonomía y unas prestaciones dinámicas también insuficientes. Los Km recorridos fueron 21,1, una cifra muy inferior al objetivo marcado por los 5 ciclos de funcionamiento. A partir de aquí se intentó buscar el modelo de batería de plomo-ácido que permitiera la mayor autonomía para un mismo peso, es decir, la de mayor densidad energética. Para este caso, la batería que permitía una mayor autonomía era la ‘Pb104’. Aún así, el peso de las baterías de este tipo hacían muy pesado y energéticamente poco económico al vehículo: con un peso de cerca de 1000 Kg en baterías, el vehículo sólo podía circular un 60% de la distancia requerida, consumiendo 4,4 litros equivalentes de gasolina (en adelante l.e.g.), lo cual es una cifra demasiado alta para nuestros objetivos. Tras ello, se pasó a estudiar la viabilidad de realizar el recorrido usando otro tipo de baterías, las de níquel-metal-hidruro. Realizando pruebas para ver cuál modelo era el que presentaba una mejor densidad de energía se vio que para un mismo peso de baterías, las ‘Nimh90ovonic’ y ‘Nimh93’ permitían una mayor autonomía implicando un peso global menor del vehículo. Con el modelo ‘Nimh93’ se aumentó el número de módulos desde 30 módulos (Kg) llegando hasta módulos ( Kg), viendo que éste era el mínimo para cumplir las exigencias de autonomía. De partida se había elegido el motor 21 ‘AC59’, presentando esta configuración un consumo de 3,8 l.e.g.; a partir de aquí se cambió el motor a uno más potente obteniendo un consumo mayor, posteriormente se cambió a un motor de potencia menor, el ‘PM49’ (motor síncrono de imanes permanentes de 49 KW de potencia nominal) consiguiendo un consumo de 3,6 l.e.g. Con esta configuración de menor potencia se volvió a reducir el número de baterías hasta obtener con 49 módulos de baterías un mejor valor de consumo: 3,5 l.e.g. Con esta configuración se probó otro motor de potencia inmediatamente inferior, el ‘PM32evs’ (motor síncrono de imanes permanentes Honda Auxilec de 32 KW), obteniendo 3,6 l.e.g. como resultado. Por esto, la configuración elegida fue la de 49 módulos de ‘Nimh93’ con el motor ‘PM32evs’. También se buscó la solución con las baterías de litio introducidas en Advisor. Mediante un procedimiento similar, se llegó a la conclusión que estas baterías no eran adecuadas para este escenario de demanda: aumentando hasta 700 módulos, con 794 Kg de peso de baterías, se obtenía un consumo de 3,7 l.e.g. y un recorrido de sólo 161,3 Km. De haber seguido aumentando las baterías para cubrir todo el recorrido el consumo hubiera ascendido aún más, resultando esta configuración notablemente peor que la anterior con baterías de níquel-metal-hidruro. Con el fin de mejorar los resultados anteriores se estudió también la opción de recargar el vehículo tras 3 ciclos de funcionamiento, los cuales implican un recorrido total de 127 Km. Esto reduciría el tamaño necesario de baterías pero también implicaría tener que realizar una recarga a mitad de semana. En primer lugar, se buscó una solución de diseño utilizando las baterías de plomo-ácido. Se escogió la tipología ‘Pb104’ y se propuso inicialmente 25 módulos (750 Kg) y el motor ‘PM32evs’, de potencia inmediatamente inferior a la del ‘PM49’; con esta configuración se obtuvieron 105,9 Km recorridos, con un consumo de 3,9 l.e.g. y cumpliendo con las prestaciones dinámicas exigidas. Por esto, se fue aumentando el número de módulos hasta llegar a cumplir las exigencias de autonomía con 31 módulos (930 Kg). Manteniendo el motor inicial se obtuvo un consumo de 4 l.e.g., el mismo que con el motor ‘PM49’; con un motor de inducción menos potente, el ‘AC30’ el consumo ascendía a 4,6 l.e.g. y sólo se recorrían 112,2 Km. Evidentemente, si en la simulación con 5 ciclos el motor ‘PM49’ tenía un comportamiento más satisfactorio que uno de 22 potencia mayor, en este último caso también (el peso del vehículo es aún menor, luego necesitamos menos potencia). La elección final entre los dos motores posibles se ha llevado a cabo observando otro indicador, el rendimiento del sistema global, el cual es mayor para el motor ‘PM32evs’ que para el ‘PM49’. Respectivamente, ambos valores de rendimiento son: 0,251 y 0,254. El rendimiento realmente está expresado en pérdidas de energía por rozamiento contra el asfalto más pérdidas aerodinámicas entre energía usada Por esto, la configuración con el motor ‘PM32evs’ resulta la elegida por ser más eficiente. Tomando como punto de partida las baterías de níquel-metal-hidruro ‘Nimh93’ y el motor escogido anteriormente, el ‘PM32evs’ se procedió a optimizar de nuevo la cadena de tracción. Escogiendo 25 módulos inicialmente, se tuvo que aumentar hasta 28 módulos (501 Kg) para completar los 127 Km de recorrido; los resultados mostraron un consumo de 3,3 l.e.g.. También aquí el motor escogido ofreció un menor consumo que otros de potencias inmediatamente inferiores y superiores: ‘AC30’ y ‘PM49’ Usando baterías de litio se consiguió un consumo ligeramente superior al anterior, de 3,4 l.e.g., con 492 módulos de baterías (558 Kg) y el mismo motor que con los otros dos tipos de baterías. 3.2. VEHÍCULO TIPO TAXI Esta tipología se ha diseñado para cumplir un solo ciclo de funcionamiento antes de la recarga, por lo que estaría toda la jornada funcionando de una manera continuada. La distancia a recorrer en el ciclo es de 112,3 Km. La carga es ajustada a 400 Kg, y se comienza el proceso de dimensionamiento de la cadena de tracción. En primer lugar, se intentó el diseño con baterías de plomo-ácido. Inicialmente se seleccionaron 25 módulos de ‘Pb104’ (750 Kg) y el motor ‘PM49’, obteniendo un consumo de 3,3 l.e.g., y cumpliendo el vehículo las exigencias de autonomía y prestaciones. El número de módulos se fue rebajando hasta alcanzar el mínimo para cumplir las prestaciones y cubrir el total del recorrido con 21 módulos (630 Kg), obteniendo un consumo de 3,2 l.e.g. Llegados a esta solución se cambiaron los 23 motores por el ‘PM32evs’ y el ‘PM33’ y el ‘AC59’. Con este último obtenemos un consumo superior y el recorrido no es cubierto: 3,6 l.e.g. y 100,4 Km. Con el motor ‘PM33’ obtenemos 4,7 l.e.g. y no llegamos a cumplir las exigencias de autonomía (recorre 74 Km) ni de prestaciones. Con el motor ‘PM32evs’ obtenemos el mismo consumo de combustible, 3,3 l.e.g., pero las pérdidas son menores, luego éste es el motor escogido por la mayor eficiencia del sistema. En segundo lugar, se buscó la optimización del vehículo con baterías del tipo NiMH. Como diseño de partida, se seleccionaron 16 módulos de ‘Nimh93’ con el motor ‘PM49’, obteniéndose un consumo de 2,5 l.e.g. y recorriendo una distancia de 103,9 Km cumpliendo las prestaciones requeridas de velocidad y aceleración. Se fue aumentando el número de módulos hasta 18 (322 Kg), obteniéndose un consumo de 2,5 l.e.g.. Llegados a este punto se probó a cambiar el motor anterior por el ‘PM32evs’, y se obtuvo también 2,5 l.e.g. de consumo, pero el rendimiento era mayor que el de la configuración con el ‘PM49’. El motor ‘PM58’ también implicaba un mayor consumo, y la autonomía no llegaba a lo requerido. De esta manera se escogió la configuración de 18 módulos de ‘Nimh93’ con el motor ‘PM32evs’. Por último, usando baterías de litio se consiguieron unos resultados muy similares en cuanto a consumo que con las baterías de níquel-metal-hidruro. Concretamente, se llegó a la mejor solución de diseño con 308 módulos (349 KG), motor ‘PM49’ y 2,5 l.e.g. 3.3. VEHÍCULO DE REPARTO DE MERCANCÍAS Este tipo de vehículo también realizará su ciclo de funcionamiento una sola vez, tras lo cual se recargarán las baterías; por su gran peso y por el número de kilómetros a realizar la gran dimensión de las baterías harían inviable la construcción del vehículo. La distancia a recorrer en un ciclo de funcionamiento es de 91,1 Km. La mayoría de los chasis de los furgones grandes de reparto urbano están diseñados para soportar una masa máxima de vehículo y mercancías de 3500 Kg, por 24 lo que mientras aumenta el peso de las baterías disminuye la capacidad de carga del vehículo. Tanto para vehículos eléctricos como para vehículos térmicos de reparto de mercancías uno de los objetivos es reducir el consumo de combustible de las flotas de reparto. Para ello has dos estrategias aumentar el número de vehículos y reducir su capacidad de carga o reducir el número de vehículos y aumentar su capacidad de carga. Para encontrar una solución real hay que tener en cuenta factores tecnológicos, económicos y logísticos. En este proyecto se han comparado dos tipos de vehículos, uno de 2500 Kg y otro de 3500 Kg de MMA, únicamente desde el punto de vista de su consumo energético por carga transportada. Se comenzó optimizando el modelo de furgón de hasta 3500 Kg de MMA, eligiendo el chasis ‘Highlander’, cuyas características son las adecuadas para este tipo de camión. Siguiendo la misma dinámica que en las otras tipologías de vehículo, de partida se utilizaron baterías de plomo-ácido para el diseño, escogiendo 35 módulos de ‘Pb104’, y el motor ‘AC124’. Hubo que aumentar hasta 38 módulos para cumplir la autonomía; en este punto se probaron otro motor: ‘AC83’; obteniéndose peores consumos que con el ‘AC124’, y no llegando a cumplir el recorrido. El motor ‘AC150’ también demostró peor rendimiento en estas condiciones con otro tipo de baterías. Con la solución óptima hallada, se obtiene un consumo de 7,5 l.g.e. El peso del vehículo es de 2693 Kg, por lo que la carga útil sería de 807 Kg. Así, el combustible consumido por tonelada transportada a los 100 Km es de 9,29 l.e.g./TM. Usando baterías tipo NiMH y mediante un procedimiento parecido, llegamos al número óptimo de módulos con 40 del tipo ‘Nimh90_Ovonic’. El motor usado es también el ‘AC124’. El consumo resultante es de 6,9 l.e.g. El peso de este vehículo alcanza los 2221 Kg, por lo que la carga máxima a transportar serían 1279 Kg. De esta manera, el consumo de combustible por tonelada transportada 100 Km es 5,39 l.e.g./TM Con baterías de litio, el consumo hallado fue mayor al del vehículo con baterías NiMH, incluso antes de cumplir las exigencias de autonomía. El peso de las baterías también fue mayor, por lo que no se consideró esta solución. Posteriormente se procedió a optimizar las furgonetas de 2500 Kg de MMA. Para modelar este tipo de vehículo se escogió el chasis ‘Smalltruck’. 25 de realizar sus ciclos de funcionamiento. Los que presentan un menor consumo son aquellos diseñados con baterías de NiMH: Tabla 3. Consumos de los vehículos seleccionados en l.e.g. En el caso del vehículo tipo taxi y en el de los vehículos de reparto, los consumos indicados en la Tabla 3 están tomados de la simulación en Advisor con las condiciones de 100% de carga. Por ello, el consumo habitual a los 100 Km sería algo menor, sobre todo en los vehículos de reparto, cuya carga representa un gran porcentaje del peso total del vehículo. Considerando una carga media del 50% o del 70% (hipótesis más conservadora) tendríamos que los datos de consumo presentarían un cierto ‘coeficiente de seguridad’ debido a que el vehículo se ha simulado en condiciones de carga máxima. Los datos de energía primaria consumida total, energía primaria no renovable, energía primaria renovable y energía primaria emisora de CO2 se muestran en la siguiente tabla y se ilustran en el gráfico, para los vehículos anteriores: Antes se ha expuesto la fórmula para obtener la energía extraída del medio a partir del consumo. Para obtener las componentes de esta energía basta con fijarse en los datos del mix de producción de electricidad en España (Tabla 2, pag.26). • Energía no renovable = (0,3849 + 0,3321) * Energía total • Energía renovable = (0,1055 + 0,1775) * Energía total • Energía emisora de CO2 = 0,3849 * Energía total Los resultados se muestran a continuación en la Tabla 4 y la Figura 5: 32 Tabla 4. Energía extraída del medio por los diferentes modelos (l.e.g.) ENERGÍA EXTRAÍDA DEL MEDIO 0 5 10 15 20 25 vehículo particular 5 ciclos vehículo particular 3 ciclos vehículo tipo taxi vehículo de reparto 3500 Kg MMA vehículo de reparto2500 Kg MMA TOTAL E. no renovable E.renovable Emis oras CO2 Figura 5. Energía extraída del medio, total, renovable, no renovable y emisoras de CO2 Se recuerda que la energía está expresada en litros equivalentes de gasolina consumidos a los 100 Km. Una vez analizados los resultados energéticos de los vehículos eléctricos, se paso a analizar los consumos energéticos de los vehículos térmicos análogos[8]. Con este fin, se hizo una media de sus consumos en entorno urbano9. Para el coche térmico análogo al coche eléctrico de uso particular, se ha estimado como una media de los consumos urbanos de coches de tamaño pequeño, de varias marcas. Los coches térmicos estudiados son de tamaño y potencias bajas, lo que 9 Anexo 7.6 33 comúnmente se denominaría un utilitario, un coche funcional utilizado fundamentalmente para trayectos urbanos. Cómodo y suficiente para el transporte de dos pasajeros. Los pesos de los vehículos analizados están entre 750 y 1295 Kg (1047 Kg de promedio). En el caso del vehículo tipo taxi, debido a las mayores exigencias de carga, se analizaron vehículos de tamaños y potencias medias. Los vehículos analizados en esta comparación presentan pesos entre los 1285 y 1585 Kg (1424,9 Kg de promedio) y potencias entre 105 y 150 CV (125 CV de promedio). El objetivo es comparar el consumo del vehículo que actualmente satisface un determinado escenario de demanda de transporte con el consumo del vehículo diseñado en este proyecto para conocer las implicaciones energéticas de una posible sustitución de la tecnología usada en el transporte. Los resultados estimados para los vehículos térmicos en cuanto a consumo [6] se muestran a continuación: Tabla 5. Energía consumida en l.e.g. (vehículos térmicos) Las unidades están nuevamente en litros de gasolina equivalentes. Estos consumos en litros equivalentes de gasolina representan un mayor consumo (energético) de petróleo, debido a las pérdidas en extracción, transporte, refino del crudo, etc. Los anteriores consumos representan una cierta energía primaria extraída del medio, la cual es en su totalidad no renovable y emisora de CO2 y otros gases contaminantes: 34 Tabla 6. Energía primaria utilizada en l.e.g (vehículos térmicos) A la hora de comparar el consumo de energía en ambas tecnologías hay que tener en cuenta los criterios de selección de los vehículos según su función. Como ya se explicó en el apartado 2.1, para vehículos particulares y vehículos tipo taxi se comparará el consumo a los 100 Km, mientras que en el caso de los vehículos de reparto de mercancías se comparará el consumo por Kg de carga transportado, midiendo así la eficiencia en el transporte de la carga. Para la comparación de los vehículos de reparto de mercancías se han tomado unos cuantos modelos de prestaciones medias con pesos máximos autorizados entorno a 2500 Kg y otros tantos con pesos entorno a 3500 Kg10. En la siguiente tabla se muestra el consumo y la energía extraída de los modelos de furgonetas eléctricos diseñados frente a los vehículos de reparto térmicos actuales; los consumos se ilustran en litros equivalentes de gasolina por vehículo y también, como se ha explicado anteriormente, por tonelada de carga transportada: Tabla 7. Comparativa de consumos y energía extraída entre los vehículos eléctricos y térmicos 10 Anexo 7.6 35 Como se observa en la gráfica, los consumos de los vehículos eléctricos son menores, sin embargo, representan un consumo de energía primaria mayor que en el caso de los análogos térmicos. Pese a ser mayor, la energía primaria usada en los vehículos eléctricos puede proceder de energías renovables; la proporción de las energías renovables sobre las no renovables aumentaría mejorando el rendimiento de las instalaciones existentes o aumentando la capacidad productiva de las mismas. Como se puede ver en la tabla 1, por cada Kwh. eléctrico consumido, el 71,98% (38,49% de combustibles fósiles y el 33,21% de combustibles nucleares) procede de fuentes de energía no renovables, y sólo el 38,49% procede de fuentes de energía con emisiones de efecto invernadero. Los siguientes gráficos ilustran los resultados finales en cuanto a consumos de energía, analizando también las distinciones entre tipos de fuentes de energía. En primer lugar se muestran los consumos de energía primaria (en l.e.g.) de vehículos particulares y tipo taxi a los 100 Km y posteriormente se muestran los consumos de los vehículos de reparto por cada tonelada transportada, a los 100 Km: Figura 6. Consumos de energía primaria (vehículo particular y tipo taxi) 36 Figura 7. Consumos de energía primaria no renovable (vehículo particular y tipo taxi) Figura 8. Consumos de energía primaria emisora de CO2 (vehículo particular y tipo taxi) 37 0 5 10 15 20 25 30 furgon grande furgoneta media CONSUMO ENERGÍA/1000KG CARGA t ér mi co CONSUMO ENERGÍA/1000KG CARGA eléctrico Figura 9. Consumos de energía primaria (vehículo de reparto de mercancías) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 furgon grande furgoneta media CONSUMO DE ENERGÍA NO RENOVABLE/ 10 0 0KG CARGA térmico CONSUMO DE ENERGÍA NO RENOVABLE/ 10 0 0KG CARGA eléctrico Figura 10. Consumos de energía primaria no renovable(vehículo de reparto de mercancías) 38 0 2 4 6 8 10 12 14 furgon grande furgoneta media CONSUM O DE ENERGÍAS EM ISORAS DE CO2/ 1000KG CARGA térmico CONSUM O DE ENERGÍAS EM ISORAS DE CO2/ 1000KG CARGA eléctrico Figura 11. Consumos de energía primaria emisora de CO2(vehículo de reparto de mercancías) 4.2. ANÁLISIS ECONÓMICO. COSTE DE MANTENIMIENTO Para complementar el análisis energético se realizó un pequeño análisis económico desde el punto de vista del consumidor. El objeto de dicho análisis es ver si el coste de mantenimiento de los vehículos eléctricos diseñados es menor que el de los equivalentes térmicos que circulan actualmente en entorno urbano. El cálculo del coste de mantenimiento es muy simplificado ya que sólo se tiene en cuenta el coste del combustible a los 100 Km para los vehículos particulares y vehículos tipo taxi, y el coste de combustible por tonelada de carga transportada a los 100 Km en el caso de vehículos de reparto de mercancías. De esta manera, se omiten reparaciones, compra de complementos o recambios para el vehículo, etc. También se omite la inversión inicial (el coste de compra) en los diferentes vehículos ya que el análisis se realiza en un supuesto contexto de competitividad de las dos tecnologías: se supone un coste inicial y un ciclo de vida similar en ambos casos. Este escenario es el más sencillo entre los que se podría encontrar el usuario tras una hipotética implantación masiva del coche eléctrico. La inversión inicial del 39 Estado y de las empresas posiblemente la acabaría pagando el propio consumidor, o en el momento inicial o a través de alguna sobrecarga en la factura mensual. Para el análisis del coste de mantenimiento se ha comparado el consumo multiplicado por el precio del combustible. En la siguiente tabla se muestran los precios de los combustibles tratados: Tabla 8. Coste de los combustibles y del Kwh. eléctrico El precio del Kwh. se tomó de la tarifa para pequeños consumidores; evidentemente este precio está sujeto a la demanda total de energía y a la proporción de ésta que el consumidor requiere, pero se tomó como una estimación. El consumo de los vehículos eléctricos diseñados y seleccionados se calculó en Kwh. (1 l.e.g. = 9,661 Kwh.), y el consumo de los vehículos térmicos se calculó para un promedio de diesel y gasolina (el contenido energético del diesel por cada litro es mayor). Haciendo un promedio de ambos tanto en coste del litro como en contenido energético por litro, calculamos el coste del combustible. En la siguiente tabla se recogen los resultados del cálculo del coste de mantenimiento para los vehículos eléctricos analizados: 40 Tabla 9. Coste de mantenimiento de los vehículos eléctricos Para los vehículos de reparto, el consumo a los 100 Km por tonelada de carga es: Tabla 10. Coste de mantenimiento por Tm de carga (vehículos eléctricos de reparto) En cuanto a los vehículos térmicos, los resultados de coste de mantenimiento se recogen en las siguientes tablas, primero para vehículos particulares y tipo taxi y luego para vehículos de reparto de mercancías: Tabla 11. Coste de mantenimiento de los vehículos térmicos Tabla 12. Coste de mantenimiento por Tm de carga (vehículos térmicos de reparto) 41 [9] www.ree.es, página web de la Red Eléctrica de España. 48 ANEXOS 49 50 7. ANEXOS 7.1. CITYELEC. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Actualmente la movilidad por carretera en entorno urbano se basa principalmente en el vehículo particular, recorriéndose el 75% de kilómetros en coche1 y con trayectos de menos de 5 Km. Los vehículos actuales, diseñados para tener prestaciones elevadas en carretera abierta, evolucionan por la ciudad de un modo altamente ineficiente en dos aspectos fundamentales: • Eficiencia energética. Los ciclos de conducción urbana, con constantes paradas y aceleraciones provocan consumos y emisiones nocivas muy elevadas. • Ocupación y uso del vehículo. Las medias de ocupantes por vehículo en entorno urbano oscilan entre el 1 y 1,5, con trayectos normalmente cortos. Este modo de transporte de personas y mercancías basado en el vehículo de uso personal, aun siendo necesario como uno de los pilares de la movilidad urbana, no es sostenible en su configuración actual teniendo en cuenta el precio del petróleo, emisiones e incremento de población. Aunque ya se ha identificado al vehículo eléctrico ligero como una solución para mitigar el problema, existen múltiples riesgos asociados a la madurez tecnológica de la solución, relacionados con la aproximación de los grandes fabricantes de automóviles, que ven cómo el vehículo eléctrico no puede sustituir de forma competitiva al vehículo de turismo actual. No es competitivo construir vehículos eléctricos de prestaciones dinámicas y autonomías comparables a los turismos basados en motor de combustión, porque aunque es técnicamente factible, implica unos costes muy elevados que el usuario final puede no estar dispuesto a asumir en el contexto actual. Teniendo en cuenta los aspectos citados anteriormente, algunas plataformas tecnológicas como ERTRAC ya han identificado hojas de ruta para la progresiva implementación de propulsión eléctrica y híbrida en los vehículos del futuro alineada con las prioridades de la iniciativa “green cars”. La plataforma ERTRAC2 publicó recientemente el documento estratégico “Electrification of urban 51 transport” y también el documento estratégico “ERTRAC Research Framework: Steps to implementation”. En ambos documentos se especifica claramente la necesidad de la electrificación del transporte urbano así como las prioridades y/o pasos a llevar a cabo para su consecución desde el punto de vista de la investigación básica y de aplicación. Estos documentos estratégicos están basados en cuatro pilares: • Mobility, Transport and Infrastructure. • Safety and Security. • Energy, Environment and Resources • Design and Production Systems. Es importante resaltar que las últimas previsiones de penetración del vehículo ligero eléctrico en EEUU anticipan un 64% de la cuota de mercado en 20303, siendo el vehículo pequeño el más susceptible de electrificar su sistema de propulsión. Esto sin duda es un hecho a tener en cuenta a la hora de reforzar el tejido industrial, desarrollando el conocimiento necesario para proporcionar nuevos productos y servicios relacionados con la movilidad electrificada. Es evidente la necesidad de investigar en nuevos conceptos de vehículos eléctricos ligeros que tengan en cuenta las necesidades reales asociadas a la movilidad urbana para proporcionar una solución realmente sostenible en el medio plazo. Es conveniente señalar a este respecto, que dentro de la iniciativa European Green Car Initiative, se han definido una serie de temas de investigación relacionados con el vehículo eléctrico. Uno de ellos se denomina “Advanced Electric Vehicle Concepts” (FP7 TRANSPORT WP 2010 - SST.2010.7.5) y reconoce el significativo impacto que la tracción eléctrica tiene en el vehículo actual, totalmente condicionado por la presencia de un motor de combustión interna, y como es necesario plantearse el concepto de vehículo tal y como lo conocemos hoy en día. Como condicionantes más reseñables en relación con el uso de los vehículos en entorno urbano, es necesario tener muy presentes los siguientes conceptos: 52 • Velocidad limitada. En entorno urbano existen una serie de limitaciones de velocidad que limitan la velocidad máxima. • Trayectos cortos. Los trayectos son de pocos kilómetros y con múltiples paradas. • Elevada disponibilidad del vehículo. Tiempo de carga reducido, es necesario que la movilidad sea “a demanda” reduciendo tiempos de espera para dar al usuario un servicio similar al del coche particular. • Capacidad de mezclarse con el tráfico urbano convencional de forma segura con buena usabilidad y aceleración. • Requisitos adaptados de seguridad, el tipo de accidente habitual en entorno urbano es muy diferente a la del trayecto interurbano o en autopista. Es más frecuente el atropello que el impacto severo entre vehículos. La aproximación de CITYELEC va mucho más allá de una introducción de puntos de recarga. Lo que se propone en este proyecto es la definición de un nuevo sistema integral de movilidad urbana sostenible, con elementos y subsistemas (vehículo + infraestructura) definidos desde el inicio para adecuarse al entorno urbano. El sistema CITYELEC identificará las necesidades reales que pueden resolver el problema de la movilidad urbana por carretera, complementando tanto el transporte público como el transporte privado, para ofrecer un nuevo paradigma en la movilidad urbana. Otro aspecto fundamental relacionado con el transporte eléctrico es la procedencia de la energía eléctrica necesaria para mover los vehículos. La emisión de gases de efecto invernadero simplemente cambia su ubicación, si solo se cargan los vehículos eléctricos a partir de una red eléctrica basada en la utilización de combustibles fósiles, por lo que es necesario en el proyecto identificar nuevos sistemas que permitan que la energía utilizada tenga origen renovable, de modo que la ecuación de movilidad sostenible arroje un balance global de emisiones nulo. 53 Resumiendo, el sistema CITYELEC debe ser lo más independiente posible de la energía fósil. Para ello plantea incorporar en la investigación dos elementos clave: • Generación de energía basada en renovables en entorno urbano. La integración de las energías renovables en el entorno urbano mediante paneles fotovoltaicos y microturbinas eólicas, ofrece grandes oportunidades para abastecer de energía a estos vehículos. Es necesario mencionar la sinergia de otros proyectos singulares estratégicos con los que se comparte equipo de trabajo4 (microrredes y minieólica ). Una instalación de recarga basada en energía fotovoltaica con sistemas de acumulación de energía en baterías y infraestructura de recarga se observa en la Figura 3. • Elementos intermedios de almacenamiento/transformación de energías renovables. Entre los puntos de recarga de los vehículos y la red eléctrica, se propone implementar una serie de sistemas de transformación y acumulación de energía que permitan aprovechar energía generada por las renovables en la red eléctrica, compensando picos y valles de generación asociados a estas fuentes de energía, por ejemplo, acumulando la sobreproducción nocturna habitual en los parques eólicos. Es reseñable también el nuevo modelo de negocio asociado a la utilización del sistema CITYELEC, relacionado con diversos esquemas de utilización como pueden ser: • Compra de los vehículos por particulares, especialmente atractivo para los habitantes de la ciudad. • Alquiler de los vehículos para trayectos en un esquema de movilidad a demanda, de forma que se complementen las carencias del transporte público (Car sharing). • Adquisición por operadores para flotas cautivas, policía, vigilancia, correos, logística de mercancía ligera. • Transporte público con conductores profesionales (microbuses y servicios taxi) de utilización en entorno urbano. 54 Como se puede observar, para proponer una solución que suponga un salto importante en la movilidad urbana, es necesario trabajar en los elementos que formarán el sistema CITYELEC de forma combinada, y cobra una importancia muy relevante la existencia de un subproyecto capaz de tener en cuenta el sistema en su conjunto y garantizar que se definen requisitos y especificaciones para que éste funcione de forma adecuada. Teniendo en cuenta el alcance del proyecto CITYELEC de diseñar y validar un concepto de electrificación urbana integral el presente sub-proyecto SP1 tiene los siguientes objetivos generales: • Desarrollar y definir criterios para el diseño de alto nivel del sistema CITYELEC teniendo en cuenta los factores que beneficien al trinomio CVE (conductor-vehículo-entorno). Al ser el concepto presentado un concepto integrador, es necesario tener muy en cuenta las interacciones principales dentro del sistema que serán a nivel CVE, y por lo tanto estas influirán de forma crítica en el diseño del sistema. Tendrá que ser un sistema adaptado al conductor, pero que tenga en cuenta el vehículo y su posterior relación con el entorno que será la infraestructura de recarga, pero también el resto de tráfico no electrificado, y el resto de sistemas de transporte en general. • Analizar y cuantificar las necesidades de movilidad urbana de personas en una ciudad tipo, en Km recorridos/persona*año, actuales y futuras. Este objetivo conlleva el estudio de diferentes escenarios posibles, teniendo en cuenta los estudios disponibles sobre necesidades de movilidad urbana, y la selección del escenario que se ajuste y pueda obtener beneficios del concepto CITYELEC, que será sobre el que se base el proyecto y que podrá validar con resultados experimentales en última instancia, la validez del concepto CITYELEC de estudio y solución integral de la movilidad urbana. • Cuantificar los beneficios que conllevaría la adopción del concepto de electrificación integral (teniendo en cuenta vehículo e infraestructura, y los escenarios futuros previsibles), de tal manera que se pueda estimar cuantitativamente unos valores objetivo (a nivel de ahorro energético, 55 ahorro de emisiones, descongestión del trafico, etc.) que se puedan validar en el demostrador final y que sirvan para concluir validando el concepto CITYELEC. • Dentro del proyecto CITYELEC será preciso realizar modificaciones o nuevas instalaciones relacionadas con la infraestructura, por lo que será necesario analizar, plantear y proponer conceptos de suministro, distribución y generación en entorno urbano que sean compatibles con la solución propuesta, ya que uno de los objetivos de la infraestructura propuesta en el concepto CITYELEC sería el obtener un balance cero o negativo a nivel de emisiones de CO2. 56 7.2. PROGRAMA ADVISOR A continuación se adjunta un breve manual del programa Advisor: NOTA: La numeración de las figuras en este anexo es independiente de la numeración del resto de las figuras dentro del proyecto. 1. INTRODUCCIÓN El objetivo de este manual es proporcionar una visión general del programa de simulación de vehículos ADVISOR (Advanced Vehicle Simulator, de AVL) de cara a facilitar el aprendizaje de un nuevo usuario. Se trata de un programa que funciona en el entorno MATLAB-SIMULINK. Su base de datos cuenta con varios tipos de cada uno de los componentes de un vehículo que han sido modelizados previamente. El vehículo se simula como un diagrama de bloques en el que cada bloque representa un sistema y está formado, a su vez, por cierto número de subsistemas. Se puede editar el diagrama de cada componente, si bien la complejidad de éstos hace que sea una opción poco recomendable. El programa consta únicamente de 3 pantallas: en la primera se define el vehículo a simular, con su configuración, sus componentes y sus características; en la segunda se definen los parámetros de la simulación y en la última aparecen los resultados del proceso. El usuario sólo selecciona componentes e introduce el valor de las variables que le interese, no teniendo la necesidad de trabajar con los diagramas de bloques de SIMULINK, si bien, como ya se ha comentado, se pueden visualizar para comprender mejor los funcionamientos de las diferentes configuraciones y componente e incluso se pueden editar. El programa ADVISOR ha sido utilizado para la realización del proyecto fin de carrera de Ingeniería Industrial de título “Dimensionamiento óptimo de sistemas de producción y suministro de energía para el sistema propulsor de automóviles no contaminantes” de Francisco Cebrián durante el curso académico 2005-2006 57 Fig. 8. Selección del componente a editar Fig. 9. Selección de la variable a editar 64 Fig. 10. Ventana de edición de variable La ayuda del programa incluye un completo apéndice en el que aparece el nombre de cada variable con una breve descripción, su tipo, sus unidades y el tipo de vehículo en el que puede aparecer. El programa también incluye una función llamada “Auto-size” (“autodimensionamiento”) a la que se accede pulsando su botón que se encuentra en la esquina superior derecha de la pantalla. Se fijan unos requerimientos – de velocidad máxima, aceleración, pendiente máxima superable a una velocidad dada, etc – y el programa, por medio de una serie de iteraciones, ofrece los valores aproximados de los valores de algunos componentes – potencia de motor, de batería, etc – para alcanzar dichos requerimientos. En la Fig. 11 se muestra la ventana de la función “auto-size”: 65 Fig. 11. Ventana función “auto-size” 2.3 MASA DEL VEHÍCULO La masa del vehículo a simular es la suma de todos sus componentes, es de decir, la suma de la columna que aparece a la derecha de la pantalla – Fig. 12 - . A dicha cantidad se le suma el peso del equipaje (que también es una variable editable). Sin embargo, existe la posibilidad de imponer la masa total del vehículo, independientemente de su masa real. Para esto se debe activar la función 66 “Override mass”, también señalada en la Fig 12, e introducir el valor de masa con el cual se desea lleva a cabo la simulación. Fig. 12. Masa del vehículo a simular. Función “override mass” Una vez completada esta fase, se pulsa el botón de continuar en la parte inferior derecha de la página. 3. PANTALLA DATOS DE LA SIMULACIÓN Después de haber determinado el vehículo que se va a simular se deben determinar las características de la simulación que se va a realizar; dónde se va a simular, qué resultados se van a extraer, etc. En la Fig.13 se muestra la pantalla de datos de la simulación: 67 Fig. 13. Pantalla de datos de la simulación 3.1. CICLOS DE UTILIZACIÓN Las simulaciones se llevan a cabo en los ciclos de utilización. Se trata de representaciones de los diferentes entornos en los que puede utilizarse un vehículo. Constan de un perfil de velocidades en función del tiempo (o de la distancia, según la gráfica) donde también aparece la pendiente (o la altura total según la representación). Hay ciclos de carácter urbano - con bajas velocidades y frecuentes paradas -, suburbano – con velocidades elevadas y relativamente constantes -, y mixtos. El ciclo se elige en la pestaña que de la esquina superior derecha, tal y como se muestra en la Fig. 14. La pantalla muestra una gráfica del ciclo 68 seleccionado – en la Fig. 14 aparece la de “velocidad y elevación / tiempo” ya que es la que aparece por defecto por ser la más representativa -. Además, en la parte inferior se pueden observar las estadísticas del ciclo (en lugar de las estadísticas también se puede mostrar una descripción escrita, pero la información que aporta es mucho menor). Fig. 14. Información del ciclo de utilización 69 Existe la posibilidad de crear un nuevo ciclo a partir de una serie de ciclos ya existentes. Para ello se debe pulsar el botón “trip builder”, en la parte superior derecha. Aparece entonces la ventana de esa opción – Fig. 15 -, en donde se seleccionan los ciclos – y el número de ellos – que conformarán el nuevo ciclo de funcionamiento. Fig. 15. Ventana de la opción “trip builder” Por último, también en la parte superior derecha, se debe indicar en la casilla “ # of cycles” el número de ciclos que se desea que se realicen en la simulación. 3.2. CONDICIONES INICIALES DE LA SIMULACIÓN 70 Una vez definido el ciclo de funcionamiento en el que se va a probar el vehículo, se deben determinar las condiciones iniciales de la simulación. Para ello se selecciona el botón “initial conditions” en la parte superior derecha. Aparece entonces la pantalla de condiciones iniciales – Fig. 16 – en la que se puede definir el valor de diferentes variables, como por ejemplo, la temperatura ambiente, la temperatura inicial del motor o el estado inicial de carga de los sistemas de almacenamiento de energía. Fig. 16. Ventana condiciones iniciales 3.3. TESTS A REALIZAR 71 Una vez definidas las condiciones iniciales y el ciclo en el que se va a simular el vehículo ya se puede proceder a la simulación. Sin embargo, existe la opción de realizar al vehículo una serie de pruebas que darán como resultado sus prestaciones. Se puede seleccionar un test de aceleración, uno de pendiente o ambos al mismo tiempo. Para ello se seleccionan respectivamente el botón de “Accel options” y el de “Grade options”. En la ventana del test de aceleración – Fig. 17 - se fijan primero algunos parámetros relativos al test, como por ejemplo los sistemas de energía que se consideran activados para el test o el tiempo perdido en cada cambio de marcha. En la parte inferior de la ventana se determinan los test que se desea que se realicen, como por ejemplo hasta tres aceleraciones – determinando el usuario entre qué velocidades – o la velocidad máxima. Fig.17. Ventana del test de aceleración 72 En la ventana del test de pendiente – Fig. 18 – se determina la velocidad y la duración de la pendiente, y se obtiene como resultado la pendiente superable en esas condiciones. Además, se fijan igualmente los parámetros comentados en el test de aceleración. Fig. 18. Ventana del test de pendiente 73 entre diferentes tipos de vehículos. Junto a los datos de consumo aparece el número de kilómetros recorridos durante la simulación. Fig. 25. Resultados numéricos Inmediatamente debajo de los datos de consumo aparece el resultado de las emisiones, expresado en gramos por kilómetro. Si se pulsa el botón “Standards”, el programa remite al usuario a una página con enlaces a autoridades competentes en materia de contaminación ambiental en los estados unidos. También se puede obtener una representación gráfica de las emisiones en función del tiempo solicitándolo por medio de las pestañas de selección de gráficas de la parte superior derecha de la pantalla. Más abajo aparece la zona de prestaciones. Los resultados que aparezcan serán únicamente los solicitados en la pantalla anterior (datos de simulación). Se observan los datos de las aceleraciones solicitadas. Las prestaciones que no se ha solicitado simular aparecen como “n/a”. En la parte inferior derecha aparece una zona reservada a mensajes acerca de las incidencias de la simulación. Si no ha existido ningún tipo de problema, el 80 recuadro aparecerá vacío – Fig. 26 -. En cambio, si la simulación no se ha desarrollado normalmente – por ejemplo, el vehículo no ha sido capaz de seguir el perfil de velocidades que marcaba el ciclo de utilización – aparece un mensaje de atención similar al de la Fig. 27. Se puede detectar que un vehículo no ha sido capaz de seguir a partir de la gráfica de velocidad requerida y velocidad adquirida en función del tiempo – aparece un ejemplo en la Fig. 28 -. Fig. 26. Ventana de mensajes. Simulación correcta Fig. 27. Ventana de mensajes. Simulación con problemas Fig. 28. Gráfica ejemplo de vehículo que no sigue el perfil de velocidad del ciclo 4.4. RESULTADOS USO DE ENERGÍA El programa ofrece la posibilidad de visualizar el valore de energía que entra y sale en componente del vehículo, tanto cuando opera en modo normal 81 como cuando lo hace en modo regenerativo. Para ello se debe activar el botón “Energy Use Figure” que activa la ventana que se observa en la Fig. 29. Fig. 29. Ventana de utilización de energía Esta ventana ofrece la posibilidad de visualizar una representación gráfica de los resultados de utilización de energía, tanto para modo normal como para modo regenerativo. Para ello hay que pulsar los botones de la parte inferior de la ventana “Loss Plot (Power Mode)” o “Loss Plot (Regen Mode)”, según se desee la gráfica de energía funcionando en modo regeneración o en modo normal. En la Fig. 30 aparece un ejemplo de gráfica de utilización de energía en modo normal. 82 Fig. 30. Ejemplo de gráfica utilización de energía, modo normal Tal y como se ha comentado en apartados anteriores, la manera más recomendable de guardar resultados es la de guardar la simulación “save simulation”, puesto que de ese modo se tiene acceso a toda la información anterior con un solo archivo guardado; al cargar una simulación, aparece la tercera pantalla – resultados de la simulación -. Pero si se retrocede – botones “Back” o “Back twice”, se tiene acceso a los datos de la situación – ciclo, condiciones iniciales, etc – y a los datos del vehículo. 83 7.3. TIPOS DE BATERÍAS Batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, se le denomina al dispositivo que almacena energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga. El mayor salto en el campo de las baterías ocurrió en 1991 al comercializarse la primera de iones de litio que por su poco peso eran ideales para los equipos electrónicos portátiles, y los nuevos coches eléctricos. La duración de las baterías, los largos periodos de recarga, su capacidad y su alto precio, son los factores clave que explican la escasa implantación de los vehículos eléctricos, hasta ahora. Un vehículo eléctrico se alimenta de la electricidad almacenada en baterías recargables, que permite su funcionamiento con cero emisiones en su punto de uso y sin apenas ruido, excepto el producido por los neumáticos. En la última década hemos asistido a una profunda mejora de las baterías, reduciendo su coste y permitiendo más ciclos de carga, a la vez que ha aumentado la capacidad de almacenamiento por unidad de peso y volumen, se ha eliminado el efecto memoria y ha aumentado su duración. La mejora de las baterías va a continuar. Como sistemas de almacenamiento de energía, las baterías electroquímicas pueden dividirse en aquellas que almacenan la energía que se les proporciona para luego cederla en la misma forma (pasivas) y aquellas que proporcionan energía por sí mismas (activas). A continuación se enumeran y explican brevemente los tipos de baterías usadas en los coches eléctricos: Baterías Ión-litio: La batería de iones de litio, también denominada batería 84 Li-Ion, es un dispositivo diseñado para almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo. Las propiedades de las baterías de Li-ion, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, la ausencia de efecto memoria o su capacidad para operar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido el diseño de acumuladores livianos, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados para las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo, y también para los coches eléctricos. Desde el inicio de su comercialización a principios de los años 1990 su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música, y hoy la industria del automóvil empieza a dar un salto cualitativo. Las baterías de iones de litio deben su desarrollo a la telefonía móvil y su desarrollo es muy reciente. Su densidad energética asciende a unos 115 Wh/kg, y no sufren el efecto memoria. Cada batería proporciona 3,7 voltios, lo mismo que tres baterías de Ni-MH o Ni-Cd (1,2 V cada una). Las baterías de iones de litio se usan en teléfonos móviles, ordenadores portátiles, reproductores de MP3 y cámaras, y alimentarán la siguiente generación de vehículos híbridos y eléctricos puros conectados a la red. A pesar de sus indudables ventajas, también presentan inconvenientes: sobrecalentamiento, alto coste y dependencia del litio. Presentan una larga vida para las baterías profesionales de los vehículos eléctricos. Algunos fabricantes muestran datos de más de 3.000 ciclos de carga/descarga para una pérdida de capacidad del 20% al 33%. Las baterías de polímero de litio es una tecnología similar a la de iones de litio, pero con una mayor densidad de energía, diseño ultraligero (muy útil para equipos ultraligeros) y una tasa de descarga superior. Entre sus desventajas está la alta inestabilidad de las baterías si se sobrecargan y si la descarga se produce por debajo de cierto voltaje. 85 Baterías Níquel-metal-hidruro: Una batería de níquel-hidruro metálico (Ni- MH) es un tipo de batería recargable que utiliza un ánodo de oxidróxido de níquel (NiOOH), como la batería de níquel cadmio, 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 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%), lo que hace que estas se perpetúen en nichos de largos periodos entre consumo (como los mandos a distancia, luces de emergencia, etc), mientras que son desplazadas por las NiMH en el de consumo continuo. Cada célula de Ni-MH puede proporcionar un voltaje de 1,2 V y una capacidad entre 0,8 y 2,9 Ah. 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 las 500 y 700 cargas, algunos de sus inconvenientes son las "altas" temperaturas que alcanzan en las cargas o en los usos. Baterías de plomo-ácido: Las baterías de plomo son un tipo de batería muy común en vehículos convencionales, no híbridos. Suelen dar 6V, 12V u otro múltiplo, pero la tensión que suministra cada celda es de 2 V. Tienen una gran capacidad de corriente que las hacen ideales para los motores de arranque. Su forma más conocida es la batería de arranque de automóviles térmicos. Están formadas por un depósito de ácido sulfúrico y dentro de él una serie de placas de plomo dispuestas alternadamente. Para evitar la combadura de las placas positivas, se dispone una negativa adicional, de forma que siempre haya una placa negativa exterior. Generalmente, en su fabricación, las placas positivas 86 están recubiertas o impregnadas de dióxido de plomo (PbO2), y las negativas están formadas por plomo esponjoso. Este estado inicial corresponde a la batería cargada, así que el electrolito agregado inicialmente debe corresponder a la batería con carga completa (densidad 1.280 g/ml). Según el número de placas, la corriente (intensidad) suministrada será mayor o menor. Debajo de las placas se deja un espacio para que se depositen eventuales desprendimientos de los materiales que forman las placas. Para que no haya contacto eléctrico directo entre placas positivas y negativas, se disponen separadores aislantes que deben ser resistentes al ácido y permitir la libre circulación del electrolito. Baterías de níquel cadmio: Son baterías recargables de uso doméstico e industrial profesionales. Cada vez se usan menos (en favor de las de NiMH) debido a su efecto memoria y al cadmio, muy contaminante. Sin embargo, poseen algunas ventajas sobre el NiMh, como por ejemplo la cantidad de ciclos de carga y descarga, que oscilan entre los 1.000 y 1.500 ciclos, presentando de esta manera una vida más larga. En condiciones estándar dan un potencial de 1,3 V; presentan una densidad de energía de sólo 50 Wh/Kg. A continuación se presenta una tabla comparativa de los distintos tipos de baterías en la que aparecen tanto datos técnicos como económicos: 87 Tabla 13. Tabla comparativa de distintos tipos de baterías 88 7.4. TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS A la hora de seleccionar el motor para una aplicación eléctrica en un vehículo hay que tener en cuenta su alta eficiencia, características de par notables, alto rango de velocidad a potencia constante, libertad de mantenimiento, insensibilidad a la sobrecarga, y menor peso y volumen para la misma potencia. El coste puede ser, de todas maneras, el factor más importante en la selección de un motor. Aquí se recoge, a modo de resumen, las características de las tecnologías de máquinas que más se emplean en la actualidad. • Motores DC con escobillas: Los vehículos que utilizan un motor de DC como sistema de propulsión disponen de un motor con una excelente característica par-velocidad. La velocidad del motor es proporcional a la tensión aplicada, lo que simplifica el circuito de control. Los motores DC son menos eficientes que los de AC y su construcción es más complicada debido al conmutador de delgas y escobillas. La eficiencia va cambiando empeorando a bajas velocidades y altos pares (50-60%). Requieren un mantenimiento regular y son muy sensibles a sobrecargas y sobrevelocidades. La velocidad máxima que logran es menor a la de un motor equivalente de corriente alterna o AC. La eficiencia de estos motores puede mejorarse sustituyendo el sistema de excitación del estator por imanes permanentes, el problema es el precio de éstos, lo que hace que sean sobretodo en motores pequeños. Un inconveniente de estos motores es su baja densidad de potencia(Kw/volumen) y su baja potencia específica(Kw/Kg). Estos motores son utilizados sobre todo en pequeños motores en vehículos especiales y en vehículos de bajas potencias. • Motores AC: Por motores de corriente alterna entendemos motores de jaula de ardilla trifásicos de inducción que disponen de un estator trifásico 89 • Alta eficiencia en todo el rango de operación de la máquina (a lo largo de toda la característica par-velocidad). • Altas densidades de potencia: Kw/Kg, Kw/l. • Conceptos de refrigeración de alta eficiencia. • Necesidades de Par alto a bajas vueltas y aumento del rango de velocidades a potencia constante. Alta eficiencia en todo el rango. • Diseño integrado motor/inversor para optimización y eficiencia energética. • Diseño integrado motor/reductor para optimización de peso y tamaño y eficiencia energética. • Alta eficiencia en los dos modos de operación: como motor y como generador para aprovechar la frenada regenerativa. • Conceptos avanzados para configuración de motor en rueda. 96 7.5. TABLA DE RESULTADOS OBTENIDOS CON ADVISOR Para llegar a las soluciones óptimas en cada escenario de demanda se realizaron sucesivas iteraciones en la selección de parámetros del vehículo. Los resultados de éstas se guardaron en tablas en Excel, las cuales se presentan a continuación. Hay que recordar que el rendimiento se expresa en pérdidas (rendimiento(%) = 100 – pérdidas(%)). Tabla 16. Resultado de simulaciones con Advisor para vehículo particular, 3 ciclos. 97 Tabla 17. Resultado de simulaciones con Advisor para vehículo particular, 5 ciclos. Tabla 18. Resultado de simulaciones con Advisor para vehículo tipo taxi. 98 Tabla 19. Resultado de simulaciones con Advisor para vehículo de reparto, 2500 Kg MMA. Tabla 20. Resultado de simulaciones con Advisor para vehículo de reparto, 3500 Kg MMA. 99 7.6. CONSUMOS DE VEHÍCULOS TÉRMICOS A la hora de comparar los consumos de los vehículos eléctricos diseñados con los consumos de sus análogos térmicos, se tuvo que realizar una aproximación de estos últimos. Para ello, se tomaron los datos de varios vehículos de diferentes marcas, tanto de modelos en gasolina como en diesel. El consumo se convirtió a litros equivalentes de gasolina (en los diesel) para expresar el gasto energético en las mismas unidades que el programa Advisor. A continuación se exponen las tablas con los modelos escogidos, sus consumos, y el consumo medio estimado, primero para vehículos particulares y posteriormente para vehículos tipo taxi: Tabla 21. Consumo de turismos térmicos de tamaño pequeño Los vehículos térmicos escogidos para ser comparados con los vehículos particulares eléctricos fueron turismos relativamente pequeños y de no mucha potencia. En cambio, los vehículos térmicos escogidos para ser 100 comparados con los vehículos tipo taxi son vehículos de tamaño relativamente mayor y con una mayor potencia (en los vehículos tipo taxi dimensionados se consideró una carga de 400 Kg). Tabla 22. Consumo de turismos térmicos de tamaño medio A la hora de comparar los vehículos eléctricos de reparto con los vehículos térmicos destinados al mismo fin se escogieron unos cuantos modelos de vehículos cuyo peso rondaba los 2500 o los 3500 Kg que circulasen actualmente por nuestras ciudades. En el caso de las furgonetas más pesadas los modelos escogidos presentaban una M.M.A. de 3500 Kg exactamente, mientras que en el caso de los vehículos de 2500 Kg se trabajó con una población de modelos de entre 2109 y 2770 Kg de peso y de potencias variadas para obtener un espectro aproximado de furgonetas de este tamaño: 101 Tabla 23. Modelos de furgonetas térmicas de M.M.A. aproximada de 2500 Kg Los modelos de 3500 Kg de M.M.A. analizados se exponen a continuación en la Tabla 19: Tabla 24. Modelos de furgonetas térmicas de M.M.A. aproximada de 3500 Kg 102 7.7. MIX DE PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD Los datos usados para construir la Tabla 2 provienen de un informe de la Res Eléctrica Española a día 20 de abril de 2010. La fecha escogida resulta interesante al ser actual ya que en los últimos dos años las proporciones de energías participantes en el mix de generación han variado notablemente: se ha pasado de un 48% de rendimiento de generación a un 36% actual, situándose más cerca del valor medio europeo. Se han tomado los datos de la siguiente tabla, teniendo en cuenta también la proporción de energías participantes en el régimen especial (Tabla 26). Tabla 24. Balance eléctrico español. Mwh obtenidos de cada fuente de energía el último año(hasta 20 abril) 103 Figura 16. Estructura de producción del régimen especial por tecnologías Como se ve en la figura 16, dentro del régimen especial, se presenta nuevamente un reparto de tecnologías responsables de generar electricidad. Se ha tomado el reparto del año 2008 para aproximar el del último año, ya que dentro del régimen especial la proporción no varía muy sustancialmente (aparte de que el régimen especial es una pequeña proporción del mix total). El cálculo, por ejemplo, al generar un Kwh, la cantidad de energía eléctrica generada a partir de energía hidráulica sería: E = 1Kwh * (17315370/85288964+ 4416 / (23308+7183+31393+4416) *(29586458/85288964)) = 1Kwh * (Ehidr/Etotal + Ehidr.especial/Eespecial * Eespecial/Etotal); De esta manera se construiría la Tabla 2 del capítulo 4.1 de la memoria, responsable de las proporciones de energías primarias consumidas por el vehículo eléctrico. 104