Para empezar, la termodinámica, rama de la física que estudia ciertos comportamientos energéticos, relacionados con la temperatura y transformaciones varias entre diferentes tipos de energía, nos asegura y demuestra que un rendimiento del 100% es imposible. Lo cual ya nos indica el nivel de la mayoría de artículos de divulgación periodística, donde es habitual asimilar todo lo eléctrico con rendimientos del 100%.

Ya más de tapadillo, esta afirmación está implícita en la manera de calcular los costes de cargar completamente la batería. Así que vamos a empezar por aquí. Miremos pues la realidad, sobre varios casos documentados, de las eficiencias de carga y descarga, los rendimientos reales de los coches eléctricos, y por ende, podremos calcular los costes reales de circular con uno de estos vehículos. Y para terminar, los costes ambientales reales de circular con el mismo, en varios países, sin entrar apenas en los costes de producción.

El primer paso, es definir la capacidad de la batería [1]. Se ha dicho que las baterías tienen definida una capacidad, en KWh, pero dado que no devuelven el 100% de la energía que se les ha metido, esta capacidad medida es la de la energía devuelta, nominal, al salir de fábrica, o más exactamente, después de unos pocos ciclos de carga/descarga de la misma, pues su máxima capacidad suele alcanzarse dentro de los diez primeros ciclos.

Esta capacidad también se da bajo unas condiciones de descarga concretas, con una potencia de salida concreta. De hecho, es a corriente constante, no a potencia constante, cómo se especifican las baterías, y generalmente en C’s, siendo habitual dar las curvas de descarga (y por ende, de capacidad) para varios valores de C. A más C’s de descarga, menor capacidad, y por tanto, menor rendimiento.

Según el proceso de carga, como ya se vio en los párrafos de cargas y cargadores, también tenemos una eficiencia mayor (a bajas C’s, muchas horas cargando), o menor (a C’s altas, tiempos de recarga rápidos), hasta el punto que el bajo rendimiento, tanto del cargador como de la batería, obliga a utilizar sistemas de refrigeración forzada, que hunde aún más el rendimiento.

Dicho de otra manera, si un coche tiene una batería de 16.2KWh como el Fluence, una recarga completa será inevitablemente de más de 16.2KWh, por tanto, la factura de la luz será superior, tanto más cuanto más rápido recarguemos. Dado que las recargas rápidas no se van a hacer en casa debido a que la potencia contratada no nos lo permite (a no ser que uno sea muy acaudalado y se haga un contrato para más de 30KW), éstas no van a ser tan elevadas como las recargas rápidas en estaciones que además, es probable que nos cobren el KWh más caro que la red eléctrica, además de cobrarnos más KWh reales que los que luego nos devolverá el coche.

Es decir, que si en un coche de gasolina se ponen 50 litros de sin plomo, éste gastará los 50 litros, y nos cobran por lo que le echamos. Sin embargo, en un eléctrico, igual sacamos esos 16.2KWh, pero le habremos sacado al enchufe más de 20KWh, que será lo que nos cobrarán.

Pero esto sigue siendo meramente calificativo, y encima, los señores de Tesla ‘regalan’ las recargas en sus estaciones de recarga rápida (de 120KW cada cargador!!). Dicho de otra manera, te lo cobran en el precio del vehículo y/o vía subvenciones que salen de los impuestos de todos, con lo que es difícil estimar lo que a uno le cobrarían en un surtidor de recarga rápida.

Por tanto, veamos casos reales como el del Leaf. Según datos de internet, para cargar la batería, que nominalmente tiene 24.15 KWh, el cargador le mete al coche 22.031 KWh (menos que la nominal), absorbiendo de la red 25.414 KWh, que es lo que nos facturará la compañía eléctrica. Según las medidas, la batería devolverá 21.381 KWh, que sería la capacidad nominal. La discrepancia real entre la capacidad nominal y la medida se debe a dos factores: los coches suelen descargarse entre 0.5 y 1C, y los fabricantes suelen guardarse un margen de capacidad como ‘reserva’, que podría ser perfectamente del 10%, o sea, 2.5KWh en este caso. Es decir, que aunque le metan 22KWh, la batería ya tenía una cierta carga interna, no estaba totalmente vacía. Y la descarga igual tampoco ha sido completa, así que esta discrepancia entra dentro de los parámetros normales.

Esto nos da un rendimiento del cargador del 86.7%, y de la batería del 97.05%. La razón del bajo rendimiento del cargador es la que ya conocemos: parte de la energía que éste da se pierde en forma de refrigeración tanto de éste como de las baterías. Tesla reporta una eficiencia pico del mismo del 92%, aunque no especifica las condiciones (a menor potencia suele tener mejor rendimiento). Por tanto, en realidad la electricidad utilizada por el coche en total es sólo el 84% de lo que se factura, para un Nissan Leaf, presumiblemente con carga lenta, pisando poco, y con el consumo de elementos extra bajo.

Según Tesla [2], este rendimiento es más bajo: entre el 59 y el 62%, pero al menos lo mide en las ruedas, no en la salida de la batería. Si tenemos en cuenta que el inverter del motor suele tener un rendimiento similar al del cargador, además de un rendimiento del motor eléctrico también por debajo del 96%, el resultado suele ser que de la batería a la rueda llega sólo un 80 – 85% real. Tesla reporta para su Roadster un 88%, bastante bueno puesto que es un vehículo que tiene esta parte ligeramente sobredimensionada, debido a que tiene una gran potencia (pero usa poca). Pero a esto hay que añadirle el gasto energético del resto del coche. Gasto parásito que hace que el coche en parado consuma energía, sin moverse del sitio, igual que hacen los motores térmicos, sólo para mantenerse en funcionamiento.

Si el rendimiento del Leaf a la salida de la batería es del 85%, el rendimiento del sistema de potencia (inverter + motor) es un optimista 85%, tenemos que a las ruedas llega el 72.25% de la energía, pero aún hay que descontar una parte para el resto del coche, que es muy variable, con lo que las cifras que publica Tesla tienen bastante sentido.

Pero, ¿cómo dan las cifras de consumo los fabricantes? Pues lo normal es que se refieran al cociente entre la autonomía según normativa y la capacidad nominal de la batería reportada. Es decir, la eficiencia de batería a las ruedas queda obviada. Sin embargo, la trampa está en la normativa [3]. Dado que los gobiernos son favorables a la implantación de vehículos eléctricos y a que se dejan influir por los lobbies, la normativa aplicada a los mismos para definir la autonomía es básicamente la que los mismos fabricantes han desarrollado, y por tanto, ehm, favorable a sus intereses.

La determinación de la autonomía de cualquier vehículo es problemática, pero mucho más en un vehículo eléctrico, por lo que ya se ha explicado. Variaciones del estilo de conducción, de la carga, de las pendientes, del viento, de la aerodinámica, del tráfico y demás lo hacen especialmente difícil. Pero en un vehículo eléctrico, debido precisamente a su rendimiento, estas condiciones se vuelven mucho más variables y difíciles aún.

Así pues, el ciclo de prueba definido es bastante particular, diferente del aplicado a los vehículos térmicos. Dado que el principal punto donde interesa que se utilicen vehículos eléctricos es en las grandes ciudades para reducir contaminación, la normativa tiene una gran parte del ciclo de tráfico urbano, minimizando la parte de carretera y autopista. Pero resulta que esto es especialmente indicado para los eficientes eléctricos: bajas velocidades que permiten bastante regeneración en las frenadas y pocas pérdidas por rozamiento aerodinámico, desniveles suaves, bajas velocidades, pocos acelerones. Justo donde el eléctrico es muy eficiente y donde el térmico es especialmente ineficiente. En esta situación no hay color, y es precisamente donde los eléctricos brillan.

Tanto es así, que un mismo coche como el Fluence puede tener más de 200Km de autonomía en tráfico puramente urbano, y sin hacer ninguna filigrana, frente a los 180Km nominales (que suelen ser menos), o los 120Km reales en carreteras secundarias a 90Km/h, menos por autopista todo trapo y/o con conducción muy agresiva.

Tampoco se especifica muy claramente el equipamiento extra que gasta energía: aire acondicionado/calefacción, luces, equipos auxiliares, etc. Además, estas pruebas se suelen hacer dentro de rangos de temperaturas adecuados, óptimos, para las baterías. Temperaturas templadas donde no hace falta poner ni aire acondicionado, ni calefacción, o incluso con algo, poco, de calefacción, utilizando el calor residual del inverter, de día (luces apagadas), sin radio ni nada. Por supuesto, con la batería nueva no envejecida, totalmente cargada, sin carga en el vehículo, viento en calma, etc.

Y es que la autonomía se ve muy influenciada por asuntos tan peregrinos como la temperatura, la hora del día, el confort y otras medidas no relacionadas con el desplazamiento per se. La carga de elementos auxiliares puede llegar a ser importante, y las condiciones climatológicas pueden hacer variar hasta el extremo la autonomía del vehículo.

Dicho de otra manera: en una noche muy calurosa, o dentro de un parking (por la necesidad de las luces) con temperaturas muy altas (35ºC, por poner un ejemplo), con el aire acondicionado a tope, luces, ventiladores, y demás, un vehículo eléctrico puede estar consumiendo hasta 7KW sin moverse del sitio.

Por supuesto, esto es un caso extremo, pero en España, en agosto, al medio día es extremadamente raro que no se ponga el aire acondicionado. Y de noche está prohibido circular sin luces. Si contamos que en los países nórdicos, en invierno, cuando apenas tienen unas pocas horas de luz, se utiliza el aire acondicionado como bomba de calor para calentar las cosas (empezando por la batería), resulta que no es tan extraño que para circular por una gélida carretera secundaria, de noche, a varios grados bajo cero, sí que se consuman muchos KW sólo por temas térmicos, además de las luces.

Evidentemente los coches térmicos, cuando están parados en un semáforo, también consumen, y dado el bajo rendimiento de los mismos, el despilfarro es mayor, con la excepción de la calefacción, que sale gratis al aprovechar el calor que despide el motor precisamente debido a esta baja eficiencia.

Se han dado cifras de eficiencia de los coches eléctricos, que no son tan altas como se publica, pero ¿Qué hay de los térmicos?

Los motores de gasolina tienen un rendimiento más bajo, lo habitual suele estar entre un ineficiente 20% y un 27%. Los motores diesel, especialmente los turbo, llegan a cotas mucho más elevadas, hasta el 52% de cierto motor marino [4], a 100RPM, que da la ‘escasa’ potencia de 103000HP. Sin embargo, los motores diesel de coche están en rendimientos entre el 30 y el 40%, en el punto óptimo. Lo que tampoco se publica es que el rendimiento baja mucho fuera del régimen ideal de giro, justo lo que se da en tráfico urbano, y es el motivo por el cual hace falta un cambio de marchas: para adecuar el régimen de giro a la velocidad del vehículo. De ahí el elevado consumo en conducción en ciudad.

Para hacer una comparativa ajustada, no podemos intentar poner lado a lado una bicicleta eléctrica con el Ferrari de Fernando Alonso. Para ser más justos, una buena comparación sería entre el Renault Fluence versión eléctrica contra la versión diesel (pues ésta es la más eficiente y económica, la que suelen preferir los conductores españoles) de 110HP, la 110 dCi.

Los consumos se van a calcular a partir de los valores nominales del fabricante, a sabiendas de que son meramente orientativos. Si nos creemos que el eléctrico consume lo que el fabricante dice, bien podemos hacer lo mismo con el de gasoil. Y comparar el precio de un depósito de 160Km lleno contra otro que da más de 1000Km tampoco sirve. Veamos, empecemos con el eléctrico.

Según Renault, el Fluence ZEV (Zero Emission Vehicle, vehículo presuntamente sin emisiones), con 22KWh tiene una autonomía de 160Km. 100 millas, igual que el Leaf. Esto da un consumo de 137Wh/Km. A 17 céntimos el KWh, precio de Abril de 2014 en España, aproximadamente, esto significa 2,33 céntimos el Km. El Fluence dCi de 110HP, consume 4.6l/100Km de Gasoil. A 1.33€/l, el consumo sale a 6.12 céntimos el Km. La diferencia es notable a favor del eléctrico, aunque repostemos en gasolineras low cost por debajo de 1.25€/l.

Si contamos los precios de los coches, tenemos que el ZEV está en los 26000€, a los que hay que descontar una subvención de 6000€ según el plan aplicado (esto puede variar de un día para otro). También hay que contar con el Wall Box, unos 900€, donde enchufarlo, aunque se puede prescindir de el. El 110dCi está en 24000€, sin ayudas.

En lo tocante a mantenimiento, el gasoil tiene unos costes del motor elevados, entre cambios de aceite, distribución, reglajes, filtros, etc, la cosa puede salir por unos 2000€ de mantenimiento a los 200000Km. A esto hay que añadir neumáticos y pastillas de freno, líquidos de parabrisas, filtros varios para el aire acondicionado, etc, que no cuentan, pues son los mismos que para el ZEV, con lo que uno se ahorra fácilmente 1 céntimo más al Km por mantenimiento con el ZEV.

En el apartado tocante a impuestos, además de la subvención ya comentada, los impuestos del ZEV son muy bajos en cuanto a circulación, así como otros gastos asociados, al estar favorecidos por el gobierno, en detrimento de los más contaminantes diesel. Además, muchos parkings y autopistas hacen descuentos, incentivados también por los gobiernos, es decir, pagados entre todos, para estos vehículos, que pueden llegar a no pagar nada ni en parkings públicos ni en autopistas. Otro punto a favor de los eléctricos.

Las ventajas son claras pues. Evidentes y poderosas, suficiente razón para que los eléctricos se vendan como rosquillas, ¿no? De película. De hecho, en muchos reportajes de televisión, así como en periódicos y revistas especializadas, éste es justo el ‘cuento de la vieja’ aplicado a la contabilidad de los vehículos eléctricos. Todo muy atractivo.

¿No?

Pues este es uno de los trucos de manipulación más viejos y sencillos de la historia. El engaño por omisión. El encubrimiento, voluntario o no, de los puntos malos, negros, de las cosas que se venden. Lo que, una vez descubierto que se ha dejado, puede resultar negativo, puede desencadenar (como ya está haciendo), un ‘efecto Streissand’ [5] muy contraproducente. Y más en este caso, porque la omisión clama al cielo.

Es algo de bulto, de peso, y costoso.

La batería.

Se dejan la batería.

Una razón más para estudiar el caso de l Fluence. Porque el precio del mismo NO incluye la batería. Ésta se tiene que alquilar por la fórmula del Renting. De esta manera, Renault ha querido enfrentar el problema básico de los eléctricos. Si contamos el coste de renting de la batería del Fluence, vemos que el fabricante da una tabla de precios al mes según los años y los Km por año recorridos. El resultado es que la batería dura 200000 Km o 6 años, lo que antes ocurra.

Es decir, cada 200000 Km hay que hacer dos distribuciones en un diesel, y cambiar una batería en un eléctrico. Según vimos, en España (que no en Francia), las baterías difícilmente llegarán a durar 6 años, probablemente ni 4. Es posible que no se lleguen a hacer los 200000 Km de la misma, pero hay que gastar una batería que cuesta un dinero, estimada en unos 10000€. Sin embargo, para calcular el coste por Km, mejor hacerlo por la tabla de leasing, que es precisamente lo en realidad habrá que pagar.

Si cogemos el leasing a 5 años, para 25000Km al año, sólo de alquiler de la batería hemos de añadir 6.144 céntimos por Km. Más que el consumo de gasoil del CDi. Mucho más que el coste de la electricidad. Ooooops. La situación acaba de invertirse. Máxime si en realidad se van a hacer menos quilómetros que los contratados.

Llegados a este punto, queda claro que el problema de la autonomía de los vehículos eléctricos es absolutamente equívoca. Quejarse que la autonomía de los eléctricos es plantear el problema equivocado. Si Tesla tiene coches con entre 400 y 500Km de autonomía en baterías, es evidente que el problema con los eléctricos es otro.

El problema en realidad es el PRECIO.

Concretamente, el precio de las baterías, que hay que cambiarlas cada cierto tiempo. Si esto lo aplicamos en países nórdicos, con electricidad 100% de origen hidroeléctrico, barata, sueldos elevados, y temperaturas bajas que alargan la vida de las baterías por encima de 8 años, impuestos elevadísimos a los vehículos térmicos y los combustibles, por mucho que sean exportadores de petróleo, la situación no es la misma que en países más cálidos, con sueldos más bajos, y con electricidades muy caras, como es el caso de España.

Sin embargo, este tema en webs anglosajonas es tratado con mucha más profundidad, se pregunta por este punto en concreto en cada presentación de novedades del sector, las discusiones están más centradas, las informaciones más contrastadas, mientras que si uno mira páginas en castellano, básicamente todas se limitan a repetir los cantos de sirena comerciales, los mismos manidos argumentos, muchas veces sin ninguna base, que se repiten como una letanía.

Aún así, el precio de las baterías es el gran secreto de los fabricantes. La cuestión del precio del cambio de baterías, la pregunta obligada en foros internacionales, el dato, el más difícil de obtener de los fabricantes, y nunca se saca en claro. No sólo eso, es que se discute mucho sobre cómo dan éstos los precios. Es un secreto a voces que el precio se fija por razones políticas o de márketing, no con objetivos de beneficio económico. Se venden a pérdida.

Tanto es así, que hay mucha especulación al respecto en los foros anglosajones, para cada vehículo que sale al mercado. Uno de los ejemplos más flagrantes, que además resulta de lo más sencillo de calcular, de lo más aproximado, precisamente es sobre el más reputado de los fabricantes: Tesla.

Las baterías de sus coches se montan a partir de celdas estándar de ordenador portátil, no con baterías específicas para automoción. Claro que la legislación en EEUU es diferente que en Europa, más laxa en este aspecto, con lo que se favorece esta opción, que tampoco es exclusiva del fabricante americano, pues hay al menos un híbrido y un eléctrico con este tipo de fabricación, aunque en este caso, no puedo dar los nombres.

Tesla tiene en su último modelo, el S, dos tipos de batería, con tres versiones de vehículo: es S60, con 60KWh de batería, el S85, con 85KWh de batería, y el P85, con la misma batería de 85KWh, pero más potencia de motor.

Estas celdas, al estar diseñadas para reducir costes al mínimo, para aplicaciones de portátiles, apenas pueden dar potencias elevadas, por lo que estos vehículos llevan packs de supercondensadores para suministrar los picos de potencia, tal y como ya se comentó. Cosa que sigue siendo más que suficiente para esta aplicación, de hecho, es la mejor aproximación desde el punto de vista técnico, aunque suponga más coste y componentes, mayor complejidad, pero permite reducir al mínimo las baterías, sus requerimientos técnicos, de refrigeración, de coste, de potencia, de tamaño y de peso.

Aún así, la batería pesa unos nada despreciables 450Kg, a 400V, y permite autonomías de entre 370 y 500Km según batería ya conducción. Si se quita el aire acondicionado, se desconectan los asientos calefactados, etc.

E

El S60 cuesta uno 60000€, 68750€ el S85, y 80600€ el P85. Con batería y todos los complementos. No se puede decir que sea barato. Si se hace la previsión durante el primer mes tras la adquisición del vehículo, ahora Tesla ‘vende’ por adelantado las baterías de recambio para cambiarlas a los 8 años: 9240€ la de 85KWh, 7700€ la de 60KWh. Ojo, con ocho años de adelanto. Pero al menos, no parecen excesivamente caras, ¿no?

Sin embargo, si cogemos el precio de una batería de recambio de portátil, que utiliza las mismas celdas estándar para su fabricación, pero no tiene sistema de refrigeración, una electrónica mucho más sencilla, ni sistemas de seguridad, ni blindaje (el Tesla tiene que blindar la parte inferior de la batería debido a que se puede perforar al pisar una piedra, como ya ha pasado con uno de ellos, con el consiguiente incendio y la pérdida del vehículo). Por ejemplo, la batería del HP ProBook6550b, 10.8V, 56Wh, que estoy usando para escribir esto, en una web china, cuesta unos 50€ con IVA. Sin el IVA, 45€, y si estimamos que la batería, a peso, sin más, ni electrónica ni nada, es vendida a mitad de precio a Tesla debido a la economía de mercado, obtenemos que más o menos cuesta unos 400€/KWh. El mercado estima precios mucho más elevados, de entre 400 y 600€/KWh para un vehículo [6].

85KWh, 9240€, significa 108€/KWh. Una cuarta parte. Y eso, montada, con refrigeración líquida, blindaje, electrónica compleja dentro, elementos de seguridad que no tienen las baterías de portátil, ensamblados por mano de obra y energía americanas, más caras que la china.

A nadie le cuadra.

Aunque cobren ahora el precio de la batería que te venderán dentro de 8 años, con los intereses que esto le puede generar, aunque sea como financiación de la fábrica de las mismas.

Algunos clientes de Tesla que han tenido que cambiar la batería, y que no les ha cubierto la garantía, de 8 años, cuando el modelo no tiene ni 3 años en el mercado en el momento de escribir estas líneas, han tenido que pagar la friolera de 30000€ de batería. Medio coche. Por mucho que Mr. Elon Musk diga que el coste de las baterías en realidad no es ni una cuarta parte del precio del mismo. Será el precio de los materiales base, o de las celdas solas, sin contar todo lo asociado al montaje de todo el pack. Pack que como se ha visto, ni es fácil ni barato de fabricar, ni de reciclar. Curiosamente, sólo se tienen noticas de baterías que se han cambiado sin entrar en garantía, pero no de las que se han cambiado en garantía.

Y los Tesla no son baratos.

Baterías que en España, en latitudes y con clima similar al de California implican tener que cambiarlas cada cuatro o cinco años, no cada ocho. Así es lógico que todos los fabricantes de coches eléctricos quieran abrir una fábrica exclusivamente dedicada a fabricar sus baterías. Mientras Tesla propone una megafactoría en California [7], Renault quería abrir una en París [8], una de las capitales más caras de Europa, Nissan en Inglaterra, todas las marcas alemanas en Alemania, donde como mínimo hay una que yo he visitado en Nürmberg, etc. Lugares todos con mano de obra nada barata, grandes medidas de seguridad y automatización, etc. Eso sí, el Know-How, o lo que es lo mismo, las patentes y la tecnología, que no salga de casa. Hay que cobrarla.

Lo que menos cuadra de todo, es que esta producción sea cara, que los fabricantes no quieran exportar la tecnología, y sin embargo, que cobren por debajo de precios de coste. Algunos apuestan por el reciclado, pensando que el precio por la batería nueva en realidad es a cambio de la vieja, de donde, reciclando, se obtiene la diferencia. De hecho, es probable que una parte se pueda reciclar, presumiblemente la electrónica, el aluminio de la carcasa, etc, pero eso no significa que se obtengan el 100% de las materias primas ni que se puedan volver a usar algunas de las celdas sin más. Ni la electrónica se puede usar indefinidamente.

Y reciclar cuesta energía, bastante. No es fácil sustituir una sola celda. De hecho, solo abrir el pack de baterías ya es complicado, pues suele estar sellado, soldado, en una carcasa metálica, sin tornillos ni ningún acceso al interior, por motivos de seguridad, tal y como ya se comentó. La celda, a su vez, está también soldada a otros elementos, como la siguiente celda, y/o a una placa electrónica. No. Reciclar, aunque permita reducir algunos costes, no es ni barato ni inmediato. Ni gratis. Tampoco es que haya muchas plantas de reciclado de baterías de litio en el mundo. Es más rentable reciclar el cobre, el aluminio, o el cobalto, que no sólo son muchos más Kg, si no mucho más dinero. El lito, al representar tan poca cantidad y tan poco dinero, no interesa y se suele tirar [9].

De todas maneras, el reciclado sólo afecta a una parte del producto: las materias primas. Sin embargo, la fundición en moldes para hacer las carcasas, la laminación para hacer los electrodos, los tratamientos, los almacenes climatizados, los sistemas de test y recarga de baterías, eso consume una energía que se tiene que utilizar si o si, para cada pack de baterías que se fabrique. El resultado es que el reciclado sólo reduce el estrés, el riesgo de suministros críticos, precio y el consumo energético, y la nada desdeñable contaminación de la extracción de materiales, pero sin suplantarlo del todo. La aportación final es más bien baja. Y no hace crecer, no produce más material, sólo optimiza el existente.

Por otro lado, los gobiernos no dan ayudas para el cambio de baterías, sólo por la compra del vehículo, y por su uso, así que es probable que cuando las baterías empiecen a necesitar ser cambiadas en cantidades mayores, los problemas empezarán a arreciar, y si éstos trascienden, la opinión pública puede reaccionar negativamente, así que muchos fabricantes, como Toyota, tienen pocos miramientos en cambiar las baterías bajo garantía aunque ésta haya prescrito [10].

Ya está pasando con los Prius utilizados como taxi, que muchos ya la han cambiado bajo garantía hasta con 200000 Km y 4 años, aunque algunos la han tenido que pagar al haber superado los 220000Km o 4 años. La garantía es de 160000 o 3 años, por lo que tengo entendido, aunque esto va mucho por países y situaciones: en California la garantía es de 8 años, y su clima es bastante parecido al mediterráneo.. Claro que un taxi que haya hecho 200000Km y cambie la batería al módico precio de unos 1200€ por el proceso de recompra, no es algo alarmante, puesto que seguro que ya la han amortizado. No en vano, los Prius híbridos no enchufables usan una batería de NiMH pequeña, mucho más barata, sencilla, y que incluye una electrónica que sí que se reutiliza en el ‘nuevo’ pack (muchas veces es una batería donde sólo le han cambiado todas las celdas de NiMH, pero no el resto).

Hay varios factores más que hacen que esto de momento pase desapercibido. El primero es quién compra estos coches. Con estos precios, no son vehículos que compren particulares. Más bien, el perfil, lo lógico, lo económicamente más sensato, es que se compre este vehículo como segundo o tercero de la casa, para hacer los trayectos de cada día, que son los cortos, llevar lo niños al cole, hacer la compra, ir al trabajo y volver, y poco más. O bien como vehículo de empresa, para llevar los clientes al restaurante, al aeropuerto, a dar un paseo por la ciudad, o para visitarlos en el área circundante, con poca distancia de por medio.

Es decir, que se están vendiendo básicamente a gente con un poder adquisitivo elevado que lo compran como juguete o utilitario, o a empresas. El Ampera es uno de los que cuadran bastante en la primera situación, con una media salarial de los propietarios de más de 150000€ [11]. El BMW i3, el eléctrico más vendido ya en España, se ha vendido en más del 65% a empresas, según BMW, y casi todos los pedidos son precisamente de este tipo, muchas veces además, comprados por renting y/o leasing, con lo que el mantenimiento lo hace una empresa externa. Incluso empresas que hacen ERE’s y reducciones salariales se apuntan a la moda de comprar este tipo de vehículos.

Y encima, son éstos los vehículos a los cuales se les dan más ventajas fiscales y subvenciones, no a los vehículos particulares con pocas posibilidades. ¿Hace falta ‘ayudar’ a gente que tiene salarios de 150000€ al año, por mucho que sea en bruto, con 6000€ más de descuento, pagados entre todos los ciudadanos, para que se compren un coche que apenas pueden usar, y que presumiblemente no es el único que tienen, cuando muchas familias no pueden pagar ni siquiera un coche de 6000€ que les es más imprescindible?

Mucha gente opina que cualquier cosa es buena si ayudamos a progresar la tecnología y además mejoramos el medio ambiente. Lo de emisiones cero de CO₂ es una razón lógica y evidente, pues reducir la contaminación, especialmente en las grandes y atestadas ciudades japonesas. Fue el primer empujón a estas tecnologías que hubo.

Además del hecho de que ‘ayudar a la tecnología’ se está utilizando en realidad para ayudar a rentas más altas, ¿Qué hay de cierto con el tema de las emisiones?

Ciertamente, un vehículo eléctrico no emite ningún tipo de gas de efecto invernadero por su inexistente tubo de escape. Aunque en realidad, como decía mi padre, lo que se hace es cambiar el tubo de escape el coche a la central eléctrica.

Lo cual significa que en realidad, aunque el coche no emita per sé, sí que se emiten elementos nocivos en alguna parte para hacer la electricidad. Así que en realidad, sí que hay una emisión de CO₂ a la atmósfera por cada Km recorrido. Emisión que depende de algo llamado ‘Energy Mix’, y que no es una fiesta de discoteca [12].

El ‘Energy Mix’ o mezcla de tecnologías de generación eléctrica es la suma de las diferentes centrales eléctricas de un país o región, y por tanto, dependen mucho de dónde se consume esta electricidad, es decir, de dónde se enchufa el coche eléctrico. Por eso, y dado que los fabricantes saben que algunos clientes no son tontos, especialmente si tienen un cierto poder adquisitivo, dan cifras de emisión. Evidentemente, Renault da la suya, en base al Energy Mix francés.

BMW también da la suya en base al Energy Mix francés. Igual que Audi, Mercedes, Opel.

¿Huh? ¿Fabricantes alemanes dando sus emisiones según Francia? Algo no me cuadra. ¿Será porque Francia, con sus numerosas centrales atómicas, al tener más del 80% de su electricidad de origen nuclear, apenas emite CO₂?¿Porqué no utilizar Finlandia, que tiene un 100% de hidroeléctrica?¿Será porque no sería creíble?

Para empezar, el Energy Mix depende del día y la hora, aunque vamos a coger, de media, el del año, que también varía de un año al otro. Vamos a utilizar la de 2009 en la España peninsular, un año relativamente bueno en este aspecto, puesto que la generación renovable es elevada en este país.

Hagamos un poco de química para entender esto.

La mayoría de combustibles usados son de la familia de los hidrocarburos. Es decir, están basados en dos elementos básicos: hidrógeno y carbono. Algunos otros, como el etanol, son alcoholes, los cuales además tienen oxígeno. Las reacciones químicas de combustión para obtener calor son las típicas: reacción del hidrógeno y del carbono con oxígeno, lo cual devuelve una energía térmica, que es convertida termodinámica mediante, en electricidad en las centrales eléctrica, aunque en los vehículos se utiliza directamente la energía mecánica que se obtiene por medios termodinámicos.

El hidrógeno, como ya se ha dicho, es el que aporta más energía por Kg al oxidarse, casi 40KWh. El carbono, elemento base (aunque no el único) del carbón, da mucha menos, alrededor de 8.1KWh por Kg quemado. Sin embargo, mientras el primero no emite ni un gramo de CO₂, sólo vapor de agua, el segundo se convierte todo en CO₂, a 2.93Kg de CO₂ por cada Kg de carbón quemado. Esto equivale a 362g de CO₂ por cada KWh de calor obtenido.

Pero dado que los hidrocarburos se utilizan mediante sistemas termodinámicos, el rendimiento de la generación no es perfecto, de hecho, es bastante bajo. Este rendimiento depende mucho de las temperaturas alcanzadas. De todos, el carbón, utilizado para hacer vapor de agua que mueve una turbina de vapor que a su vez hace girar la alternadora, es el que tiene menor rendimiento, alrededor del 33% de pico. En resumen, que emiten 950g de CO₂ por cada KWh de electricidad producido, o incluso más, además de otros contaminantes.

Las turbinas de gas, que queman precisamente gas natural, tienen un rendimiento más elevado, al trabajar a temperaturas más altas, y por tanto, mediante los sistemas de ciclo combinado, llegan a dar rendimientos reales cercanos al 50%, incluso superiores en circunstancias favorables, con emisiones de CO₂ de sólo 370g por KWh de electricidad generado.

Dado que los hidrocarburos son mezclas de Hidrógeno, gaseoso, y Carbono, sólido, en diferentes proporciones, según tengamos mayor proporción del último vamos a tener combustibles más ‘sólidos’ como el chapapote o fuel oil extrapesado con cadenas extralargas con mucho carbono, o gases para cadenas más cortas, con mucho más hidrógeno, como el metano, que, por cierto, es 24 veces más potente para hacer efecto invernadero que el CO₂ a igualdad de peso.

Por tanto, hidrocarburos muy ligeros no sólo darán más energía por Kg de combustible, si no que darán menos CO₂ y mayor rendimiento, mientras que hidrocarburos más pesados darán peor rendimiento y más CO₂ por KWh generado.

Además, hay sistemas de generación renovables de varios tipos, que contribuyen a reducir aún más las emisiones de CO₂ al no emitir apenas. Claro que algunos, como las centrales de biomasa, sí que emiten CO₂, aunque éste proviene de CO₂ que antes se ha retirado de la atmósfera, con lo que el balance es, generalmente, cero.

Veamos pues, si calculamos con los datos de la Red Eléctrica Española [14] las emisiones de un Renault Fluence eléctrico en la península, a partir de los datos de consumo del fabricante, el Energy Mix peninsular (los insulares son casi todos a base de fósiles), y con el rendimiento del cargador y sistema eléctrico de casa.

Según se ha dicho antes, el consumo eléctrico del Fluence es de 137Wh/Km de electricidad de la batería. Dado que el rendimiento del cargador y de la misma no es perfecto, el consumo a este lado del enchufe, estimando una eficiencia del 80% es de 171.25Wh/Km reales. La REE da unas pérdidas por distribución y transformación medias del 9%, con picos de más del 30%, y valles de menos del 5%. Si nos acogemos a la media, esto implica 188.2Wh/Km en las centrales eléctricas, que es donde la REE da la media de emisiones de CO₂ anual. El 2009 que hemos cogido de referencia, que es el mejor reportado en la historia, da unas emisiones de 250gCO₂/Kwh, lo cual significa que de media, las emisiones de CO₂ de este Fluence serán de 47gCO₂/Km.

Es decir, de Cero Emisiones, nada de nada.

Claro que si lo comparamos con el Fluence dCi como ya se ha hecho antes, vemos que éste emite 119gCO₂/Km, aproximadamente dos veces y media más. No está mal. Y no está muy lejos del valor dado en Francia. Ojo, los coches a gasolina emiten menos, al ser ésta un hidrocarburo más ligero con menos carbono.

Bien. Según esto, parece que efectivamente son más ‘ecológicos’ que los diesel, o los gasolina. Al menos, en España. Pero ¿y en China? Los chinos, que no son pocos, y que están creciendo, con lo que es un mercado interesante, podría ser el mejor sitio para intentar introducir los eléctricos. Si encima tenemos en cuenta los problemas conocidos de contaminación en Pekin y otras ciudades, la apuesta debería ser decidida.

Pero el Energy Mix chino es diferente del español. Más del 70% de sus centrales son de ineficiente carbón, e inauguran una nueva casi cada semana, con lo que la cosa no mejora. Es decir, sus emisiones por KWh generado son malas, de alrededor de 893.2gCO₂/KWh (datos a partir de la gráfica adjunta, estimando pérdidas del 9% de transmisión), lo cual implica que el Fluence mismo que en España emite 47gCO₂/Km, en China emite 153gCO₂/Km. Más que el dCi.

En Estados Unidos [13], donde alrededor del 49% de electricidad es de carbón, las emisiones están en el orden de 100gCO₂/Km, más que algunos diesel y gasolinas de bajo consumo, mucho más que los híbridos, con lo que resulta que los eléctricos, si no contaminan tanto en la ciudad, en total, el resultado final, dependiendo del país, contaminan tanto o más incluso que los térmicos. Y eso, sin contar el consumo energético de su fabricación, claramente superior que para los térmicos, con unas emisiones de 7.5 toneladas equivalentes de CO₂, frente a unas 4.5 para el Fluence dCi.

Como demostración, Renault ha publicado un gráfico en el cual se ilustra esta comparativa, pero en dos países diferentes: Francia, y su amigo el Reino Unido. Por supuesto, nadie se plantea en ningún momento el problema de los residuos nucleares del país vecino. Sin embargo, hay que fijarse que la ‘vida’ de los coches de la comparativa es de 150000 Km. Menos de lo que se estima que dura la batería, que es justamente la que se lleva la mayor parte del consumo energético y de materiales. Si se hiciese la estimación con el cambio de batería, el Fluence ‘ZEV’ en el Reino Unido ya no saldría menos contaminante que el dCi.

La primera vez que hice estos cálculos, en 2011, con la electricidad más barata (unos 14 céntimos el KWh), el gasoil más caro que la gasolina, por encima de 1.5€/l ambas, había poca diferencia entre el eléctrico y el térmico en cuanto a mantenimiento, aunque las ayudas fiscales y subvenciones favorecían al primero, ahora la situación está más a favor del térmico, aún con el apoyo estatal a los eléctricos, pero en parte debido al cambio en la reglamentación eléctrica y a la evolución del precio de los combustibles.

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Tres elementos básicos hacen que la situación vaya a favor de uno y de otro: la evolución de los precios de las baterías, la electricidad y los combustibles. Por debajo de éstos, hay dos elementos que tienen mucho en común: el precio de la energía en general, y del petróleo en particular. Mientras el precio de la energía está directamente ligado a la electricidad y el del petróleo al de los combustibles, ambos se alían para determinar el precio de las baterías: la energía para fabricarlas, y el petróleo para obtener las materias primas. Y además, el precio de la energía depende también del precio del petróleo.

Averiguar la evolución de estos precios es, pues determinante.

Aparte quedan los intereses del estado, que para colmo, también tienen mucho que ver con la energía y el petróleo. Sin las ayudas económicas del mismo, los coches eléctricos pierden claramente sobre los térmicos.

Queda claro pues, que el vehículo eléctrico tiene dos frentes importantes delante: por un lado la vertiente económica, y por otro, el asunto importante, la base sobre la cual muchos lo idolatran, que es la vertiente energética. Queda demostrado pues, que el coche eléctrico no es tanto un asunto de vehículo (debido a su coste) como un asunto de energía, especialmente de renovables (versus fósiles). Éste es el meollo real del asunto, el que se va a abordar en las siguientes entradas.

[1] – http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_measure_capacity

[2] – http://es.wikipedia.org/wiki/Tesla_Model_S

[3] – http://en.wikipedia.org/wiki/New_European_Driving_Cycle

[4] – http://es.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rtsil%C3%A4_-_Sulzer_14RTFLEX96_-_C

[5] – http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Streisand

[6] – http://www.plugincars.com/tesla-model-s-replacement-battery-packs-125571.html

[7] – https://gigaom.com/2014/05/08/tesla-is-zooming-ahead-with-its-massive-battery-factory/

[8] – http://green.autoblog.com/2011/07/12/report-french-government-withdraws-all-funding-for-renaults-ba/

[9] – http://todoproductividad.blogspot.com.es/2011/09/el-incremento-en-el-precio-del-petroleo.html

[10] – http://www.forocoches.com/foro/showthread.php?t=2806674

[11] – http://autos.aol.com/article/why-the-chevy-volt-is-attracting-wealthy-buyers/

[12] – http://www.planete-energies.com/en/the-energy-of-tomorrow/the-energy-mix-254.html

[13] – http://energeopolitics.com/2011/06/09/comparative-energy-mixes-usa-and-china/

[14] – http://www.ree.es/es

La entrada Apuntes sobre vehículos eléctricos (y otras cosas). Números. Beamspot 1×12 se publicó primero en COLAPSISTAS.COM.

Pero apenas se habla del proceso de diseño, fabricación, detalles de los componentes, y, sobre todo, del plan de desarrollo del fabricante, sus intereses particulares a todos los niveles, sus inversiones y asuntos financieros y económicos, las relaciones legales y posibles asuntos con los gobiernos y regulaciones, ni del propio mercado del automóvil como tal, ya al margen del propio fabricante e incluso de los gobiernos.

Desde el momento que lo que se compra es lo que los fabricantes producen y no la lista de sueños del comprador, resulta importante entender y analizar precisamente el lado de la oferta, lo que piensan y cómo actúan los fabricantes, las plantas de producción, los gobiernos en su papel de moderadores, y los usuarios finales en tanto que son los que al final eligen que se van a comprar, si es que compran. Y dado que encima una parte importante de la población española trabaja en el sector del automóvil, el lazo se cierra y estrecha aún más.

Empecemos por los fabricantes y las líneas de producción, el proceso de diseño, industrialización, producción, comercialización, y exploremos las implicaciones que tiene tanto temporales como técnicas, y de paso, económicas y financieras.

Fabricar un coche es algo que mezcla muchas plantas de producción, empresas, sectores, países, recursos, materias primas, y muchas personas. Organizarlo por tanto es complejo y requiere tiempo, personas, recursos y mucho dinero.

Empezando por las provisiones de metales varios para realizar las diferentes partes de los motores, chasis, carrocería, tren de rodadura, baterías, nos encontramos con grandes siderometalúrgicas y fundiciones, moldes, estampación, soldadura, ensamblado, pintura, etc. Ésta suele ser la parte más vistosa y cara, una de las más largas en el proceso de desarrollo e industrialización.

Aparte esta la sección de plásticos, textiles y electrónica. Asientos y plásticos del interior, moquetas, alfombrillas, reposabrazos, equipamiento electrónico vario, luces, estética, es una parte llena de detalles y que aporta el número mayor de piezas al vehículo, sea del tipo que sea, y además suele ser la que aporta mayor variedad, con lo que suele ser una parte que implica muchos más recursos humanos, trabajo, detalles y partes aunque a nivel de producción e inversiones no esté tal alto como la parte anterior. En este caso, suele ser precisamente la parte que se analiza en los reportajes y comparativas, la que se mira con lupa una vez acabado el vehículo, y donde suelen estar los detalles económicos de la compra, según equipamiento.

Con la cantidad total de componentes que tiene un vehículo moderno, diseñar un coche es algo que lleva mucho tiempo y trabajo, equipos multidisciplinares muy numerosos, grandes cantidades de dinero, muchas complejidades, y grandes dosis de organización y disciplina.

El proceso de diseño además se ve complicado por un asunto de la máxima importancia: la fabricación. El cliente final de los ingenieros de diseño no es el comprador del coche, ni la dirección de su empresa. Es la línea de producción, aunque parece ser que a muchos les cuesta de entender.

Dado que una línea de fabricación puede ser muy cara y necesitar varios cientos o miles de millones de euros para su industrialización, así como varios años para tenerla a punto para la producción, interesa maximizar la capacidad de producción de la misma con la mínima inversión.

El resultado suele ser lo que se conoce como plataformas o bases [1]. Se trata de poner en común el máximo de elementos básicos, esencialmente los más caros, con el mínimo de variaciones, para la máxima cantidad de modelos de coche y de su producción. Así por ejemplo, podemos tener una plataforma común para el VW Polo, el Seat Ibiza y el Skoda Fabia. De esta manera, en la misma línea de producción se fabrican todos los modelos de una misma gama de tres fabricantes, del mismo grupo en este caso, aunque no tiene porqué ser así.

En esa misma línea se fabrican todos los modelos, con todas las posibilidades de motorización, interiores, colores, acabados, etc. De esta manera la industrialización del chasis y carrocería sale más a cuenta, pero a costa de una mayor complejidad y tiempo de desarrollo.

Lo mismo vale para la mayoría de detalles internos. Se cambia lo mínimo, y lo que se cambia comparte muchas veces detalles en común, aunque superficialmente cambien mucho. El hecho de que un LED sea azul para las largas o naranja para indicar que se entra en reserva es algo que apenas implica complicaciones en la línea de fabricación, pero que permite diferenciar perfectamente un coche de otro.

Así pues, este concepto se aplica profusamente en todos los aspectos del desarrollo del todo el producto del coche, incluyendo la posibilidad de tener motorizaciones híbridas o eléctricas, por ejemplo. No sólo entre modelos de una misma gama, sino incluso entre gamas varias y especialmente, entre generaciones. Por poner un ejemplo, el motor 1400 gasolina del grupo PSA es el mismo que ya equipaba en su momento el ya olvidado Talbot Horitzon, al cual se le han hecho modificaciones, se le ha añadido la inyección electrónica, centralitas de gestión y similares, pero la base de fabricación continúa siendo la misma desde hace décadas, con lo que el diseño y desarrollo de este motor y todas sus actualizaciones y modernizaciones están más que amortizadas, y además, como efecto beneficioso para todos, más que probadas y aseguradas.

Este concepto no sólo permite reducir costes de fabricación, además aporta que se utilizan (o debería) los conocimientos adquiridos de la producción del modelo anterior para añadir mejoras, reducciones de costos y operaciones, mejorar la calidad, acelerar el proceso, y añadir las novedades de la nueva generación.

Las novedades que se van incorporando además también son generalmente nuevas generaciones de sistemas que ya se introdujeron anteriormente en otras gamas. El sistema habitual de la automoción es empezar desarrollando novedades y conceptos nuevos para las gamas más altas de la automoción.

Esto tiene varias ventajas: producción reducida implica que las líneas de producción tienen unos requerimientos diferentes, más económicos, con más tiempo de producción, más manual, más detallista, más técnico, quizás más complejo. Esto permite dedicar más tiempo al detalle, lo cual es la base para aprender a producir los nuevos productos.

El hecho de que se produzcan pocos implica evidentemente que son más caros, pero dado que precisamente son los que marcan la diferencia entre vehículos de gamas más altas, más caros por definición, esto no representa una desventaja, más bien un argumento a favor de este proceso.

Otra ventaja es que generalmente las nuevas tecnologías suelen ser más caras al no haber suficientes elementos de apoyo ni conocimiento. Precisamente ésa es la definición de novedad: algo que nunca antes se había hecho. Por tanto éste es el punto de partida de la curva de aprendizaje: novedades rabiosas y complejas en los vehículos de alta gama, caros y de menor producción, que a medida que se van desarrollando, conociendo, mejorando y abaratando al haber más competencia, van bajando de gama hasta acabar en las grandes tiradas de los vehículos de gamas más bajas.

Una última ventaja añadida es que en las gamas altas, al haber menos producción, y encima al manejar más dinero, suele haber menos problemas económicos (pero más de imagen y márketing) con posibles garantías, reclamaciones, recalls por parte del fabricante para realizar cambios, etc.

Sin embargo, todo lo expuesto hasta ahora tiene una dimensión temporal y económica muy importante. El diseño de un coche no es algo que se haga de la noche a la mañana, y muchas veces, como el ya mencionado caso del motor de PSA, se utilizan partes diseñadas hace décadas. Y para colmo, conlleva inversiones realmente grandes, de decenas, centenares e incluso miles de millones de euros.

Como consecuencia, si añadimos que las leyes obligan a tener recambios durante quince años, el sector de la automoción es altamente conservador, inmovilista, reacio a cambios y experimentos, poco dado a arriesgarse. Un error en una gama, y la deuda puede volverse impagable. Un modelo previsto que se venda en cientos de miles que se venda en decenas de miles al año, y la ruina está asegurada.

Más razones para el concepto plataforma: minimización de riesgos.

Muy bien hasta aquí, pero ¿Qué pinta el vehículo híbrido o eléctrico en todo esto? ¿Cómo afecta este concepto a la fabricación de coches eléctricos y/o híbridos?

En realidad afecta mucho. Demasiado incluso, hasta el punto de ser precisamente uno de los elementos que más frenan y más determinan el calendario de despliegue de la movilidad eléctrica.

Veamos. Hemos dicho que las novedades se aplican a los coches de alta gama. También hemos dicho que los experimentos, con gaseosa. Por tanto, el primer punto de la lista a la hora de desarrollar un vehículo híbrido o eléctrico es simple: tiene que ser un híbrido de alta gama, a ser posible uno que consuma mucho de no ser híbrido.

Lo de alta gama es evidente, y además suele ser parejo de elevado consumo. Un Q7 [2], por ejemplo, es un buen candidato. El hecho de tener una variante híbrida con menor consumo, es un gran atractivo para sus potenciales clientes si hacen mucha conducción urbana con semejante peso pesado, y dado el poder adquisitivo del potencial comprador, no representa un gran problema que sea relativamente caro.

La parte de híbrido es menos evidente, pero es el claro exponente de que los experimentos, con gaseosa. Para empezar, un coche de alta gama tiene que tener un motor potente, buenas prestaciones incluyendo la autonomía, espacio de maletero y bastante equipamiento. Esto hace difícil y poco viable un vehículo totalmente eléctrico para tales menesteres. Sin embargo, dado el evidente elevado consumo de este tipo de vehículos, resulta lógico que una versión híbrida puede reducir mucho el consumo en la mayoría de casos, además de aportar detalles extras como el control de tracción y estabilidad eléctrico, sin contar que al ser híbrido, no enchufable, el pack de baterías se reduce, el problema de la autonomía desaparece.

La reducción de las baterías para dejar sitio, bajar coste, minimizar riesgos y garantías, junto con el hecho de que mucha de la electrónica y parte de potencia y frenado son comunes para los eléctricos, implica que este concepto no sólo permite seguir con la pauta habitual de la curva de aprendizaje y desarrollo, si no que a la vez se desarrolla una parte importante, quizás la más complicada, de los vehículos eléctricos, a la vez que se comercializan los productos, se desarrollan las baterías haciendo invisibles sus problemas, se mejoran los procesos, se amplía mercado para el producto, y a la vez, se empieza a subir por la cuesta de la curva de producción, aumentando volumen y mejorando precios gracias a la economía de escala, allanando el camino para nuevos y más variados modelos.

Y de rebote, se hace un producto maduro de un mercado ya conocido, sea aún más atractivo para sus potenciales clientes, lo cual facilita el dimensionamiento de la producción y la previsión de ventas, y encima una parte importante de la línea de producción es común. Ventajoso, obviamente.

Pero aún hay un punto más a añadir, espinoso, y que tiene repercusiones internacionales y políticas. Se trata de las normativas, regulaciones, homologaciones, y todo lo que tiene que ver con la legalidad y los aspectos jurídicos en caso de accidentes o cualquier cosa relacionada con leyes y seguridad [3].

En Europa, que es uno de los dos centros mundiales donde ‘se corta el bacalao’ automovilístico, más concretamente en Alemania y Japón, con algunas pequeñas ramificaciones europeas más (básicamente el grupo Fiat, PSA y la empresa ‘estatal’ Renault), el sistema legal está relativamente poco relacionado con los gobiernos, dejando en manos de las empresas una autorregulación férrea, si bien los estados tienen algunas potestades, es básicamente el asunto impositivo y algunos puntos de colaboración más los que imperan, muy especialmente en el caso de Renault.

Este tipo de regulación en el fondo es un sistema de lobbying, de corporativismo, que aumenta aún más las rigideces del desarrollo de vehículos de todo tipo. Este tipo de normativas consensuadas, muchas de ellas respaldadas en forma de estándares internacionales como la IEC 61851’ Electric vehicle conductive charging system’ son la base sobre la cual se sustenta la homologación para la comercialización de los vehículos.

Pasar las pruebas descritas es algo caro y complicado, que los fabricantes de coches intentan reducir al mínimo. Una razón más para homologar una plataforma. Homologando uno, muchas de las pruebas valen para todos los modelos de los varios fabricantes, aunque no sirve para todo. La reducción de coste es sustancial, así como el tiempo necesario para poder fabricar y vender el vehículo.

Sin embargo, según qué novedades se intenten aplicar, la normativa no existe. Es el caso de utilizar los supercondensadores para vehículos híbridos y eléctricos. Hay cosa hecha, del sector eléctrico, incluso de las energías renovables, pero homologar su uso en aplicaciones de automoción con tensiones de más de 60V es algo que está pendiente de hacer.

Eso implica una vez más, dinero, tiempo, datos reales de aplicaciones similares, presumiblemente exentas de la normativa (por ejemplo, para tensiones de 5V) en casos similares, pero no necesariamente los mismos, y una considerable inversión laboral en forma de abogados, técnicos, estudios, etc.

Si sólo un fabricante está interesado, y ve posibilidades de negocio, seguramente intentará hacer la normativa de tal manera que los favorezca. Si hay más fabricantes, se suelen repartir los costes a cambio de acuerdos, con lo que la cosa sale más económica, pero también significa que habrá más empresas competidoras metidas en el negocio.

Si el negocio no acaba de ser convincente, la inversión empieza a perder interés, y a veces se usa eso precisamente para vetar el paso a empresas pequeñas e innovadoras.

Homologar sistemas de supercondensadores, dada la experiencia con baterías de litio y otros elementos del tren de potencia, con tensiones elevadas, y además, para este caso, con picos de corriente y potencia aún más elevados, no es precisamente una de las homologaciones y legislaciones fáciles.

Así pues, puede resultar interesante empezar fuera de Europa. Especialmente si hay colaboración interesada por parte de los gobiernos, como es el caso de Japón, o un sistema legal más ‘laxo’ como es el caso de los USA, aunque tampoco signifique se sea el Far West precisamente.

En esta tesitura, hacer nuevos diseños partiendo desde cero, muchas veces es más fácil si no hay un nombre detrás que arriesgar, y si encima se rompe con la rigidez de las empresas ya establecidas. Pero que sea más fácil empezar de nuevo, significa también que es más arriesgado, cosa que causa alergia a cualquier gran empresa fabricante europea, con la excepción, una vez más de Renault, que ha hecho de la annoyomics bandera.

Si resulta que además, por ejemplo, la industria ya existente en un lugar, valga como ejemplo California [4], se ve muy apretada por un gobierno en el sentido de emisiones y contaminación, además de por la crisis, mientras el mismo gobierno incentiva económicamente el cambio de tecnología, puede ser interesante a las grandes empresas con una cierta reputación montar una nueva empresa ajena, pero controlada financieramente (es decir, siendo los dueños de las acciones) por una empresa ya existente, que además puede facilitar la cosa.

Por poner un ejemplo, si en dicho estado hay fábricas cerradas por quiebra de alguno de los dueños de las acciones, y el gobierno financia la operación, puede ser lucrativo que con dicha financiación, las grandes, mediante la empresa títere, se compren esas mismas plantas a un precio conveniente [5]

Ceder ingenieros, conocimiento y patentes, así como tecnología, bien de manera encubierta (por ejemplo, con las líneas de producción de las plantas cerradas), bien directamente, con el condicionante de compartir luego esta tecnología con los dueños de la situación, es algo que puede añadir interés y beneficios con escasas pérdidas, especialmente en un entorno de reducción de plantilla en las casas matrices.

Hacer luego cambalaches y cambios de cromos legales con los asuntos de créditos por emisiones y contaminación y temas legales relacionados, también es otro de los aspectos a considerar [6].

Si para muestra un botón, el Smart, o la SSangYong, son claros exponentes de esta manera de hacer las cosas, igual que Dacia. Hay algún caso más sonado [7].

A partir de ahí, obtener información, JointVentures, subcontratas y sacar adelante el negocio compartiendo cosas entre las empresas del grupo puede ser beneficioso si la cosa funciona.

Si no funciona, se cierra la empresa y a la hoguera con el CEO puesto a dedo por los accionistas.

Muchas veces el aspecto clave de todo negocio suele ser la financiación, además de los resultados de ventas. Para empezar a fabricar un nuevo modelo de coche, hace falta una inversión muy grande, en muchas empresas, y a varios años de plazo, que seguramente no reportará beneficios hasta el segundo o tercer año de fabricación masiva. El plazo suele ser de unos 10 años para modelos totalmente nuevos, hasta cinco para cambios más superficiales, o meses para simples ‘lavados de cara’, que además se suelen hacer sobre series ya amortizadas y sin problemas de ventas.

Por tanto, el punto de partida para valorar el negocio es siempre el volumen de fabricación de venta. Previsiones en base a parámetros varios, empezando por los económicos y financieros, pasando por los datos ya recopilados del mercado y que suelen ser bastante fiables para productos ya establecidos, pero totalmente inútiles para casos muy novedosos, y terminando por los asuntos estatales.

Por poner un ejemplo, si un gobierno hace previsiones de ventas de vehículos eléctricos de 1 millón para 2015 en uno de los estados miembros de Europa [8], los fabricantes pueden creérselo o no, pero seguramente el gobierno de turno, o incluso el gobierno de la Unión Europea, puede presionar a los fabricantes para que hagan planes para estimaciones parecidas. Luego ya pondrán los datos que crean, aunque pueden verse, como ha sido el caso de los híbridos y eléctricos, muy presionados en cifras al alza.

En Japón además, hay una gran concienciación desde hace tiempo con asuntos medioambientales. Resulta curioso que quienes mandan en la industria automovilística justamente fuesen dos países que desarrollaron la silvicultura más o menos a la vez hace unos 400 años, para paliar los daños medioambientales [9].

No es de extrañar que en ese tiempo, la población respectiva se haya vuelto bastante concienciada con el daño medioambiental. Aún así, la masificación de Japón desde hace siglos, con ciudades con muy elevadas densidades de población, causa bastante más concienciación con el tema que en una más rural Alemania, con mucha gente viviendo en pequeños pueblos cerca de las grandes ciudades.

Las diferencias en las idiosincrasias nacionales da una buena perspectiva de cómo ha evolucionado el tema. Mientras en Europa, con elevados impuestos sobre los combustibles, se han centrado en reducir las emisiones por la vía de la eficiencia del combustible, en Japón el problema se centraba en las mega urbes. Así pues el gobierno nipón, con el apoyo de su otrora poderosa industria, evolucionó hacia vehículos que en ciudad emitiesen menos contaminación, y de ahí salió el híbrido.

El hecho de que en Japón empezasen antes es fundamental. El apoyo gubernamental, la concienciación social, y el planteamiento nipón, mucho más acertado, desembocó en los primeros sistemas Start&Stop y Mild Hybrid, con el Honda Insight en primera fila. A medida que la tecnología mejoraba, que se avanzaba por la curva de aprendizaje y se iba refinando todo el sistema, la situación fue ampliando la oferta y los tipos de vehículos, sucesivas generaciones de vehículos y sistemas, una aplicación a rajatabla de las filosofías de producción (Toyota Production System [10], Kamban) y desarrollo (Lean Development, Obeya [11]). No en vano Toyota es el mayor fabricante de híbridos del sector, y Japón el principal exportador de ‘filosofía’.

Como resultas, Alemania, con su población distribuida y menos densa, quizás más centrada en desarrollar la parte proveniente de detrás del telón de acero, con problemas más reducidos de contaminación y concentración en las grandes ciudades al aplicar otro tipo de medidas (nucleos peatonales, red ferroviaria y de transporte público muy tupida, autobahns sin límite de velocidad) junto a la gran eficiencia habitual de los vehículos, tanto los teutones como los nipones, retrasaron la aparición de la tecnología.

Y además, cuando lo hizo, fue más en otro sector que no en el urbano. Como ya se ha comentado, el plan de desarrollo pasó por la etapa de reducir el consumo de los grandes vehículos de gamas altas y muy altas. No en vano, el principal producto de exportación de Alemania es este tipo de vehículos. Este tipo de retraso, junto con el hecho de que desde el principio se apostó por algo tipo plataforma, y que algunas empresas alemanas no aplican tanto los principios que utilizan y exportan los japoneses de desarrollo y fabricación, ha desencadenado un retraso en el desarrollo de este tipo de tecnologías en Europa, que va una o dos generaciones (por no decir tres) por detrás de Japón en este sentido.

Veamos un ejemplo de cómo la filosofía de plataforma es un arma de doble filo y cómo en el caso particular de algunos productos del vehículo eléctrico puede ir en detrimento de todos.

Si el principio de plataforma es la de satisfacer al máximo de clientes posibles con una base similar, con pocas variaciones, para reducir costes, eso implica que el producto debe ser capaz de cumplir con todas las norma, restricciones y requisitos de todos los clientes a la vez, o con algunos en particular después de sufrir algunas variaciones que hay que minimizar.

Si resulta que algunos clientes quieren que el cargador o el inverter o alguna otra parte clave de los vehículos eléctricos esté ubicada en el vano motor, bajo el capó, donde generalmente encontramos el motor de un coche térmico, mientras que otros prefieren ponerlo en el maletero, entonces tenemos que ver si este ‘pequeño’ detalle afecta al diseño.

Resulta que lo que va en el maletero, apenas tiene restricciones de ningún tipo. Mientras, lo que va en el vano motor, por normativa interna de automoción, tiene que aguantar las fuertes vibraciones de los motores térmicos. Especialmente los grandes que equipan a los vehículos de alta gama.

Por tanto, y dado que algunos de estos clientes, tal y como hemos explicado ya, van a utilizar este tipo de aparatos en vehículos híbridos, de alta gama (el Q7, por seguir con el mismo ejemplo), resulta que si hacemos una plataforma que cubra el máximo de posibilidades, interesa que pueda ponerse en todos los lados, y por tanto, la principal implicación es que debe cumplir con las necesidades mecánicas más restrictivas, que son las que aplican en el vano motor, para coches equipados con motores grandes.

El resultado final en el producto, es un aparato que lleva cientos de tornillos muy variados, en posiciones muy diferentes (es decir, con orientaciones de los atornilladores de todo tipo), muchos en situaciones difíciles que dificultan el proceso de atornillado (fastidiando el FPY), y que además aumentan mucho el peso debido no sólo a los Kg de tornillería si no a una carcasa de aluminio reforzada, con refrigeración líquida, muchas juntas, y bastante pegamento, cola, pasta de relleno para altas tensiones, encima en un tamaño muy compacto para que quepa en un capó lleno de cilindros de gran cubicaje, turbos y tuberías varias de admisión y escape, elevadas temperaturas y fuertes vibraciones.

Si el mismo producto se hubiese ubicado en todos los casos en el maletero, debajo de los asientos, o en algún otro lugar, además de tener más sitio, menos vibraciones, menores temperaturas y quizás más accesibilidad, hubiese resultado en un aparato mucho más sencillo, fácil de fabricar, y sobre todo, barato. Igual a mitad de precio.

Por supuesto, también hubiese cabido la posibilidad de hacer dos tipos de plataforma, la ‘gama alta’, que sería la que se está haciendo, y la ‘gama baja’ que sería la variante a montar en el maletero.

Dada la hoja de ruta expuesta, donde los primeros clientes serán vehículos híbridos de alta gama, tiene sentido para la dirección de las empresas que trabajan en esto, en empezar por la gama alta, y luego avanzar hacia la gama baja.

Sin embargo, esta vez, y dada la complejidad, hubiese sido mucho menos arriesgado, fácil, económico y probablemente lucrativo hacer el camino inverso. Recordemos que en Japón, los primeros vehículos que salieron fueron como el Honda Insight, pequeños, urbanos, baratos, de gamas medias – bajas, ‘populares’. No fueron Lexus de alta gama (aunque ciertamente éstos se comercializan, especialmente en Europa).

Ampliemos pues la presunta hoja de ruta que hubiese sido seguida sin interferencias de gobiernos, crisis varias y precios de las energías (gasolina, gasoil y electricidad).

La tecnología Start&Stop es estándar desde hace tiempo, aunque no es muy apreciada. De hecho, la mayoría de usuarios de la misma la tienen deshabilitada. Parece ser un fenómeno social: ‘no quiero que parezca que no se conducir y que se me cala el coche’. Cuestión de imagen, supongo. Tampoco es que sea una tecnología muy agraciada: la reducción de consumo apenas se nota en muchos casos, especialmente fuera de grandes atascos/ciudades, y encima la duración de la batería de plomo, sobredimensionada ya que no se adapta nada bien a estos menesteres, se acorta.

Los Mild Hybrid no tienen apenas éxito en Europa, a pesar de su bajo precio, mientras que en Japón son mucho más populares.

Sin embargo, el Toyota Prius y ahora el resto de la gama híbrida de este fabricante, están arrasando. Es el vehículo más popular entre los taxistas, y la mayoría de los que tienen uno, dicen que repetirán. Si alguien sabe bien si un coche les sale rentable, son los taxistas. Más de la mitad de los híbridos que se venden en España son de Toyota.

Dado que los híbridos no enchufables como el Prius ya están bastante maduros en cuanto a tecnología japonesa, y aunque a la alemana le falta algo, el siguiente paso, más difícil de dar, serán los híbridos enchufables. Es más, es posible que se vean bastantes cambios en cuanto a los híbridos no enchufables que luego serán utilizados en los enchufables. En poco retomamos este hilo y el porqué.

Los híbridos enchufables tienen mucho más en común con un coche eléctrico que los no enchufables. Para empezar, las baterías son de litio, mientras que los no enchufables, de momento son de NiMH. Tienen cargador, que añade peso, precio y consumo, pero junto con unas baterías más grandes, el resultado es que pueden hacer muchos viajes de forma totalmente eléctrica. Según la estadística que ya se ha comentado, más de la mitad. Ahí es donde en un principio se fomenta el ahorro y la reducción de emisiones, especialmente en recorridos urbanos.

Pasar de los híbridos enchufables a los eléctricos puros sólo hay un paso. Si con los no enchufables se desarrollaba la parte más compleja a pesar de ser la más ‘vieja’, la electrónica, con los enchufables se pasa a desarrollar las baterías, algo más nuevo y menos conocido en el mundo del automóvil, donde hay más movimiento.

Por tanto, cuando el grado de madurez de las baterías utilizadas en los híbridos enchufables sea mayor, se podrá pasar a los eléctricos puros, aunque muy probablemente salgan a la vez que los híbridos serie. Por ejemplo, el BMW i3. Eléctrico y versión con ‘range extender’ de gasolina por sólo unos 4000€ más. Es de esperar que sea así debido que los eléctricos, de momento, van a seguir con unas baterías relativamente pequeñas y autonomías por debajo de los 300Km en eléctrico puro.

Como ya se ha dicho, hacer un coche eléctrico puro, se puede enfocar desde dos puntos de vista: desde cero, aprovechando al máximo la idiosincrasia de este tipo de vehículos, por ejemplo, el EV1. O ‘convertir’ un coche ya existente, con lo que no se aprovechan de todo las oportunidades que ofrecen los vehículos eléctricos. El Renault Fluence, por ejemplo.

¿Cuál es la decisión más acertada? La primera es cara y arriesgada, mejor hacerlo con ‘empresas pantalla’ creadas a tal fin, como ya se ha explicado, o jugarse el tipo, el prestigio y la reputación, por no hablar de dinero, con una subdivisión específica, como es el caso de BMW.

Sin embargo, reaprovechar modelos ya existentes reduce el riesgo, el coste, el precio final, la inversión, y el tiempo de desarrollo. Es la apuesta de Renault con el Fluence, coche pensado desde el principio para tener los tres tipos de motorización, y el camino seguido con los híbridos through the road como los PSA y Volvo (el V60 plug-in hybrid), con líneas de producción más sencillas, coches que requieren pocas modificaciones del ‘normal’ para hacer el híbrido.

Sin embargo, el Renault Fluence es un ejemplo de que un enfoque equivocado puede resultar problemático, aunque a simple vista sea más económico.

Resulta que Renault decidió poner el inverter, el DC/DC de KL30 y el cargador justo encima del motor eléctrico, formando un todo con éste. Es la imagen que abre esta entrada. Todo en el vano motor, ocupando el espacio de los motores en las otras versiones de Fluence con otras motorizaciones.

Así que sólo le quedo espacio en el maletero y/o bajo el coche para poner las baterías. Se optó por alargar el maletero (cosa de carrocería, no de chasis, que ya estaba pensado para ello desde un principio y es el mismo para toda la gama) y ubicar un paquete extraíble justo detrás de los asientos traseros, pensado para ser cambiado rápidamente. También se llego a un acuerdo con una empresa llamada ‘Better Place’ para desarrollar una cadena de estaciones de recarga y cambio rápido de baterías de este vehículo.

Ya hemos comentado las implicaciones de poner aparatos electrónicos en el vano motor. Si además el motor es de peor rendimiento al no utilizar neodimio (como sí utiliza Toyota) si no inducción o excitación externa, y a que el paquete de baterías, al ser extraíble, es más complicado, grande, voluminoso con conectores y enganches específicos que no harían falta si no fuese extraíble, resulta que la autonomía se resiente bastante, mientras que el precio sube. Más razones, junto al hecho que Francia está en una zona climática más templada que no Alemania, para que el coche se venda sin batería.

Pasemos ahora a analizar la segunda parte de esta ecuación, que por supuesto, afecta a la parte de los fabricantes: la demanda. El mercado. Los clientes. Nosotros, los usuarios.

Las variables o parámetros que se tienen en cuenta a la hora de comprar un coche son muchos y muy variados. Algunos de los puntos tienen más peso, otros menos, y además se interrelacionan, las valoraciones de cada razón cambian según las otras. Así, una persona con mucho dinero valorará unas cosas, mientras que una persona que tiene poco o quiere gastar poco, mirará otras. También se valora la percepción subjetiva de los fabricantes, los comentarios en internet sobre el modelo, el tamaño, la estética, etc.

A grandes rasgos, sin embargo, podemos distinguir varios apartados sobre los que estudiar cómo afectan las decisiones de los compradores en el mercado del automóvil y las implicaciones que puede tener sobre los eléctricos y los híbridos.

El primer punto básico de estudio es, evidentemente, el económico. En dos vertientes: el precio, y el consumo/mantenimiento.

Otro punto importante, es la versatilidad del vehículo. Generalmente implica el tamaño y la autonomía.

Luego viene la parte de equipamiento, estética y otros apartados.

De forma esquemática:

• El precio final del vehículo, contando impuestos y descuentos o ayudas.
• El consumo.
• El mantenimiento estándar.
• La fiabilidad y la red de talleres.
• En el caso del eléctrico e híbridos enchufables, la disponibilidad de puntos de recarga, empezando por el parking habitual del vehículo.
• El tamaño del vehículo en cuanto a habitáculo.
• El tamaño del vehículo a la hora de aparcar.
• El tamaño del maletero.
• La autonomía, especialmente en los eléctricos.
• La vida útil.
• La financiación.
• La situación socioeconómica particular del comprador o compradores.
• La situación socioeconómica general de la zona de residencia.

Quizás los últimos puntos no son muy evidentes hasta que se recuerda la situación del mercado del automóvil desde 2000 a esta parte.

Está claro que el dinero es uno de los elementos importantes. Quien no tiene dinero, no compra nada, no puede. Perogrullada, por supuesto, pero que tiene bastante que ver con el tema.

Quien tiene mucho dinero, tiene más donde elegir, evidentemente. Además, dada la situación, puede comprar más de un vehículo. Incluso familias de clase media modesta tienen dos o tres vehículos, no estamos hablando sólo de gente con mucho dinero que colecciona coches.

Pero el aspecto económico no se reduce sólo al precio de compra del vehículo por el cual sale al final, sumando impuestos. No. También importa la parte de mantenimiento. Cuanto menos mantenimiento, generalmente menos gasto, aunque depende realmente de lo que implique este mantenimiento: muchas intervenciones baratas (cambios de aceite, por ejemplo), o unas pocas muy caras (cambio de la batería).

La cuestión es que según el tipo de circunstancias, se puede agrupar o segmentar el mercado en varias clases, donde no sólo el precio del vehículo es el factor determinante. Coches de alta gama pueden ser ultradeportivos o grandes todoterrenos, Ferraris o Hummers. Algo parecido pasa en las gamas bajas.

Tampoco es lo mismo el coche de un joven soltero que el de una familia numerosa, igual que no es el mismo el de una persona con ingresos bajos que un alto ejecutivo.

Sin embargo, dentro de las mismas gamas o segmentos, los vehículos de uno u otro fabricante tampoco varían en exceso para un mismo precio, aunque generalmente el mismo vehículo, con la misma plataforma y más o menos el mismo equipamiento, hay diferencia de precio: la marca se cobra.

Hay quien dice que al final quien decide es nuestro cerebro reptiliano, y luego las partes más avanzadas del mismo se encargan de elaborar las justificaciones y razonamientos necesarios para que se acepte dicha decisión por parte del consciente y del resto de personas.

Comprar un coche tiene bastante de subjetivo, especialmente en la elección de la marca. También tiene mucho de respuesta o perfil sicológico del que compra. En buena parte, es un símbolo de status, una carta de presentación, un elemento de ostentación, o bien un elemento útil, una mera herramienta práctica.

Aún así, los rasgos que se suelen presentar a la hora de comprar un coche también tienen que ver con las finanzas dentro de ciertos parámetros. Uno de ellos es precisamente la vida útil del coche, así como su utilización. Esto, aparentemente inocuo, es en realidad bastante importante a nivel mercantil.

Comprar un coche, dado el monto de dinero que cuesta, es algo que afecta bastante a la economía de la gente. No estamos hablando de un teléfono móvil de 200€, no, si no de un aparato que sólo comprarlo ya nos va a salir por más de 10000€, y además va a tener un mantenimiento. Y encima, nada más sacarlo del taller ya se pierde el 20% de su valor, vamos, ruinoso.

La consecuencia primordial de este punto, es que los compradores se miran mucho lo que compran, y lo hacen siempre pensando en un plazo, y muchos además, no sólo se miran el precio, el tiempo que lo van a usar, sino también el coste de mantenimiento, y cada vez más. El resultado es el tiempo que tarda en renovarse el parque de coches. Y eso depende también de la situación económica no sólo del propietario, si no de la zona en la que vive.

En una región, país, área en recesión económica, es evidente que las ventas van a ir a la baja, y con ello, la renovación del parque se alarga, la gente estira más la vida útil del coche, e incluso se deshacen de él debido al gasto que éste conlleva, sobre todo si tienen más de un vehículo.

Por tanto, los gustos y la demanda varía con el tiempo, a veces, muy rápidamente, en pocos meses, cambiando directamente la valoración de todos los parámetros en los que se basa la decisión, dando más peso a unos que a otros que antes eran de mayor importancia.

Esta división del mercado en nichos, y la variación en las gamas de más ventas por la variación de los parámetros de decisión es a lo que los fabricantes intentan adelantarse todo lo que pueden, para intentar diseñar el coche que se demandará para cuando el proceso de diseño, industrialización y comercialización esté finalizado y se empiece a vender. Con plazos de 5 a 10 años, la cosa no es nada fácil, aunque no sólo la gente tiende a cambiar lentamente, si no que los mismos fabricantes intentan reforzar el inmovilismo, precisamente para facilitar la toma de decisiones.

Para colmo, la sociedad y su idiosincrasia también hacen mucho. No es lo mismo el mercado japonés, muy concienciado con la contaminación y con problemas realmente graves de aparcamiento en las ciudades, que el mercado norteamericano con sus amplias autopistas, espacios enormes para aparcar en las urbanizaciones, y especialmente en la costa oeste, donde las empresas además ya preparan grandes zonas de aparcamiento tanto para sus empleados como para sus clientes, donde hay pocos problemas de contaminación, y combustible muy barato.

Todo esto hace que una previsión de ventas sea difícil, y además muy arriesgada. Introducir cambios puede ser un enorme éxito, o un enorme fracaso. Por eso, invertir en sistemas de propulsión eléctricos es algo que interesa hacer en las gamas altas: suelen ser las que menos problemas económicos suelen presentar, las tiradas y por tanto, las inversiones son menores, y el riesgo disminuye.

Además, las clases altas suelen ser más receptivas a tener ‘cosas nuevas’, ‘exclusivas’, ‘distintivas’. Y esto además hace de bandera, marca camino para que luego los que quieren ser algún día propietarios de vehículos de alta gama, precisamente deseen estos cambios.

Con la subida de los precios de los carburantes, la pelea para reducir consumos se ha incrementado. Máxime precisamente con los vehículos de alta gama y mayor peso/volumen, como el Hammer antes mencionado. De todas maneras, todos los usuarios se miran la cifra del consumo.

Sin embargo, el meme de la escasa autonomía de los eléctricos, junto a que los fabricantes prefieren ‘esconder’ los problemas con las baterías a base de utilizar sistemas que revelan mucho menos el estado de las mismas, como son los híbridos no enchufables, y encima, con baterías más económicas, la puerta está más abierta para los híbridos que para los caros y cortos de autonomía, los eléctricos puros.

Sin embargo, los híbridos no enchufables están bastante cerca del límite de eficiencia posible. Poco pueden mejorar los consumos con las tecnologías presentes. Por eso, se está avanzando en dos sentidos. Por una parte, los híbridos enchufables, que mejoran los gastos en dos sentidos: una parte importante se hace con la electricidad del enchufe, y otra parte mejora la utilización como híbrido, al tener más potencia específica, al poder reciclar más energía en la frenada.

Por otra parte, el uso de supercondensadores y LIC’s, con una potencia específica inigualable por las baterías, aunque con una energía específica que está (y presumiblemente estará) por detrás de las mismas, aumentará la eficiencia y el ahorro de combustible de forma considerable. Al fin y al cabo, sólo hacen falta unos pocos cientos de Wh para realizar esta función.

El resultado de usar esta tecnología seguramente acabará por derivar en vehículos híbridos no enchufables más baratos que los actuales, con menos problemas de vida útil y de temperatura, y con mejoras sustanciales de consumo urbano.

Y el siguiente paso, será aplicar esto a los híbridos enchufables, que continuarán teniendo el pack de condensadores, para suministrar la potencia cuando haga falta, y una batería de litio optimizada para tener el máximo de capacidad en el mínimo de sitio, a costa de tener menos potencia. Al fin y al cabo, de esto último se encargaran los supercondensadores.

Aunque estos vehículos sean más complejos debido a la electrónica más sofisticada para el trasvase de electricidad de/hacia los condensadores o batería, la reducción de peso, precio y tamaño de esta última debería compensar.

Por tanto, el camino a seguir por los fabricantes en las siguientes etapas, es el de reducir al mínimo el consumo de combustible, pero sin encarecer el vehículo, es decir, reduciendo al mínimo las baterías.

El coche meramente eléctrico queda para más adelante. Es demasiado arriesgado, significa demasiados costes e inversiones, y el mercado del mismo es un real desconocido. Además, si antes de arriesgarse con el mismo, la economía de mercado ayuda a reducir el coste del mismo y de su producción gracias a la demanda de híbridos, que tienen mucho en común, entonces el precio de venta seguramente será más barato, muchos de los componentes serán los mismos que ya se fabrican, y el riesgo será mucho menor. Además, los híbridos enchufables serán un buen sistema para medir ‘el pulso’ del mercado del eléctrico, amén de otros posibles fabricantes que ya se puedan haber metido.

Esta hoja de ruta, todo lo explicado hasta aquí, también significa que en circunstancias desfavorables, quien haya invertido en estas tecnologías y no acierte, tiene muchos visos de tener serios problemas financieros. Una mala previsión de ventas, y por tanto, de fabricación, y los gastos financieros se comen los beneficios del fabricante.

Hay que pensar que no es lo mismo hacer una línea de producción de 5 millones de ABS al año, modelo prácticamente único, plataforma para la gran mayoría de automóviles que se fabrican en Europa, que montar una línea para fabricar 1000 baterías de coche eléctrico al año.

En la industria hay un parámetro muy significativo, llamado OEE (Overall Equipment Efficiency [12]), que se usa para ‘medir’ la ‘eficiencia’ del equipamiento. Simplificando, mide el tiempo que la línea está produciendo respecto del tiempo total. No se hacen las líneas de producción para hacer bonito ni para estar expuestas tras una vitrina: interesa que produzcan todo el rato. Eso implica que escalar la producción no es inmediato.

Además, hay equipamiento que resulta difícil de escalar. Sale mucho más rentable hacerlo a la medida del pico de producción desde un principio, aunque el OEE baje. Un ejemplo, que además sirve para ilustrar las diferencias entre países debido a la regulación, es precisamente un asunto de fabricación de baterías de vehículo híbrido (lo mismo vale para eléctrico) de litio, que pasó por las manos del autor.

Para hacer el pack de baterías, en Europa, el fabricante necesitaba aplicar una normativa de seguridad que implicaba que las baterías debían estar un mínimo de 24h en un almacén a 5ºC, para luego pasar otras 24h mínimo en otro almacén a 30ºC, para luego asegurarse que cada célula estaba correcta y cargada al 60%.

Eso implica muchas cosas: cámara frigorífica de almacenamiento a 5ºC con capacidad para todas la células necesarias para el pico de producción (de hecho más: se pretendía que se pudiese almacenar material para otros productos), una segunda cámara climática a 30ºC que significaba enfriar en los cálidos veranos de la península, y calentar en invierno, y una cantidad ingente de sistemas de verificación y carga de las celdas individuales.

Comprobar una celda que esté en buenas condiciones no es trivial [13], y aunque se sigan los tests más rigurosos que hay hoy en día, nada descarta que en un mes la celda esté ‘muerta’. Se está trabajando precisamente en este tipo de tests, con algunos resultados interesantes, precisamente porque una sola de estas células que falle en un mes, significa cambiar todo el pack de baterías [14], y probablemente, mandarlo a reciclar, aunque haya 90 o más celdas buenas, ya que el proceso de fabricación es difícil de ‘volver atrás’ o de desmontar el pack, que va soldado. Eso es caro.

Si la producción se dimensiona por 30000 packs de baterías al año, esto significa unas 150 baterías al día. Cada una con sus decenas de células, que deben seguir el proceso de enfriamiento, calentamiento y test/carga de manera individual, al día. Garantizar que todas han estado las horas mínimas en cada una de las cámaras, así como que han sido testeadas y cargadas no es tampoco tarea trivial. Y la cantidad de cargadores/sistemas de test es elevada, ya que hace falta alrededor de 1 hora para cargar una batería, aunque no es de esperar que se tengan que cargar todas desde 0, más bien, desde el 30%.

Estamos hablando fácilmente de cantidades monetarias un orden de magnitud por encima de las inversiones habituales en la fabricación de electrónica del automóvil. Habitualmente más. Y en cuanto a material, cerca de dos órdenes de magnitud, más de 100 veces el precio de los componentes electrónicos.

Para hacerse una ida, una centralita electrónica o similar, está por debajo de 100€ (precio de fabricación). Un inverter con el conversor DC-DC de KL30, por debajo de 1000€. Una batería ronda los 10000€.

Y las garantías de calidad, más endebles, más apuradas. El riesgo es mucho más elevado que con la electrónica habitual. Y dado que las cámaras frigoríficas se tienen que dimensionar para el pico de producción o una parte significativa, este capital hace falta gastarlo bastante antes de empezar a producir.

Esto, en Europa, donde además los recambios deben de estar garantizados por 15 años. En otras partes del mundo, algunas de estas cosas se pueden obviar, reduciendo no sólo la inversión y las necesidades de producción, sino también los gastos financieros, lo cual redunda en una reducción de precios del producto, haciéndolo más atractivo para el mercado.

Todo este conjunto convierte el sector del automóvil en un sector muy rígido, muy inmovilista y rígido, poco dado a los cambios. Justo lo contrario de la electrónica de consumo, y quizás precisamente debido a la gran cantidad de electrónica que incluyen dentro.

Los años que han tardado los coches en incorporar pantallas dentro es otro dejemplo de esta diferencia. Mientras las tabletas y móviles anuncian modelos nuevos cada año, los fabricantes de televisores hacen campañas de Navidad con modelos nuevos siempre, y muchos años también en verano campaña de Olimpiadas o de Mundial de fútbol o cualquier otro evento, con plazos de desarrollo de menos de 2 años, y con volúmenes de producción de millones en esa única campaña.

Sin embargo, los coches, con producciones de decenas de miles a lo sumo, con la obligación de tener piezas de recambio durante 15 años, tienen un problema serio: los fabricantes de pantallas cambian el modelo cada año. Eso implica fabricar electrónica nueva cada año, garantizando la compatibilidad para que durante los 15 años de recambios éstos puedan interoperar a pesar de tener pantallas diferentes, y una inversión anual en equipamiento para fabricar un modelo nuevo cada año.

La mera mención de estos problemas causa sarpullidos en la dirección de las empresas automovilísticas.

Que se extienda un rumor sobre la fiabilidad de un fabricante o un problema sonado con alguno de los vehículos nuevos, puede bien causar un problema serio de ventas, que se puede traducir en quiebras.

En resumen, tanto bla, bla, bla para decir unas pocas cosas:

• El sector del automóvil es muy rígido y tarda mucho en realizar cambios.
• Como resultado, las novedades se aplican con cautela
• Esto implica una hoja de ruta, unos pasos de desarrollo hacia el coche eléctrico, pasando por los híbridos
• Los plazos para el cambio son de décadas
• Las inversiones son inmensas
• Los riesgos de cambios en la demanda pone en serios problemas financieros a los fabricantes.
• La situación económica del mercado puede cambiar mucho más rápido que lo que se pueden adaptar los fabricantes
• El mercado de vehículos eléctricos está muy verde, y los fabricantes no apuestan por el mismo sin incentivos gubernamentales
• La renovación del parque automovilístico también requiere décadas
• El cambio a vehículos eléctricos es algo que requiere mucho tiempo dada la vulnerabilidad a la que expone todo el sector, y por tanto los fabricantes no intentan acelerar el proceso.

[1] – http://en.wikipedia.org/wiki/Automobile_platform

[2] – http://autos.terra.com/noticias/presentaron_el_nuevo_audi_q7_hibrido/aut1652

[3] – http://en.wikipedia.org/wiki/IEC_62196

[4] – http://en.wikipedia.org/wiki/California_Air_Resources_Board

[5] – http://es.wikipedia.org/wiki/Tesla_Motors

[6] – http://wattsupwiththat.com/2013/12/21/the-tesla-battery-swap-is-the-hoax-of-the-year/

[7] – http://en.wikipedia.org/wiki/SsangYong_Musso http://en.wikipedia.org/wiki/Smart_%28automobile%29 http://www.renault.es/descubre-renault/dacia/

[8] – http://www.movele.es/

[9] – http://en.wikipedia.org/wiki/Edo_period

[10] – http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_producci%C3%B3n_Toyota

[11] – http://en.wikipedia.org/wiki/Lean_Manufacturing

[12] – http://es.wikipedia.org/wiki/Eficiencia_General_de_los_Equipos

[13] – http://batteryuniversity.com/learn/article/testing_lithium_based_batteries

[14] – http://en.wikipedia.org/wiki/Bathtub_curve

La entrada Apuntes sobre la fabricación del coche eléctrico. El punto de vista de los fabricantes. BeamSpot 1×11 se publicó primero en COLAPSISTAS.COM.

Sin embargo, hay muchos elementos más a tener en cuenta cuando uno habla de vehículos eléctricos. Algunos ya se han mencionado, otros son intuitivamente evidentes, otros sin embargo apenas se conocen o sólo se deja entrever su utilidad en esta serie de escritos.

Precisamente los elementos auxiliares y la electrónica interna del automóvil forman parte de la vida diaria del autor de estos soporíferos escritos, y no son escasos. Echarles una ojeada al menos da una idea de la complejidad del tema, así como algunos apuntes previos para la entrada posterior, que es precisamente uno de los puntos importantes y largamente olvidados en el asunto de estos textos, el de los fabricantes de automóviles.

El primer (o primeros, a veces son dos) componente que hay que mencionar, reiteradamente pues ya se ha explicado su uso, es el sistema de supervisión de la batería. Se suele componer de dos partes: la de control de carga y balanceo de tensiones [1], medidas de temperatura y control individual de las células, y la parte de control y supervisión general con medida de corriente (que entra y sale), todo bajo un mismo sistema de gestión de la batería, con capacidad para cortar ambos polos de la misma del mundo exterior.

Se trata de un elemento electrónico no excesivamente complejo, con más o menos intríngulis (especialmente la medida de corriente), pero los algoritmos y las matemáticas que hay detrás, son las que determinan gran parte de las limitaciones del coche. Además, como ya se ha dicho, tiene un consumo que puede acabar por agotar las baterías al cabo de muchos meses, y parte de su funcionalidad, el balanceo de las celdas, provoca parte de las pérdidas de rendimiento del sistema de almacenamiento.

En la lista de puntos importantes de cara a la seguridad, lo primero que se pone bajo la lupa. El Know-How del mismo es considerado uno de los secretos más importantes en la industria del sector, una de las claves estratégicas. No sólo se trata de carga y control de energía que entra y sale, también se controlan las temperaturas y otros parámetros de seguridad.

El segundo elemento en cuanto a importancia y evidencia, es el control de motor, el inverter [2]. Su función es la de generar tensiones alternas trifásicas a partir de la continua de la batería en la mayoría del tiempo, sin embargo, a la hora de frenar, su función es la inversa. Se trata de un elemento que requiere muchas matemáticas para su funcionamiento, con electrónica redundante, sistemas de seguridad, supervisión constante, y refrigeración líquida debido a la potencia que maneja con rendimientos, aunque elevados, por debajo del 98%. La termodinámica alcanza todas las áreas de la física, y éste es uno de los elementos que introduce pérdidas. No se trata de una parte barata, precisamente.

También en este caso, las matemáticas son un factor importante. No hay tanta guerra de copyrights, pues muchas se basan en la transformada de Park y su inversa, así como en la transformada de Clarke [3]. Matemáticas puras y duras, ejecutadas varios miles de veces por segundo, lo cual implica millones de cálculos con sus decimales (en coma flotante) por segundo, y por partida doble: dado que es un elemento de seguridad, se calculan los valores en dos procesadores, y luego un sistema de supervisión comprueba que los dos den lo mismo para dar los datos (y por ende, el sistema) por bueno. Es lo que se llama redundancia. Para eso hace falta cierto tipo de microcontroladores específicos de seguridad [4].

El tercer elemento, es el cargador. De hecho, los cargadores, en plural. Aunque la mayor parte de esta circuitería es interna, es decir, va dentro del coche, también hay casos en los que una parte va fuera. Tampoco es un elemento sencillo, también es una parte refrigerada por líquido, y si son diferentes circuitos es debido a que no hay un estándar de carga, si no varios.

Dado que es otro elemento caro y sujeto a reglamentación por seguridad eléctrica, hay varios modos diferentes de carga.

Por una parte, está el enchufe ‘de casa’, lo cual es posiblemente la parte más pequeña del cargador, totalmente integrada dentro del coche, puesto que la limitación en este caso, es la del contrato del propietario, la responsable de una parte de cuota fija de las facturas de la electricidad. Lo habitual en un contrato en España está entre 3 y 5KW para el uso doméstico, y por tanto no tiene sentido poner un cargador de más capacidad para tales funciones. Esto genera una carga lenta o muy lenta, de varias horas, y por tanto, con pocas pérdidas. El nivel de seguridad es el habitual doméstico. Se le llama ‘Nivel 1’.

Sin embargo, si se pretende cargar el vehículo en unas instalaciones comerciales o industriales con potencias disponibles más elevadas, hace falta algo capaz de gestionar este tipo de cargas, sobre todo, si luego se va a facturar por ellas. Es entonces que salen unidades externas de carga. En realidad, tampoco son cargadores. Son gestores de potencia, para limitar la potencia entregada al vehículo en función de la potencia disponible. Por supuesto, están los que no tienen tarificación, para uso particular, y los que sí tienen, para uso comercial. Y nunca se incluye su precio en el vehículo.

Hay dos variantes aplicables a este tipo, la de Nivel 2, de hasta 16 A, y la de Nivel 3, hasta 32 A [5]. Muchas veces se agrupan bajo la denominación Nivel 2. Todas de alterna, y todas con el control en la unidad externa. La funcionalidad es simplemente la de monitorizar en todo momento la potencia disponible para adecuar el suministro a las capacidades de la instalación, y así evitar posibles sobrecargas. También pueden utilizarse para parkings públicos o compartidos para evitar que personas no autorizadas utilicen la toma para otros vehículos.

Estas unidades externas pueden ser de potencias relativamente modestas, del orden de los 5 a 19 KW, para cargas moderadas (del orden de dos a seis horas), que suelen trabajar con alterna, trifásica la mayoría de las veces, y la función real de la carga la hace un circuito interno del vehículo, y que para este orden de potencia, ya necesita refrigeración líquida, incurriendo en ciertas pérdidas mayores que en la carga lenta. A veces, este tipo de carga, también conlleva la activación del circuito de refrigeración de la batería, con lo que las pérdidas suben debido al uso del refrigerador.

Pero también hay unidades externas de potencias elevadas para recargas rápidas [6]. En estos casos, estos circuitos suministran potencias de más de 20KW, alcanzando los 62.5KW, en tensiones continuas de hasta 500V o más, con niveles de seguridad elevados, comunicación entre la unidad externa y la interna del vehículo, y otras capacidades, como el uso inverso: alimentar la red eléctrica a partir de la batería.

Este tipo de cargadores de Nivel 4 (aunque en la literatura se catalogan a veces como Nivel 3) son los encargados de las recargas rápida, y en realidad, el cargador está en la parte de fuera, con su propio sistema de refrigeración. En estos casos, además, también se activa el sistema de refrigeración de las baterías, pues para cargas rápidas es absolutamente necesario, aunque el vehículo se recargue a temperaturas bajo cero. Los rendimientos caen en picado en estas circunstancias, motivo por el cual hace falta refrigeración. Además, el estrés eléctrico de las baterías es elevado, acortando la vida útil de las mismas en caso de abuso de la recarga rápida, debido al calor generado, entre otros motivos de envejecimiento.

Para cada uno de los casos, hay diferentes estándares de conector. El último se ha tomado de la más avanzada infraestructura japonesa, y se llama CHAdeMO [7], aunque hay otras variantes, y no todos los fabricantes, como Tesla, se adhieren a este estándar de facto. De hecho, Tesla utiliza su propio estándar de hasta 120KW, ya que sus vehículos tienen autonomías más elevadas que el resto. Lo que está claro, es que hace falta un control de la carga por parte del vehículo en estas circunstancias, pues es la unidad de control y supervisión de la batería la que determina en todo momento la carga que ésta es capaz de aceptar.

Y eso implica un estándar de comunicación para que este cargador externo se adapte a las necesidades del coche y su batería en cada momento. Esta comunicación pasa invariablemente por añadir pines a un conector con grandes terminales de corriente, y algunos pequeños destinados a la comunicación. Así pues, con los estándares y protocolos de comunicación hemos topado.

Otro de los puntos poco vistos y habitualmente obviados muy intencionadamente de las discusiones sobre vehículos eléctricos, es toda la cacharrería auxiliar. Los coches modernos están rellenos de equipamiento como pavos el día de acción de gracias. Electrónica muy sofisticada para hacerlos más llamativos y añadir argumentos de venta, empezando por el obligatorio salpicadero, pasando por el infotainment, navegadores, Head Up Displays, ABS, elevalunas eléctrico, lunetas térmicas, climatización multizona, asientos eyectables, lanzadores de misiles y el supernecesario rayo láser. Y luces, muchas luces.

Todo este equipamiento va alimentado eléctricamente, por supuesto. Incluso dos elementos que en los coches térmicos no lo están, como son la dirección asistida (que las hay eléctricas en coches térmicos, nada nuevo), y el servofreno.

Casi todos estos añadidos van alimentados a los habituales 12 V de la batería. Algunos se controlan directamente, otros con el contacto, otros no. La climatización, en un vehículo eléctrico, no funciona a partir de los 12V de la batería, si no directamente de la batería principal. Al fin y al cabo, mantener ésta en óptimas condiciones térmicas es un asunto de importancia máxima, de seguridad, y pasa por encima del conductor y su voluntad.

Así pues, hay un elemento necesario en estos vehículos, para pasar energía eléctrica de la batería principal de alta tensión (High Voltage o HV) al circuito de baja tensión, comúnmente conocido en el sector como KL30 (Klemme en alemán, Clamp en inglés). El número es el identificativo de cierta borna, estandarizado a nivel internacional. KL30 es la borna positiva de la batería de los coches normales, los 12V (que en realidad están entre 13 y 15). KL31 es la borna negativa, habitualmente el chasis o la carrocería metálica. KL15 es el contacto.

Dado que por ley, las líneas de HV no pueden estar en contacto eléctrico con ninguna de las KL mencionadas, hace falta un aislamiento galvánico entre estas. Eso implica volumen, peso, y ‘bajo’ rendimiento (80 – 95%) en un aparato conocido como conversor DC/DC. Su función es pasar la tensión continua de la batería principal a la tensión continua de la red secundaria [8].

Y aquí se vuelve a liar la cosa. Volvemos otra vez a las pérdidas por resistencia eléctrica, como se comentó en las primeras entradas de esta serie.

En la red secundaria hay algunos elementos de potencia que consumen mucha corriente: luces (55W cada bombilla de los faros delanteros), lunetas térmicas (150W la trasera, menos los retrovisores, entre 100 y 300 el parabrisas que lo llevan), asientos calefactables, motores varios (ventiladores del sistema de climatización, retrovisores ajustables, puertas que se abren y cierran), limpiaparabrisas, elevalunas eléctricos, mechero, ventiladores del radiador, aunque en eléctricos puros son pequeños, bombas de circulación del líquido refrigerante, servofreno, dirección asistida, asientos ajustables eléctricamente, etc.

Los requerimientos de potencia en la línea de KL30 suelen estar en el orden de 1,5 a 3,5 KW de potencia (hasta 300 A a 14V), más o menos del mismo orden que los sistemas de aire acondicionado, que pueden llegar a 4,5 KW en vehículos grandes.

Estas condiciones implican pérdidas grandes, pues volvemos a trabajar con corrientes similares a las requeridas para el motor principal, del orden de los 300 A. Pero en estos casos, las pérdidas son mucho más representativas, pues puede ser un % muy elevado debido a la baja tensión.

Así pues, hace ya varias décadas, los grandes fabricantes empezaron a trabajar en alternativas, y se encaminó bastante una solución a tensiones más elevadas, del orden de 42 a 48V [9]. Ese camino se cerró debido a los inconvenientes de la migración y a que la irrupción en Japón de los híbridos cambió el panorama. Máxime con la aparición de la chapuza esta que llaman Start&Stop.

Dado los apaños y problemas de este último invento, muchos, múltiples, variados, y sobre todo, costosos, se ha retomado el asunto de las tensiones elevadas para KL30.

Como de costumbre, los que llevan la batuta son una vez más, los teutones. Y éstos están trabajando con tensiones de 48V para reducir las pérdidas y los problemas en diferentes apartados de elevado consumo, especialmente para los sistemas Start&Stop, que también se utilizan en los híbridos.

A esta línea se apuntaría todo aquello que requiere un consumo elevado: motores y suplementos térmicos. La electrónica de a bordo quedaría generalmente excluida, aunque no se descarta. Esto nos deja el panorama nuevamente dibujado con más conversores DC/DC, para dar soporte a dos líneas de alimentación (48V y la clásica KL30).

Pero no se vayan todavía, que aún hay más. Si, si, no nos basta con una batería de 48V para arrancar el diesel del híbrido o para encender las luces o para la luneta térmica, no. Hay que añadir la seguridad de a bordo.

Es obvio que si un vehículo eléctrico se queda sin batería por múltiples razones, pongamos por ejemplo, porque ésta ya no tiene carga debido a que no la hemos recargado, o a que ha envejecido, el vehículo no nos debe dejar tirados en medio de la carretera, sin frenos, sin dirección.

Así puestos, la dirección asistida, así como los servofrenos, deben tener su propio circuito de seguridad. Y eso pasa por trabajar a tensiones bajas, puesto que los contactores de la batería HV pueden fallar, es más, se deben asegurar que en caso de avería, se corta el suministro de HV. Pero no se puede cortar la alimentación al servofreno, ni a la dirección asistida, que deben contar con un sistema alternativo de alimentación de seguridad, que bien puede ser la batería de 48V.

Pero es que el servofreno [10], además, es complicado si queremos aprovechar una frenada para regenerar la carga en las baterías. Debe ser capaz de aplicar frenada regenerativa en la cantidad que la batería HV acepte, y si es necesario frenar más fuerte, entonces debe añadir la cantidad necesaria de freno ‘normal’ (de tambor o de disco, vamos). Incluso en una misma frenada, con la batería vacía derivará la máxima energía a recargar la batería probablemente sin necesidad de activar el freno normal, pero con la batería llena, la debe hacer toda con el freno normal, aunque el conductor no note la diferencia.

Y frenar con los discos o frenos de tambor, requiere bastante energía. Para hacer una prueba, basta con frenar un coche térmico con el motor parado. Especialmente si es un diesel grande. Y entonces, hay que arrancar el motor. Se nota exageradamente cómo el pedal del freno se hunde, como el vehículo se frena más (se nota especialmente en una cuesta abajo) con menos presión. Eso se debe a que el servofreno sólo actúa con el motor encendido. Pero si no hay motor encendido (un eléctrico o un híbrido, ojo), entonces este servo lo debe aplicar el sistema de frenado, con su consumo correspondiente.

¿Sencillo? Pues compliquémoslo. Pongamos dos o tres o cuatro motores, cada uno con su inverter. Esto tiene ciertas ventajas: se pueden poner los motores dentro de las mismas ruedas, con lo que el espacio ocupado es mínimo. Al ser estos motores de menor potencia, el rendimiento generalmente tiende a subir ligeramente. Y lo mejor de todo: tenemos control absoluto sobre cada rueda. Es decir, tenemos la capacidad de controlar totalmente lo que tracciona y/o frena cada rueda. Esta es exactamente la base de los controles de estabilidad [11], aunque los actuales están limitados sólo a controlar las potencias de frenado, e indirectamente, la capacidad de tracción en las ruedas motrices frenándolas, si bien generalmente el control de estabilidad actúa sobre todo en frenadas.

Ahora, el control puede ser mucho más amplio y aplicarse también con mejores efectos en pavimentos muy deslizantes para la tracción, por ejemplo, sobre nieve, hielo, grava. En los países nórdicos, justo donde las baterías duran más, esto puede llegar a ser de la máxima importancia.

Sin embargo, ahora ya no sólo tenemos un inverter que responde a los pedales de acelerador y freno, si no que hace falta alguien que reparta las órdenes de aceleración/frenado a cada rueda independientemente, a partir no sólo de los pedales, sino también de los sensores de rotación de las ruedas (los que usa el ABS, y que en un vehículo eléctrico viene con el motor pues es básico para que el inverter funcione con el máximo de rendimiento) y de los amortiguadores para el ESP. Es decir, hace falta otra unidad de control especializada en ABS/ESP que haga las veces de diferencial (o diferenciales) electrónicos.

Este aparato en concreto además de ir por duplicado como pasa con los inverters (y los ABS), tiene que trabajar con algo más complejo que las transformadas geométricas de Park: trabaja con los filtros de Kalman [12], Wiener-Kolmogorov [13], sistemas de control H2 o H-infinito [14]. Más mates, más complejidad, todo en tiempo real.

Volviendo a la realidad más habitual, dejando de lado las complicaciones matemáticas, hay algunos puntos todavía por atar en los vehículos eléctricos puros: el subsistema de seguridad o de respaldo, basado en una batería extra, de baja tensión, con todo lo necesario para mantener el funcionamiento de seguridad del vehículo en caso de emergencia, tal y cómo se ha comentado antes, son la electrónica de supervisión necesaria (control de la batería, conversor DC-DC, dirección y freno asistido, algún sistema de indicación), y sobre todo, el método o sistema de detección de problemas.

Éste es un añadido a todos los sistemas que integran el vehículo y que forman parte de la cadena de HV del mismo, y consta de partes físicas o Hardware, y partes lógicas o Software (HW, SW respectivamente). Hemos visto algunas de las partes SW: el sistema redundante con procesadores dobles y supervisión de los resultados, por ejemplo, el sistema de monitorización de las baterías, los contactores internos del pack de baterías, el ABS/ESP.

Pero hay una parte HW muy importante, también repartida por todas partes hasta extremos curiosos, pero no por ello innecesarios. Uno de los clásicos es el llamado Interlock [15]. Un cablecito que está integrado en todos los cables grandes de HV del vehículo, que pasa por el pack de baterías, el inverter, el motor, el aire acondicionado y que sirve para detectar si alguno de estos cables se corta o alguno de los elementos se desconecta, como por ejemplo, cuando se cambia de batería.

Una ruptura de la continuidad eléctrica en el cable implica que se debe cortar el suministro de HV en toda la circuitería, no sea cosa que alguno de los cables de HV proporcionase energía fuera de los parámetros establecidos, es decir, que hubiese un cruce, cortocircuito, y alguien o algo resultase dañado, por ejemplo por electrocución, o que se iniciase un incendio. Este es uno de los sistemas de detección de accidente y supervisa uno de los parámetros bajo los cuales se debe cortar este suministro eléctrico. Hay más, como por ejemplo el sistema del Airbag.

Hemos hablado de coches eléctricos, pero no de otra variante muy relacionada: los híbridos. En el fondo, es mezclar los dos tipos de motores, el ‘convencional’ de combustión interna, más uno (o varios) eléctrico, con un sistema de acumulación de energía eléctrica, y algo para gestionar dichos motores.

Por la extensión de todo lo relacionado con los híbridos, vamos a dejar estos para más tarde. Sin embargo, el punto final en esta entrada debe incluir a éstos en las implicaciones que conlleva todo lo relacionado con cualquier vehículo eléctrico o híbrido: aún más electrónica para controlar qué motor y cómo funciona el vehículo en cada momento, también algunos extras como el control manual de tracción para seleccionar el modo de funcionamiento, por ejemplo, de un 3008 Hybrid4. Es decir, más complejidad aún.

Hasta aquí una aburrida colección de extras y ‘gadgets’ asociados con el vehículo eléctrico y el híbrido. Una completa y pesada imagen de lo que implica semejante cambio de paradigma que refleja los recovecos y las complejidades a las que se enfrenta este nuevo tipo de motorización. Pero aparte de aburrir, hay que ver ciertas vertientes poco conocidas, muy relacionadas, y que significan un cambio de tercio en este texto bastante importante.

Veamos. Supongamos que el motor eléctrico tenga una capacidad para ser fabricado correctamente y bien a la primera (en el mundillo, First Pass Yeld, FPY para los amigos, que significa ‘pasa a la primera’) del 99%. La posibilidad de que no pase, a nivel matemático, se expresa en tanto por uno, o 0.99 [16].

Si suponemos que el inverter asociado tiene una FPY del 98%, el resultado combinado de unir ambos en un vehículo, es del 0.99 * 0.98 = 0.9701 o 97.02% de FPY.

En breve: cuanto más chismes metamos, es decir, a más complejidad, más piezas malas y problemas vamos a tener.

En la industria electrónica, lo habitual de un aparato electrónico está alrededor del 99%, aceptando un mínimo del 98%, y siendo malo cualquier cosa por debajo del 97%. Crítico o pésimo si no llega al 95%, que muchas veces genera gabinetes de crisis.

Con esto en mente, los fabricantes prueban todo lo que fabrican, miran de reparar lo que pueden, y si consiguen sacar un 99% o más de piezas que fabrican sin problemas, entonces fenomenal. Así calculan para la producción y para tener beneficios, márgenes de 97% mínimo, cargando el 3% más al coste de producto bueno vendido el importe de lo que no da bueno a la primera, de las reparaciones o retrabajos, y del rechazo o scrap.

Dado que las baterías, así como otros elementos, especialmente en sus primeras etapas en que suelen ser más complicados, tienen posibilidades de fallo peores del 98%, el precio sube correspondientemente. Por tanto, que sólo salga, pongamos, el 80% de lo que se produce, el resultado es la quiebra, la bancarrota. Todo lo que baje del 97% final es un problema para el fabricante de primera magnitud.

En resumen de todo este largo texto: los vehículos eléctricos tienen que ser más caros porque son más complejos, tienen más piezas que pueden fallar, más mínimos de Liebig, más problemas de fabricación, más inversión, más complejidad, que redundan en una menor vida útil, menor rendimiento, menor fiabilidad, menor autonomía (fruto de minimizar baterías y reducir rendimiento), y en general, más problemas, y éstos más fatales. Aunque tengan menos mantenimiento, éste suele pasar por cambiar piezas caras (como las baterías), sin posibilidad real de reparación.

Ahora supongamos que hacemos un pack de baterías con cien celdas (360V, algo habitual) con un FPY del 99% unitario. Las baterías no son el elemento más fiable, y obtener un 99% de celdas en el mercado que sean buenas al final del primer mes de funcionamiento, es algo bueno. Si calculamos el resultado para el pack completo es de 0.99¹⁰⁰ = 0.366 o 36.6%.

¿Lo subimos a 200 celdas?

[1] – http://en.wikipedia.org/wiki/Battery_balancing

[2] – http://en.wikipedia.org/wiki/Variable-frequency_drive

[3] – http://en.wikipedia.org/wiki/Vector_control_%28motor%29

[4] – http://www.infineon.com/cms/en/product/microcontroller/32-bit-tricore-tm-microcontroller/aurix-tm-family/channel.html?channel=db3a30433727a44301372b2eefbb48d9

[5] – http://cleantechnica.com/2013/05/09/bosch-introduces-sub-450-level-2-car-charger/

[6] – http://en.wikipedia.org/wiki/Charging_station

[7] – http://en.wikipedia.org/wiki/CHAdeMO

[8] – http://en.wikipedia.org/wiki/Forward_converter

[9] – http://en.wikipedia.org/wiki/42V

[10] – http://es.wikipedia.org/wiki/Servofreno

[11] – http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_stability_control

[12] – http://en.wikipedia.org/wiki/Kalman_filter

[13] – http://en.wikipedia.org/wiki/Wiener_filter

[14] – http://en.wikipedia.org/wiki/H_infinity

[15] – http://en.wikipedia.org/wiki/Interlock

[16] – http://en.wikipedia.org/wiki/FPY

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Como ya se ha dicho antes, el hidrógeno es un elemento bastante particular. Lo suficiente como para que no se tenga nada claro dónde ubicarlo en la tabla periódica. Al fin y al cabo, es el elemento más sencillo (y abundante!) de todos, al constar básicamente de un electrón y de un protón. Además es un átomo que es tan feliz de acoger otro electrón bajo su ala como de compartir el suyo, o de convertirse en un protón solitario.

Por eso es el elemento clave de un tipo de reacciones químicas conocidas como ‘de intercambio de protones’, más comúnmente llamadas ácidos y bases [2]. Pero eso no quita que además también sea un elemento usado en las reacciones redox que antes se han comentado como base de las baterías.

Dado que es un elemento muy ligero, pequeño, y abundante, es extremadamente interesante su uso para reacciones energéticas. Si tenemos en cuenta que la reacción química más violenta que existe, y por tanto, la que más energía da, es la que combina el hidrógeno con el oxígeno, dando lugar a agua. (Hidrogeno significa ‘generador de agua’).

Todo esto combinado significa que la mayor densidad de energía que podemos encontrar en una reacción química se corresponde con el hidrógeno. De hecho, los hidrocarburos (derivados del petróleo y del gas) son combinaciones de hidrógeno y carbono (la base de la química orgánica), y cuanto mayor contenido en hidrógeno, más ligeros, y también más energéticos.

Un Kg de H2, al reaccionar completamente con el oxígeno, desprende una energía de 39.9 KWh, lo cual es mucho, y encima, violentamente.

Así pues, se puede usar de dos maneras: quemándolo, o, dado que el credo actual de nuestra sociedad prefiere la aséptica electricidad, bien mediante celdas de combustible o pilas de combustible, que es un tipo de batería o pila eléctrica un poco particular.

Las celdas de combustible en el fondo son como baterías [3]. Utilizan la oxidación de un elemento (el hidrógeno en casi todos los casos, aunque hay de metanol o de metano) de forma controlada, mediante la circulación de los electrones de un polo al otro. La diferencia entre éstas y las baterías es que las primeras tienen al oxidante (el oxígeno) y al elemento a oxidar (el hidrógeno) externas al sistema, mientras que las segundas lo tienen dentro de sí mismas.

Esto hace que las celdas de combustible sean interesantes: el hidrógeno se puede almacenar separadamente, en un tanque a presión, y por tanto, rellenar rápidamente, mientras que el oxígeno es aún mejor: lo cogemos de la atmósfera con lo que no tenemos que cargar con él. Encima, con lo liviano que es el hidrógeno, poco peso más vamos a cargar, haciendo, en un principio, todo el sistema más liviano y sencillo.

Ideal idealísimo, idealizado hasta el paroxismo.

Éstas son las ventajas. Las que nos cuentan. Lo único que promulgan a bombo y platillo los adalides de esta tecnología. Y como siempre, lo que interesa está en lo que se calla.

Veamos. Hay varias cosas que comentar, y dado que en el tema que nos ocupa hay interés en las celdas de combustible, vamos a hablar de la aplicación en coches eléctricos.

Porque en realidad, un ‘coche de hidrógeno’ es un coche eléctrico híbrido serie. Es decir, tiene un motor eléctrico que es alimentado a partir de una batería, y ésta es recargada a partir de una celda de combustible que genera la electricidad a partir de hidrógeno almacenado en alguna parte, y oxígeno, a veces, también almacenado dentro del mismo vehículo.

Empezando por lo más nimio, la celda de combustible es un elemento un poco particular que no admite grandes rangos de variación del punto de trabajo. Es decir, si la celda tiene una potencia nominal de 100KW, el rango habitual de trabajo será entre 20 – 30 KW de mínimo, hasta los 100KW de máximo, siendo ideal mantenerla entorno a los 70 KW, dependiendo mucho del modelo. Y encima, la variación no puede ser rápida. Al menos, no cómo es necesario en un coche, con acelerones y frenazos.

Encima, no es fácilmente reversible por motivos que veremos más adelante, aunque en un principio aceptaría tal función.

Por todo esto, es necesario el poner una batería, para soportar las variaciones de demanda y las recargas por frenado regenerativo, o mejor, supercodensadores, tal y cómo se comento en la entrada anterior. Así pues, no se trata de ahorrarse la batería, se trata de reducir sus dimensiones o sustituirla por algo que tenga la capacidad de potencia necesaria para trabajar a corto plazo, mientras la celda de combustible proporciona básicamente la autonomía.

Uno de los motivos por los que las celdas de combustible no pueden trabajar fuera de ciertos rangos es básicamente debido a que la membrana semipermeable, que hace las veces del electrolito de una batería, necesita un cierto grado de humedad para trabajar. Poca potencia significa poca conversión de H2 + O2 a agua, y por tanto, poca humedad. Un exceso de potencia, y la cantidad de H2 que puede pasar limita la misma, con la consecuente caída de rendimiento, además de tener más agua en la salida, lo cual reduce la cantidad de oxígeno para la reacción.

Además, el factor limitante es la cantidad de O2 que tiene para reaccionar. Si hacemos circular aire, el O2 sólo representa alrededor de una quinta parte del volumen de gas circulando por el otro lado de la membrana. Si queremos que el sistema sea de escasas dimensiones y peso, hay que hacer que el O2 tenga mayor presencia, así que o bien se comprime el aire (con la consecuente pérdida de energía en el proceso), o bien se usa O2 puro almacenado en alguna parte. De esta manera, se obtienen mejores rendimientos y respuestas más rápidas.

Otras dos particularidades de las celdas de combustible de baja temperatura son su catalizador (platino) [4] y la vida útil de la membrana semipermeable [5]. Ambos son críticos y muy sensibles a impurezas, además de caros. Lo cual hace que un hidrógeno contaminado, pongamos, con metano, estropee tanto uno como la otra, con la consecuente pérdida de rendimiento. Esto provoca que la vida de las membranas semipermeables sea limitada, unos 2 años.

Por supuesto, el platino es mucho más caro que dichas membranas, pero al menos dura lo mismo que la celda de combustible. Y no se utiliza poco: cada celda genera alrededor de 1V o algo menos de tensión, lo cual obliga a poner varios cientos en serie, junto con las canalizaciones de gases y líquidos (agua de escape), lo cual genera un volumen y peso considerables, aunque mucho menores que para una batería.

El problema gordo de verdad con el hidrógeno para cualquier uso similar, aunque sea combustión, es el almacenamiento del mismo. Se trata de un elemento muy volátil, con el punto de fusión (es decir, al temperatura a la cual pasa de sólido a líquido) de 2ºK, o sea, -259.14ºC. Un poco frío. La temperatura de evaporación, es decir, el paso de líquido a gas, es mayor. 252.87º bajo cero. Así que en usos de automoción, se suele usar como gas.

Dado que el hidrógeno es bastante ligero. Muy ligero, de hecho, como gas ocupa mucho sitio. Tanto es así que se usaba como elemento ‘flotador’ para los dirigibles como el Hindemburg [6]. En las llamadas Condiciones Normales (0ºC, 1 atmósfera de presión), el un mol de hidrógeno, es decir, 2g de dicho gas, ocupan la friolera de 22,4 litros de aire. Un kilo, ocupa 11,2 metros cúbicos, lo mismo que un coche. Y son ‘sólo’ unos 40KWh.

Dado que el volumen sube con la temperatura, y la temperatura ambiente confortable está algo por encima de 0ºC, la única salida es comprimir el gas para que ocupe menos sitio. Las presiones entonces se convierten en algo importante: más presión, más pequeño el depósito, quizás más ligero, aunque también tiene que ser más robusto.

Si encima tenemos en cuenta que el hidrógeno, al ser tan pequeño, atraviesa fácilmente las paredes de los depósitos, resulta que hace falta hacer éstos compactos, a la vez que no conviene subir mucho la presión. Por tanto, almacenarlo no es tan sencillo como se puede preveer.

El depósito del Honda FCX [7] tiene una capacidad para 4,1 Kg de hidrógeno, ocupa 180 litros de maletero (lo cual no es tanto), y pesa 91Kg. Mejor que cualquier batería en este aspecto, pero es que tampoco se libra de la batería, y dicho depósito ocupa y pesa mucho más que un depósito de combustibles líquidos. Y aún así, tiene pérdidas elevadas.

Lo normal en una instalación de almacenamiento de H2 es una pérdida del orden del 2% diario en un depósito lleno a tope de presión. Menor presión significa menores pérdidas, pero también menos gas almacenado.

A todo esto, hay que añadir algunos puntos de consideración. El primero es que el hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido, como el agua, pero en gas. Es volátil, ligero, se mezcla muy bien con cualquier otro gas. Y sobre todo, es inflamable.

Muy inflamable.

Explosivo, de hecho. Y la llama además es prácticamente invisible, poco luminosa.

De hecho, es tan energético que es el mejor combustible para cohetes que existe. La gente que trabaja en la NASA [8], es decir, una banda de aficionados, lo utiliza en los cohetes con mejores prestaciones, en los realmente ‘especiales’. Para los normales, como el Apolo [9], utiliza combustibles líquidos a base de hidrocarburos.

Es curioso que estos señores de la NASA eviten lo que pueden el uso del hidrógeno. No será por falta de tecnología ni financiación ni capacidad. Se trata más bien de una cuestión de seguridad y almacenamiento (y la seguridad del mismo). Un depósito de H2 para cohete ocupa mucho sitio, y por tanto es pesado, y además, necesita un buen aislamiento térmico y sistemas de contención internos para que el hidrógeno líquido no vaya salpicando y meneándose por todas partes, desestabilizando el cohete.

Además, trabajan con hidrógeno líquido (para reducir presión y pérdidas), lo cual es fuertemente frío, criogénico, y como tal, se usan para enfriar los motores de los cohetes. Los metales y elementos utilizados a tales temperaturas deben ser de ciertos materiales, pues muchos se vuelven muy quebradizos y frágiles en semejantes condiciones. Lo cual es propicio a los accidentes.

Respecto de su uso en otros campos, como los dirigibles, creo que basta recordar cómo acabo el dirigible Hindemburg. Aunque los cazadores de mitos afirman que lo que ardió fue la cubierta por el ‘fuego termita’, lo cierto es que el fuego del hidrógeno es prácticamente invisible, y el brillo del fuego termita lo hubiese enmascarado totalmente, además de acelerarse enormemente

Por si el almacenamiento de hidrógeno no asusta directamente, hay otro elemento desconocido sobre el mismo que hace que la gente considere mal sus ventajas. Ni asusta (directamente) ni preocupa en exceso, pero al menos queda claro que las cosas no son lo que parece.

Se trata de que el mismo NO se encuentra libre en la naturaleza. Es abundante, pero siempre está enlazado químicamente con otros elementos, con diferencia, el oxígeno, en forma de agua, pero seguido por otros elementos de sobras conocidos: los hidrocarburos y la química orgánica en general.

Mientras el discurso popular dice que el hidrógeno es abundante y sólo se convierte en agua al usarlo para obtener energía, casi nadie dice nada de cómo se obtiene el mismo del medio ambiente. Algunos se atreven a decir que por electrólisis, que uno se pone la celda de combustible en casa, le mete electricidad, y saca hidrógeno. Lo cual es bastante correcto, pero inexacto.

La triste realidad es que más del 95% del hidrógeno que se usa industrialmente, se obtiene de hidrocarburos, y sólo una ínfima parte, de agua [10]. Directamente, en la reacción química más favorable, del metano se obtiene 1Kg de H2 para echar a la atmósfera 12Kg de CO2. Sin contar lo que se echa para obtener la energía necesaria para el proceso, ni las externalidades de tener que comprimir el H2 para su almacenamiento y transporte.

‘Afortunadamente’, la gran mayoría de H2 se usa tal y como se produce, para obtener otros elementos importantes: nitratos para uso industrial, o, mayormente, agrícola [11]. Y para eso, se utiliza entre el 2 y el 3% del gas natural que se extrae del subsuelo, más una parte importante de petróleo, en la producción y la energía necesaria para dicho proceso.

Así pues, utilizar hidrógeno es lo mismo que utilizar gas natural, pero de una manera menos eficiente. No se emite CO₂ en el vehículo, pero se desplaza su emisión hacia las plantas de generación del hidrógeno, sin contar toda la cadena de distribución y almacenamiento.

La presunción de utilizar una celda de combustible en funcionamiento inverso, o, directamente, hidrólisis con electricidad en casa no es descabellada, ni precisamente, incorrecta. Además, sería una manera de almacenar energía excedente de producción en el momento en que ésta se genera, si no se puede usar, lo cual es precisamente el punto fuerte de este tipo de solución, el valor añadido, la razón básica para desplazarse hacia este tipo de energía.

Sin embargo, hay que contar con la compresión añadida para almacenar dicho hidrógeno. Además de los depósitos, cuyo peso y volumen no son tan importantes en una vivienda como en un vehículo, el equipo de presión consume energía, y ésta difícilmente puede ser reciclada. Y este equipo también pesa, ocupa espacio, lo cual es precisamente el motivo por el cual en las frenadas regenerativas no se puede utilizar la celda de combustible del vehículo para obtener hidrógeno.

Pero el principal inconveniente del sistema, además de la corta vida, complejidad, pesos, volúmenes, pérdidas, peligros, es su escasísimo rendimiento. Además de ser sólo un vector energético, no energía directamente concentrada como el caso del petróleo, gas o carbón.

Veamos el concepto de vector energético [12]:

Energía eléctrica  Proceso  Almacenamiento  Proceso  Energía eléctrica.

Si los procesos se llaman carga/descarga o electrólisis/oxidación controlada, y el almacenamiento se llama Batería o Depósito de Hidrógeno, es secundario. El concepto es el mismo: a partir de energía eléctrica en ciertas condiciones, almacenada mediante algunos sistemas y procesos, obtenemos energía eléctrica en otro momento y lugar, en otras condiciones.

Éste es el principio de vector energético: un sistema de transformación y almacenamiento de energía. Lo mismo da que sea por batería que sea por hidrógeno o algún otro elemento, como biocombustibles.

Lo que importa, es la energía que entra, y la energía que sale. Para el caso se trata, directamente, de energía eléctrica en la entrada, que puede ser, por ejemplo, obtenida a partir de fotovoltaica y/o eólica u otro tipo de renovable, mejor si es intermitente, pues así se puede aprovechar mejor (más sobre este importante punto en la última entrega), para luego utilizar dicha energía, también de tipo eléctrico, bajo la demanda de algún usuario (por ejemplo, el pedal del acelerador).

Por la termodinámica, nunca obtendremos tanta energía a la salida como la que le hemos metido en la entrada. Es decir, que por cada KWh que le metamos al sistema, sólo recuperaremos una parte, menos del KWh que le hemos metido. Esto, que en realidad es una TRE inferior a uno, sólo tiene sentido, y mucho, para casos en los que la energía se obtiene de manera intermitente y necesita ser usada a discreción. En tal caso, como cualquier TRE, interesa que sea lo más alta posible.

Y aquí es donde ‘muere’ el hidrógeno. El principal motivo es el engorro y consumo de la compresión y almacenamiento (sin contar las pérdidas de los depósitos), pero los rendimientos tanto de la electrólisis, como de la celda de combustible, dejan mucho que desear.

Aunque en el aspecto de rendimiento se va a entrar en detalle en otra entrada posterior, al menos en este caso se va a hacer un escueto recuento del rendimiento de uno coche de celda de combustible como el Honda FCX, con un eléctrico puro, como por ejemplo, el Renault Fluence.

El Honda FCX consume alrededor de 1Kg de H2 por cada 100 Km. Lo cual equivale a unos 40KWh. El Renault Fluence, alrededor de 16KWh. Valores nominales del fabricante en ambos casos. Y lo peor, es que las pérdidas para obtener el hidrógeno y comprimirlo es donde está la mayoría de la pérdida de rendimiento.

De hecho, haciendo los números redondos, estaríamos hablando de un rendimiento entre la electricidad que sale por la que entra de alrededor del 30 – 35% para el FCX (como un diesel!!), con alrededor del 60 – 70% del Fluence, contando de KWh en el enchufe a Km realizados. Directamente el doble. Y eso que el hidrógeno, en teoría, permite un coche más ligero y con menos espacio para el sistema de energía. La única ventaja real es la recarga del depósito de H2, que es rápida.

La hidrólisis, en condiciones reales de la industria, difícilmente supera el 60%, aunque hay algunos casos que llega al 70%, si bien en muchos otros está en el 50%. Eso implica un gran gasto de electricidad para conseguir el hidrógeno, y por tanto, encarece el mismo. Si con una pequeña fracción del coste, se obtiene hidrógeno a partir del gas natural, que es exactamente la situación en 2014, y no parece que vaya a mejorar, especialmente en unos EEUU con el gas a precios irrisorios debido al frácking [13], es lógico que el hidrógeno no tenga un origen ‘renovable’.

Además, es una tecnología, que aunque lleve bastante tiempo en desarrollo, todavía no está, ni de lejos, madura. Lo bueno es que podría ser que hubiese mejoras sustanciales, aunque lo malo es que apenas se espera que lleguen al nivel al que están actualmente las baterías a nivel de rendimientos, coste, vida útil, sencillez, infraestructura, inversión, estado de la tecnología, situación del automóvil y obtención, en general, del hidrógeno mismo. El cambio a una ‘economía del hidrógeno’ no sería realmente rápido, corto ni sencillo.

Curiosamente, precisamente Opel considera que las baterías son sólo un paso intermedio hacia el ‘Wasserstoff’.

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_economy

[2] http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_%C3%A1cido-base

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Plantinum

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Polymer_electrolyte_membrane

[6] http://en.wikipedia.org/wiki/LZ_129_Hindenburg

[7] http://es.wikipedia.org/wiki/Honda_FCX_Clarity

[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_Main_Engines

[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Saturn_V

[10] http://www.aecientificos.es/empresas/aecientificos/documentos/LAECONOMIADELHIDROGENO.pdf

[11] http://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process

[12] http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_carrier

[13] http://crashoil.blogspot.com.es/2013/11/el-fracking-se-fractura.html

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Uno de los puntos de mayor incidencia sobre la temática del almacenamiento eléctrico, es la potencia específica, más que la densidad de energía. Es más, como ya se ha visto, están interrelacionadas, y por tanto trabajar en un sentido puede ser contraproducente en el otro.

Sin embargo, especialmente en el punto más destacable en estos momentos de los vehículos eléctricos es precisamente el que más potencial puede tener si tenemos en cuenta un par de asuntos que ya se han explicado, pero cuyas implicaciones e interrelaciones no se han visto.

El primer punto, es el problema de la densidad de potencia en descarga que pueden dar las baterías de litio. Una batería grande puede dar una potencia grande, por ejemplo, una batería de 50KWh puede dar con relativa facilidad 50KW de potencia de una manera sostenida sin tener que sobre dimensionar en exceso los terminales, y por tanto, con una densidad de energía mejor que si intentamos sacar la misma potencia de un pack de 25KWh. Pero 50KW sigue siendo una potencia baja, y al ser la batería más grande por sí misma, y por tanto más pesada, hará falta más potencia de motor para mover un vehículo más pesado.

Sin embargo, la diferencia de precio, peso y tamaño, aunque no es lineal y es más favorable (mayor densidad de energía, menor precio), no implica que la batería al completo no sea cara. Así que hay que reducirla al mínimo.

Y semejante reducción siempre se hace sobre los terminales, para dejar más espacio al litio, pero sobre todo y ante todo, por precio. Los números cantan, y explican muy bien algunas de las variables que condicionan las baterías y el futuro del vehículo eléctrico, así como algunas estrategias de diseño que se explicarán en breve.

Un Opel Ampera (o Chevrolet Volt en las Américas) tiene una batería de alrededor 180Kg de peso, para una energía total de 16,2 KWh. Esto, en carbonato de litio (Li₂CO₃), representa unos 17,1 Kg si contamos alrededor de 200g de litio puro por KWh. En plástico, electrónica y elementos varios no habrá más de 18Kg. Lo cual nos deja con 150Kg de materiales varios propios de la batería (terminales, electrolito y carcasa exterior de aluminio, básicamente). Es fácil pensar que más de 50 Kg serán sólo de cobre, y se puede estimar que el aluminio será otro tanto, tirando por lo bajo. Si consultamos en Internet los precios de las diferentes partes, considerando el carbonato de litio de grado de baterías, con pureza del 99,5% o superior, tenemos los siguientes precios brutos en dólares por tonelada [1]. Como nota comparativa, también figura el precio del cobalto, que no se utiliza para las baterías de los vehículos eléctricos, pero sí para otros tipos de baterías de litio, y que es la variante de mayor densidad de energía.

Cobre: 7100$/tonelada

Aluminio: 1700$/tonelada

Carbonato de Litio: 6600$/tonelada

Cobalto: 31000$/tonelada

Esto nos deja con 355$ de cobre, 85$ de aluminio puro, y 112,86$ de carbonato de litio. Si hay que bajar precios, es evidente dónde meter la tijera, aunque el cableado interno va a ser difícil de reducir.

Dicho de otra manera, o tiramos de aluminio, que al ser voluminoso es el que más baja la densidad de energía, o bien tiramos de cobre, que aunque baja la densidad de energía en menor medida, dispara mucho el precio (y el peso). El litro de cobre pesa tres veces más que un litro de aluminio, casi 9Kg/litro frente a 2.7, y conduce la electricidad alrededor de un 80% más. También cuesta más del triple. La plata es mejor conductora del calor y de la electricidad que el cobre, uno de los pocos elementos mejores para esta aplicación, pero es fácil adivinar porqué no se usa.

Y utilizar baterías con electrodos al cobalto, aunque tenga mayor densidad de energía (y más peligro), también es más caro, además de requerir más litio (ahí es donde está el peligro: se puede usar la mitad si no se quiere provocar otra reacción más peligrosa). Lo cual significa que hace falta 8.5 veces más, en peso, de Cobalto que de Litio, y encima, hace falta más litio, cerca de 300g por KWh. Es decir, unos 2.5Kg de Cobalto por KWh, y por tanto, 1270 $ de Cobalto para la batería del Ampera.

¿Queda espacio, es posible, una mejora de la capacidad de las baterías? Por supuesto, seguro, obviamente que sí. La capacidad de las baterías va aumentar, así como la densidad de energía y la energía específica, sin mucho detrimento de la potencia específica. Con eso, aumentará la autonomía de los vehículos eléctricos. Pero esperar que dicha autonomía se doble es ser muy optimista. Y para poder comparar, es básico limitar un punto sumamente importante: ¿a qué precio?

Para mejorar la densidad de energía y la energía específica, interesa bajar al máximo la demanda de potencia de las baterías para así poder reducir al máximo la cantidad de elementos ajenos al almacenamiento de por sí. Por supuesto, alguien se quejará que esto hará que las baterías se carguen más lentamente, aunque esto en realidad sólo limitará las cargas rápidas, no las recargas normales, pues el factor limitante NO es la densidad de potencia de las baterías, es la red eléctrica, o mejor dicho, la instalación eléctrica doméstica, como se verá en las últimas entregas de esta serie.

Si la recarga rápida no es el punto candente, ¿cuál es pues la mayor demanda de potencia sobre las baterías? Evidentemente, es el motor. De hecho, las grandes demandas de potencia por parte del motor son puntuales, cortas. Los acelerones a todo gas no duran más de unas decenas de segundo. La media es más baja en general, quizás las cuestas obliguen a apretar más el pedal, pero difícilmente tanto como cabría esperar.

Así pues, resulta que para cubrir sólo un pequeño porcentaje de la demanda, dimensionamos las baterías para cubrir los máximo de potencia, lo cual es un sobredimensionado para el resto, mayoritario, de casos. Un elemento clásico en el dimensionamiento eléctrico.

Otro punto que hay que recordar, es el del frenado regenerativo. La potencia de frenado es directamente proporcional al peso (malo) y a la velocidad. Frenar un coche de tonelada y media a 50Km/h, suavemente a 0.1g, significa 20.25KW de potencia de frenada. La batería del Ampera apenas acepta 25KW de potencia de recarga cuando ésta está en la zona central de carga (alrededor del 50%), menos para estados de carga más elevados, tal y cómo se comentó.

Si el mismo coche pesa ya 1900Kg en lugar de 1500, y va un poco más rápido o frena un poco más fuerte, resulta que aunque lleve un motor de 111 KW de potencia, no podremos frenar más de manera regenerativa que los 25KW que asimila la batería, y menos según el estado de carga. La primera implicación evidente es que no nos libramos de los discos de freno. Evidentemente, las baterías de automoción están pensadas para soportar un cierto abuso, pero limitado.

La segunda implicación es que frenadas fuertes, aun incluso en ciudad, no permiten recuperar toda la energía cinética posible debido a la limitación de la densidad de potencia intrínseca de las baterías. Es decir, uno de los puntos más interesantes, apenas se puede aprovechar debido a este problema, y por tanto, la autonomía, especialmente en conducción urbana, se resiente. Y para colmo, estamos hablando de muy pocos Wh, repetidos muchas veces, eso sí, igual que los picos de demanda de potencia.

Por tanto, resultaría interesante ver si hay algún elemento de almacenamiento con una gran potencia específica, aunque tenga una densidad de energía baja, puesto que éste podría suplir los picos de demanda, que son cortos y por tanto con relativamente pocos Wh reales de consumo, pero sin problemas para manejar potencias de centenares de KW.

De esta manera, podríamos reducir la C de las baterías al mínimo de consumo medio, pongamos que dimensionadas para 30 – 40 KW, lo cual para una batería de, por ejemplo 88KWh significa 0.5C, y por tanto, con los electrodos mucho menos voluminosos y caros. Un ahorro sin duda. La estrategia de Tesla. Ojo: ahorro en €/KWh, que no en el precio total de la batería que al tener más KWh, también cuesta más dinero que la de, por ejemplo, el Ampera antes mencionado, de 16.2KWh.

Sin embargo, hace falta añadir este elemento de alta potencia específica y todos los extras necesarios. Porque resulta que ya existe este elemento, relativamente novedoso, y encima en dos variantes: los supercondensadores o ultracapacitores [3], y sus sucesores los LIC’s (Lithium – Ion Capacitors) o Bacitores [4], [5].

Se trata de elementos de almacenamiento puramente eléctricos, con lo que no funcionan como las baterías, y tienen una curva de carga bastante peor, pero ofrecen densidades de potencia un orden o dos de magnitud por encima de las baterías, puesto que el factor limitante es geométrico, mecánico: los electrodos antes mencionados, de aluminio en estos elementos. Además tienen una vida útil muy superior: mientras las baterías tienen hasta 10000 ciclos de carga/descarga, estos elementos pueden ser cargados y descargados millones de veces sin alterarse, con corrientes enormes, y con un rendimiento superior al de las baterías (99% frente al 95% de las mejores de litio). Tampoco tienen tantos problemas con la temperatura como las baterías, con márgenes de temperaturas de funcionamiento más elevados (de -40 a 60 – 80 ºC), con lo que reducimos el volumen y peso al eliminar todo el sistema de refrigeración del pack, ahora innecesario. El rendimiento más elevado también significa que hay menos calor que disipar, y encima, el principio de funcionamiento, al no necesitar apenas volumen para el almacenamiento químico, el electrolito interesa que sea lo más fino posible, reduciendo así parte del volumen. Con toda probabilidad su vida útil real será superior a la del automóvil propiamente dicho. El hecho de usar aluminio también reduce el precio, en detrimento del volumen total. De hecho, la energía específica está por debajo de las baterías de litio, y muy difícilmente se le va a acercar.

Pero añadir estos elementos novedosos tiene varios puntos en su contra. El primero es que añaden coste, el segundo, que añaden circuitería extra y más electrónica de control, todo con sus ventajas e inconvenientes. Sin embargo, abaratan la batería, y ésta además de ser más barata, también es más pequeña y más ligera, y probablemente el ahorro es superior al gasto de añadir todos estos extras.

El siguiente punto es la novedad de todo este concepto, debido a que son tecnologías relativamente nuevas. Veamos más de cerca de que trata esto.

El primer elemento, tanto por estado de desarrollo como por tiempo a sus espaldas, son los supercondensadores, también llamados Electrical Double Layer Capacitors o EDLC. Los primeros desarrollos se hicieron en los años 60 del siglo pasado, y se han ido mejorando desde entonces, si bien durante muchos años se ha centrado en el aumento de la capacidad por volumen, pero con poca potencia, pensando en alimentar circuitos electrónicos, de bajo consumo (mA o uA) durante días. El interés en su uso en sistemas de potencia es algo más tardío, pero ya se lleva utilizando bastantes años para muchas cosas, entre ellas, para dar potencia a los motores de continua de arranque de grandes motores de combustión, como grandes camiones, motores marinos, etc. También hace años que se empezaron a usar en sistemas fotovoltaicos y eólicos.

Grandes esfuerzos se han hecho en las dos últimas décadas en esta dirección (potencia y capacidad) para varios usos, puesto el interés eléctrico para ellos va bastante más allá de los vehículos eléctricos. Dada la enorme potencia específica que son capaces de desarrollar estos componentes (entre 3 y 15KW/Kg), dentro del rango de potencias necesarias para un vehículo eléctrico, la investigación se centra sobre todo en aumentar la densidad de energía. En este aspecto, la Wikipedia no es suficientemente precisa.

El siguiente paso es una evolución de esta tecnología, mezclándola con las baterías. El resultado es que se sustituye uno de los dos terminales eléctricos por el terminal equivalente de una batería de litio. Con esto se dobla la capacidad (en Faradios) directamente, y se sube la tensión de trabajo, baja para los EDLC’s, 2,5V, a 3,8V, con lo que la energía final se cuadruplica en el mismo volumen, con mínimos efectos secundarios. Y sin embargo, la densidad de potencia prácticamente se mantiene: el factor limitante, como ya se apuntó, es geométrico, de las medidas de los electrodos más que de otra cosa. Esta tecnología tiene posibilidades de acercarse a la de las baterías de Litio en cuanto a densidad energética y energía específica. Incluso de superarla por precio.

Este tipo de ‘supercondensadores híbridos’ recibe varios nombres: Bacitor (de BAttery capACITOR) o de LIC, Lithium Ion Capacitor, en contraste con LIB o Lithium Ion Battery. Los primeros aparecieron en el mercado comercial hacia mediados de 2009, aunque hasta 2010 no empezó la venta real. Algunos productos, especialmente pensados para motores eléctricos ya están ahora disponibles en el mercado basados en esta tecnología [5].

También hace ya algunos años que se han empezado a hacer pruebas de funcionamiento de vehículos híbridos no enchufables sustituyendo la batería de NiMH que usaban por supercondensadores, con resultados espectaculares en todos los frentes: eficiencia, potencia, tamaño, peso y precio [6]‎. Incluso hay otros aparatos asociados a vehículos híbridos (incluyendo los start stop) que usan la tecnología de los supercondensadores en vehículos que se pueden encontrar en el mercado en estos momentos (Mazda, Citröen, Peugeot), y hay también muchas en desarrollo (BMW, Audi, Mercedes, Toyota, Ford, GM).

Incluso algunos de estos sistemas se han usado ya en las carreras de resistencia. Las 24H de Le Mans están dominadas por vehículos híbridos, aunque basados en volantes de inercia, puesto que los Toyota que utilizaban la tecnología de supercondensadores no terminaron la carrera. Es cuestión de tiempo que los supercondensadores sean estándar en este tipo de carreras para hacer de KERS (Kinematic Energy Recovery System, o sistema de recuperación de la energía cinética) [7].

Si esto no ha llegado aún al mercado, es por varias razones, empezando por lo nuevo que tienen estos sistemas, como ya se ha comentado, junto con otros factores asociados a los procesos de diseño, validación, comercialización, producción, vida útil, legislación y otros temas asociados al sector de la automoción, muy poco conocidos por aquellos que no trabajan en esta industria, pero que tienen una gran influencia en los plazos, y que condicionan mucho el futuro de todo el sector automovilístico. Esto es harina de otro costal: la problemática de la producción de automóviles eléctricos e híbridos es muy compleja, y puede llegar a ser determinante. Pocas veces se ha abordado este punto de vista, pero esto es ya otra historia para otro día.

[1] http://www.lme.com/

[2] http://www.engadget.com/2011/03/22/tesla-ceo-musk-says-the-days-of-batteries-are-numbered-ultracap/

[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Supercondensador

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_capacitor

[5] http://www.jsrmicro.be/en/lic

[6] http://www.nrel.gov/docs/fy10osti/48420.pdf

[7] http://www.topgear.com/uk/car-news/toyota-ts030-hybrid-wec-racer-le-mans-revealed-2013-02-20

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La tecnología de las baterías de litio no es nada novedosa, ya que fue desarrollada en los 70, si bien es con la aparición de la informática y telefonía móvil donde empezaron a usarse con más profusión. Este tipo de aplicaciones ha favorecido mucho la investigación y desarrollo de este tipo de tecnología, especialmente en la búsqueda de la densidad de energía y precio.

Es por eso que se han alcanzado grandes mejoras en la densidad energética, energía específica, precio, proceso de fabricación, vida útil, costes, tamaño, peso, control y todo lo asociado con estas baterías, pero siempre alineados con el tipo de utilización de las mismas: alimentar equipos electrónicos de bajo consumo, durante muchas horas o días, y con tensiones bajas, menores de 20V, siendo habitual las baterías de una sola celda, con electrónica de control integrada. Es decir, no se ha avanzado mucho en la potencia específica.

Hay muchas variantes de baterías de litio, aunque la mayoría utilizan óxido de cobalto litio, óxido de manganeso (spinel) o óxido de hierro fósforo litio en el polo positivo, no todas valen para vehículos eléctricos. En el polo negativo también hay varias opciones, aunque lo básico suele ser una fina capa de carbón donde se almacenan los átomos de litio de forma intersticial (LiC₆). Todas utilizan un electrolito orgánico, con varias formulaciones, algunas de las cuales incluyen el arsénico, flúor, fósforo, boro y otras materias poco habituales.

La razón por la que se utiliza un electrolito orgánico es debido a que el litio es altamente reactivo con el agua, así que se procura mantener siempre todo rastro de humedad lo más lejos posible. Hasta cierto punto esto es de esperar. Si se pretende tener una gran cantidad de energía almacenada, se deben utilizar elementos que sean muy reactivos, no se puede esperar de otros elementos inertes que presenten la misma capacidad.

De hecho, la mayor innovación en este terreno, es el cambio de un electrolito en estado líquido o pastoso, por uno sólido, del tipo polímero, resultando en lo que se conoce como baterías de Litio-polímero, abreviado Li-pol o Li-poly [1].

Por eso el litio es tan interesante [2]. Es un átomo pequeño, con sólo tres electrones, tres protones y un puñado (tres o cuatro, según que isótopo sea) de neutrones. La configuración es tal que tiene un electrón exterior y dos de interiores, pero aún así su tamaño es pequeño, y el último electrón es relativamente fácil de arrancar, aunque al estar cerca del núcleo, el coste energético es elevado. Por eso tiene una tensión de celda tan alta: hace falta un elevado potencial eléctrico para que esto suceda.

También al ser pequeño, es ligero, pues es el tercero de la tabla periódica. No es como el plomo que tiene muchos más electrones y mucha más masa, para utilizar un solo electrón. Por eso es difícil de encontrar un elemento más adecuado que pueda alcanzar semejantes densidades energéticas. Aunque el hidrógeno es interesante, éste es tan especial que se merece una entrada aparte. No en vano hay bastante expectación al respecto del mismo.

Desde el punto de vista eléctrico, el litio ofrece la mayor de las densidades de energía que hay en el mercado. Los valores de energía por Kg se mueven en el rango de 100 a 500Wh/Kg y entre 250 y 1000Wh/l. La potencia específica se encuentra entre 200 y 1500W/Kg, aunque por regla general, mayor potencia específica siempre se corresponde con menor densidad de energía.

Si repasamos la segunda entrada de esta serie, veremos que para corrientes elevadas, hace falta tener cables de cobre relativamente gruesos [3]. Pero como resulta que uno de los terminales es cobre [4], y el otro de aluminio [5], al ser éste último peor conductor eléctrico [6], hace falta mayor volumen del mismo, alrededor del 60% más que del correspondiente de cobre, aunque debido a su menor densidad, el peso es parecido entre ambos terminales.

Los aparatos móviles, que es donde se usan las baterías de mayor densidad de energía utilizan terminales positivos y negativos que son muy finos, como el papel de fumar, igual que el electrolito polimérico, que también es un papel impregnado de electrolito. Pero eso pone limitaciones en la corriente que puede circular en ambas direcciones, reduciendo la potencia tanto en carga como en descarga. No en vano muchos de estos dispositivos cargan en más de hora y media, y la duración puede ir desde esa misma hora y media, hasta varias semanas. Eso permite minimizar la C máxima a 1 o menos, para permitir reducir al absoluto mínimo los grosores de los polos. Con gruesos de una decena o dos de micras (0.02mm), uno se puede apañar sin ningún tipo de problema para manejar 1 o 2 amperios, incluso 6 o 7.

Sin embargo, las baterías de automoción requieren manejar cientos de amperios, dos órdenes de magnitud por encima que una batería comercial. Eso no lo soportan similares papelitos metálicos. Hace falta algo más grueso, del orden de décimas de milímetro o más. Más o menos, el mismo espesor que el electrolito de la batería, que es el que en realidad almacena la energía.

Este mayor espesor de los conductores para poder permitir las elevadas corrientes de más de 300 A requeridas significa que hay menos espacio para el litio, o que la batería, para la misma cantidad de litio, necesita más volumen, y por tanto, menor densidad energética, tanto por volumen como por peso.

Es un límite impuesto por los requerimientos de potencia, y afecta mucho a la densidad de energía. Los electrodos necesarios para manejar semejante potencia ocupan incluso más que la parte que la almacena, y eso es algo importante, independientemente de quién almacene esta energía, por tanto, es un límite muy difícil de franquear, y que aleja bastante las capacidades que se pueden obtener de lo que realmente uno espera cuando mira a otros equipos. No es algo exclusivo de las baterías de Litio.

Un aspecto positivo de tener este tipo de arreglo, es que facilita mucho la refrigeración de las baterías. El cobre es uno de los mejores conductores del calor, seguido muy de cerca en orden, aunque la mitad en valor, por el aluminio [7] (ojo con cierto alótropo del carbono, en el primer puesto del ránking). Si a esto le añadimos que la menor densidad de energía significa que tenemos relativamente menos litio por la misma cantidad de batería, la cosa mejora significativamente en este importante aspecto.

El tema de la temperatura, en el caso de las baterías de litio tiene aún más vertientes que para el caso de las baterías de plomo o de NiMH. Para entenderlo mejor, primero hay que ver algunos puntos relativos a la seguridad, y eso pasa por un pequeño inciso sobre química, reacciones de reducción y oxidación, y un problema asociado nada evidente, pero realmente relevante.

Resulta que en el mundo de la química, la misma reacción de oxidación puede tomar forma de varias maneras. Si se hace controladamente, se puede aprovechar para hacer una batería y obtener la energía de forma eléctrica. Si no se hace controladamente, pero ésta es lenta, se tiene un resultado de corrosión, como pasa con el hierro. Si ésta no es lenta, podemos tener el clásico resultado de la combustión.

Hay que destacar que hay varios efectos condicionantes para que eso pase. Uno de ellos es la concentración de oxígeno. En la atmósfera, el contenido de oxígeno es de alrededor del 21%, y la presión es la atmosférica estándar, lo cual no es algo excesivamente elevado, lo cual conlleva a una oxidación relativamente lenta de la mayoría de metales, como el hierro.

Sin embargo, el mismo hierro, con concentraciones mayores de oxígeno, bien por aumento de presión, bien por aumento de la concentración, o ambas cosas, resulta que arde bastante violentamente, hasta el punto que se utilizan lo que se llaman ‘lanzas de hierro’ como sistema de corte.

En el mundo real, hay tres sistemas diferentes que tienen juntos en el mismo ‘envase’ el elemento oxidante y el elemento a oxidar. El primero se llama cohete, de sobras conocido, que lleva ambos elementos en depósitos claramente separados y bien asegurados. El segundo, son los explosivos, que llevan ambos elementos perfectamente mezclados, y el tercero, son las baterías, que también los llevan relativamente mezclados, y en mayor concentración cuanto mayor es la densidad de energía.

El resultado, es que las baterías de litio son muy temperamentales. Si no se tratan bien, pueden desatar una reacción en cadena que las lleva a la combustión, incluso a la explosión. No es un tema baladí, ni siquiera desconocido: General Motors tuvo problemas con su Volta en las pruebas de crash test, que causó mucho revuelo [8]. Tampoco es desconocido el caso de portátiles ardiendo (Sony tuvo muchas experiencias en este campo), o de packs de baterías para coches y aviones radio control [9].

Este incidente forzó el cambio del diseño de la batería del Volt/Ampera, que estaba refrigerada por aire (con lo cual resulta que una parte importante de la misma estaba ‘vacía’ para permitir la circulación del mismo, reduciendo así, todavía más, la energía específica) a un diseño con refrigeración líquida, con el mismo volumen de batería, pero más pesada al sustituir una parte importante del aire interior por agua. Y aumentando la complejidad.

Con la casi obsesión compulsiva hacia los temas de seguridad que tienen los sectores afines a la automoción, este punto tiene unas consideraciones realmente impactantes, además de las implicaciones eléctricas asociadas.

La primera implicación es química: no se puede usar cualquier tipo de polo positivo, puesto que el de LiCoO, que es justamente el que tiene mayor densidad de energía, resulta que es el más temperamental de todos.

El segundo elemento determinante, es la curva de carga y descarga. Si bien la descarga es algo relativamente fácil de controlar, el problema viene, una vez más, por el lado de la carga. La curva de carga y descarga de las baterías de litio es bastante mala, puesto que varía mucho la tensión en función del estado de carga, y también hasta cierto grado, dependiendo de la corriente de carga/descarga.

Por ejemplo, una batería totalmente cargada está en los 4,2V, mientras que la descarga se suele cortar alrededor de los 3V, lo cual es una variación de más del 37% sobre la tensión nominal de 3,7V.

El proceso de carga, en realidad, podría superar los 4,2V bajo condiciones ideales, pero por temas de seguridad y de dependencia de la temperatura (una vez más), la carga se puede efectuar entre 1 y 2C hasta que la tensión alcanza los 4,2V, momento en que la carga suele estar entre el 60 y 75% de su capacidad nacional. A partir de ese momento, la corriente se debe limitar para no superar esta tensión, con lo que la velocidad de carga se ralentiza.

Mientras que en la telefonía móvil y la mayoría de aparatos electrónicos trabajan con una única celda de litio, los vehículos eléctricos, al necesitar tensiones elevadas, utilizan muchas de estas celdas conectadas en serie. Eso eleva la tensión tantas veces la tensión nominal como tensión tiene una celda. Es decir, que con 100 celdas en serie tenemos una tensión nominal de 370V, que en realidad se va a mover entre 300 y 420V. La corriente nominal será la misma que para una celda.

Esto que parece sencillo, en realidad tiene un problema más grave subyacente: las celdas es imposible que sean todas exactas. No es raro que haya hasta un 5% de diferencia entre una y otra por lo que hace a capacidad, siendo siempre limitante la que tiene menos. Esto, aparte de introducir pérdidas, también tiene un efecto secundario importante: hay que medir individualmente la tensión en cada celda, así como la temperatura en cada pocas, por no decir individualmente. Esta medida no es sólo informativa, si no que cuando una llega a la tensión nominal de 4,2V, que siempre hay una que llega antes, hay que derivar el exceso de corriente por algún lado para limitar la carga en esa celda. Es lo que se conoce como balanceo de celdas o de baterías [10].

Esta derivación implica que una parte de la energía que entra en el pack de baterías es disipada en resistencias en lugar de ser almacenada. No sólo son pérdidas, sino que también es calor innecesario.

Una vez que una parte importante de celdas ya han llegado a la tensión estipulada, entonces se reduce la cantidad de corriente para todo el pack. Y eso depende de la C que se le aplique de carga, y del estado de las baterías. Para cargas rápidas con hasta 2C, el límite puede llegar a 60% del estado de carga, para bajar a menos de 1C una vez se ha sobrepasado el 70 – 75%. Sin embargo, para cargas lentas, quizás de 0,1C, el límite se alcanza igual al 90%, y con menos pérdidas.

Además, corrientes bajas de carga implican pérdidas bajas debido a resistencias óhmicas, y por tanto, mejoras en el rendimiento de la batería. Es decir, que si una batería de litio tiene un rendimiento (energía utilizada para cargarla/energía entregada en la descarga) generalmente del orden del 95% para cargas y descargas lentas o mejor, bajo condiciones de carga rápida, este rendimiento puede caer por debajo del 90%.

Entonces, para cargas rápidas, que suelen implicar corrientes muy elevadas (y potencias realmente exageradas), las pérdidas internas del pack de baterías generan invariablemente (mucho) calor. Dado que la carga de las baterías de litio está limitada al rango de 0 a 45ºC, no queda más remedio que enfriarlas. Y para enfriarlas hace falta prever algún método de refrigeración, bien aire, bien agua. Lo cual significa espacio ocupado, bajando además la densidad de energía del pack al completo.

Las pérdidas del sistema electrónico de balanceo son básicamente debido al proceso de balanceo en el momento en que empiezan a entrar celdas en la tensión límite, aunque el consumo intrínseco, propio de dicho sistema sea bajo y se cuente en la región de pocos Watios en carga, miliWatios en espera.

Sin embargo, cargas rápidas van a obligar invariablemente a forzar la refrigeración del pack de baterías. Es decir, hace falta algún sistema que refrigeración que habitualmente son compresores o inverters de los que se utilizan para el aire acondicionado, y que suelen consumir entre 1 y 4KW. Potencia que hay que añadir al sistema de carga y que no va a parar a la batería, con lo que aumentan aún más las pérdidas, a la vez que se encarece todo el sistema al tener que ir añadiendo elementos.

Otro aspecto conocido sobre los ciclos de carga y descarga, es que éstos son un límite en las baterías. Habitualmente se suele mencionar que hay un número limitado de ciclos de carga/descarga, que ronda entre los 500 y los 1000 para la mayoría de baterías, aunque para las de automoción esto suele ser bajo, y no es raro que se superen las 5000. La razón: una vez más los gruesos electrodos. No todo iba a ser inconvenientes.

Resulta que uno de los limitantes de la vida de las baterías en lo que a número de ciclos atañe, es debido a que los electrodos cambian de volumen debido a que cambian de composición química: ganan y pierden litio por el propio proceso electroquímico. Esto implica que la superficie del electrodo tiene un estrés mecánico (agravado por la temperatura) debido a estos cambios que acaban por estropear el electrodo. Electrodos gruesos aguantan mejor estos ciclos debido a que aguantan mejor el estrés mecánico, además de ayudar a disipar el calor generado. Sin embargo, cargas rápidas, con sus elevadas temperaturas, son responsables de reducir mucho la vida útil de las baterías.

Por lo que hace a la descarga, resulta que el rango de funcionamiento de las baterías de litio también es mejor que para las baterías de plomo, que trabajan mejor a temperaturas altas, mejor que las de NiMH, que trabajan en un rango bastante estrecho, y su punto más habitual de trabajo son las temperaturas templadas y frías de las zonas centrales y más meridionales de Europa, que precisamente es donde se cuece este bacalao.

De todas maneras, aunque se llevan bien las temperaturas bajas, en algunos casos se ha informado de problemas de falta de potencia a temperaturas bajo cero, al menos al principio, hasta que las baterías se han calentado debido a su uso.

Para aumentar su seguridad, además de tener todas estas medidas de control térmico y de carga, también es obligatorio que vayan selladas dentro de su caja, generalmente de aluminio, soldada y sin capacidad de ningún tipo de intervención dentro de la misma. Además, cuentan con un sistema interno que aparte de medir las tensiones, y también la corriente que entra y sale, hay un sistema de seguridad que corta las dos bornas positiva y negativa del exterior, si por alguna razón el sistema detecta que no es seguro.

Este sistema, llamado interlock, consta de varias partes, y es precisamente el encargado de que las baterías se desconecten en el momento en que éstas son cambiadas, para evitar que el técnico que realiza el cambio se electrocute.

Además, también hay un complejo sistema de detección de fallos que evita que en caso de accidente, si se corta alguno de los cables importantes, el sistema esté alimentado y pueda causar problemas. Si el coche no está ‘arrancado’, tampoco hay tensión en la mayoría de la circuitería de potencia.

Esto obliga a tener un sistema secundario de seguridad, alimentado a otra tensión, con otra batería auxiliar, habitualmente la de plomo de los 12V de siempre. Todo esto, implica una cantidad nada desdeñable de electrónica dentro del vehículo, y que también tiene su consumo eléctrico. Lo suficiente como para dedicarle una entrada en sí misma.

Pero por si los asuntos de seguridad derivados de la temperatura no son suficientes, hay varios aspectos más a resaltar. El primero es la capacidad de la batería. Ésta se reduce con temperaturas muy elevadas, con lo que si el coche está aparcado en un sitio muy soleado y caluroso, pongamos por ejemplo Sevilla en Agosto, al sol, al mediodía, cuando las temperaturas a la sombra pueden superar fácilmente los 45º C, y encima el coche es negro con las lunetas tintadas, resulta que de parado, el sistema puede decidir poner en marcha el aire acondicionado de la batería para evitar que ésta alcance valores excesivamente elevados simplemente por la situación ambiental. O sea, que con el coche parado, hay consumo eléctrico sólo debido al sistema de seguridad y a los problemas con las temperaturas.

Y para rematar, el problema más grueso que siempre se omite cuando se habla de coche eléctrico: la vida útil de las baterías.

El tema viene a colación de que la vida útil está directamente relacionada con la temperatura media a la cual dicho vehículo tiene las baterías, y encima relacionado con el estado de carga. Temperaturas y estados de carga elevados significa que la batería puede durar mucho menos.

Es el extraño caso del depósito menguante. Uno se compra un coche con una autonomía razonablemente corta, y dicha autonomía se reduce un % elevado cada año, con lo que cada año puede hacer menos Km por carga. Y encima, el % depende de la temperatura media, con lo que en países calurosos y soleados, precisamente esos donde es más atractiva la energía solar, son los que presentan más problemas. Hasta que la batería, por debajo de cierto estado de salud, la degradación se dispara y en poco tiempo pasa de tener una capacidad, de, pongamos el 70 – 80% de la nominal a tener una capacidad del 20 – 30%, con la consecuente necesidad de recambio, junto con la posibilidad de otro tipo de fallos algo más, ehm, ‘espectacular’.

Dado el parque de Nissan Leaf que ya se ha vendido, y a que se tiene un buen control sobre el funcionamiento de los mismos, hay ya datos sobre este tipo de comportamiento en la vida útil de las baterías.

Los ingenieros de Nissan han previsto que las rayas del indicador de carga que tiene el cuadro de instrumentos, al estilo de indicador de nivel del depósito, se correspondan con la cantidad de KWh que hay dentro del pack de baterías. Por tanto, a medida que la batería va perdiendo capacidad con la edad, la cantidad de rayitas que se encienden en el cuadro va bajando, y por tanto es relativamente fácil de saber en qué estado está la batería una vez llena.

A partir de esta información y de las reclamaciones que ya ha habido al respecto a Nissan, se ha podido recolectar suficiente información para comparar la realidad de la vida de las baterías en el mundo verdadero, con las teorías que se ponen sobre el papel, y que necesitan ser corroboradas.

En [12] hay un estudio bastante exhaustivo sobre el efecto de la temperatura en el envejecimiento de las baterías de los Nissan Leaf. Sugieren que ésta sigue la ley de Arrhenius, y en concreto han calculado una vida media de la batería, suponiendo el final a la optimista cifra del 70%, para Sevilla, de 4,7 años. Para Dubai, la estimación baja de los 2 años. Mientras, para París y Londres, respectivamente, 8,2 y 8,4 años.

Hay otros efectos que influyen en el envejecimiento sin ser la temperatura, siendo los más destacables los ciclos de carga y descarga, especialmente las rápidas. Esto ha sido también incluido en el estudio, aunque pueden llevar a otro tipo de envejecimiento prematuro, y a largo plazo, va a ser difícil que las baterías duren más de 10 años en ninguna parte del mundo debido a estos otros factores. Presumiblemente nunca pasen de los 6 o 7 años de vida, visto la duración de las baterías [13].

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_polymer_battery

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium

[3] http://www.powerstream.com/Wire_Size.htm

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Copper

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium

[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity

[7] http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html

[8] http://www.consumerreports.org/cro/news/2011/11/nhtsa-launches-safety-investigation-following-chevrolet-volt-battery-fires/index.htm

[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Plug-in_electric_vehicle_fire_incidents

[10] http://en.wikipedia.org/wiki/Battery_balancing

[11] http://en.wikipedia.org/wiki/Interlock

[12] http://www.mynissanleaf.com/wiki/index.php?title=Battery_Capacity_Loss

[13] http://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CDsQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.mecheng.osu.edu%2Fnlbb%2Ffiles%2Fnlbb%2FBattery_aging_09.pdf&ei=x4r7UvTPA7Cu7Aa8toHwBA&usg=AFQjCNEwlQZNUEdYReaLriizwXo5I5Tu6Q&bvm=bv.61190604,d.ZGU

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Una batería es un elemento que almacena energía eléctrica [1]. Hasta ahí todos de acuerdo. Para realizar este almacenamiento, se recurren a reacciones químicas, pues es un sistema electroquímico, exactamente igual que el de las pilas alcalinas o las que hizo famoso a Alessandro Volta.

La electricidad en la naturaleza es un tipo de energía que se da poco. Los dos tipos de energía eléctrica natural más conocidos son la estática, y los relámpagos, que es cuando dicha estática es tan grande que acaba por descargarse mediante el mismo.

Sin embargo, hay un tercer tipo de electricidad, no estática aunque sí lenta, que quien más quien menos ha visto y conoce, aun sin saber que en realidad es electricidad. Se llama oxidación, y el paso inverso, reducción. Si, la formación del óxido en el hierro es una reacción electroquímica, una del grupo de reacciones bien conocidas de la química y que se llama ‘Redox’ (de Reducción y Oxidación) o de intercambio de electrones.

Una oxidación controlada y manejada es exactamente la causante de las corrientes eléctricas que suministran las pilas alcalinas y las baterías de todos los tipos conocidos. El proceso de recarga controlada de aquellas que lo permiten (lo cual distingue entre células primarias o no recargables de células secundarias o recargables) es el proceso de reducción controlado.

Es precisamente esta parte de la química la que respalda las baterías y pilas eléctricas que usamos en nuestra vida cotidiana. Sin embargo, los parámetros importantes son eléctricos. La relación con la química básicamente viene marcado por un punto: el elemento químico base sobre el cual se efectúan las reacciones Redox.

Este elemento marca uno de los parámetros básicos de las pilas y baterías: el voltaje por celda. Así que hay dos parámetros asociados directamente: elemento químico y su voltaje nominal por celda. También implica directamente otros procesos como son las curvas y métodos de carga.

Así pues, en lo que se refiere a baterías recargables, básicamente hay tres químicas que dominan el panorama mundial, sobradamente conocidas y utilizadas. El plomo-ácido [2], el más extendido y utilizado, el más viejo, el que se usa en los coches térmicos para todos los usos eléctricos del vehículo como arrancarlo. Su voltaje por celda es de alrededor de 2,2V.

El segundo tipo más común es el derivado del Níquel [3]. La variante más común hoy en día es la de Níquel – hidruro metálico (NiMH), ya que la variante de Níquel Cadmio es muy tóxica, aunque algo más eficiente y en general ventajosa desde el punto de vista eléctrico. Estos tipos tienen una tensión nominal de 1,2V

El tercer tipo, el más conocido del mundo de la electrónica de consumo, y ahora de los vehículos eléctricos, son las baterías hechas a partir del Litio [4]. La tensión nominal cambia ligeramente según las combinaciones de litio que se utilicen, y están entre 3,6 y 3,7 V.

Sin embargo, el elemento que más relevancia tiene a la hora de determinar los parámetros de una batería, es la capacidad de almacenar energía. Dado que es energía, ésta se expresará en Wh. Sin embargo, desde el punto de vista eléctrico, lo que importa no son los Wh sino más bien los Amperios hora o Ah.

Dado que una batería suele constar de muchas celdas iguales montadas juntas (en ‘batería’, de ahí su nombre), habitualmente en serie, para obtener una tensión nominal de trabajo más elevada, por ejemplo 6 celdas para las baterías de plomo para conseguir unos 13.5V nominales (los famosos 12V de los coches), la energía nominal que pueden almacenar se calcula simplemente multiplicando la tensión nominal por la capacidad en Ah de la misma. Por ejemplo, 12V * 60Ah da 720Wh, que es el caso de una ‘pequeña’ batería de coche Gasolina.

Pero ¿Qué es un Amperio hora? [5] Bueno, al igual que los KW hora, es una medida en la cual se estima que se consume una corriente constante de 1 A durante una hora. Se dice que una batería de 1 Ah de capacidad es una batería que si se le pide 1 A durante una hora empezando con la batería llena, ésta pasará a estar vacía al cabo de esa misma hora.

A esta capacidad, la llamaremos C, en Ah, muchas veces se hace referencia a dicha C, aún cuando se hable de corrientes de carga y de descarga, obviando entonces la hora, y haciendo un uso incorrecto de los términos.

¿Por qué se mide la capacidad en Ah en lugar de Wh? Pues porque aunque las celdas de las baterías tienen una tensión nominal, dicha tensión no es constante, y puede variar mucho dependiendo de varios factores. Y aquí es donde empiezan las diferencias de verdad entre tipos diferentes de baterías.

La variación de la tensión de una celda a lo largo de un ciclo de descarga, se le llama ‘curva de descarga’. Similarmente, si es durante el proceso de carga, se le llamará ‘curva de carga’.

Una batería ideal tendría una curva de carga y de descarga perfectamente plana entre el 0 y el 100% de su carga, y sería exactamente igual una y la otra.

En la práctica, la cosa no va así. Además, los procesos no sólo de carga, si no de detección de fin de carga y de descarga, dependen mucho del tipo de batería. Además, una curva plana pone un par de problemas sobre la mesa: ¿cómo saber si una batería está totalmente cargada, para poner fin al proceso de carga?, ¿cómo sabemos si la batería está ya descargada?, ¿cuánta energía queda dentro de la batería?

Ahí es donde entra en juego la realidad, y cómo la no idealidad de la situación juega a nuestro favor. Y como ya se ha dicho, es dónde la diferencia entre químicas se hace patente, y donde los detalles esconden al diablo.

Así, por ejemplo, las baterías más desconocidas para el público, las de NiMH, tienen una curva de carga más o menos plana, casi ideal, entre el 5 y el 95% de su capacidad. En muchos aspectos, son prácticamente ideales, hasta el punto que se suele hacer difícil detectar su fin de ciclo de carga.

Este tipo de comportamiento, con una tensión fija constante, permite aproximar con muy buena medida, la carga y descarga por corriente a la carga y descarga por potencia, que es el valor que vamos a usar, por simplicidad, en las siguientes entradas.

Así pues puestos en harina, ilustremos un poco más sobre las baterías de NiMH. Este tipo de baterías tiene más ventajas que simplemente la curva de carga y descarga prácticamente ideal. Detectar que la batería se ha quedado vacía es tan simple como medir la tensión de la celda, y cuando ésta baja de 1V, se ha acabado. De manera similar, en el proceso de carga, cuando la batería empieza a subir su tensión por encima de 1.2 – 1.3V y encima de manera apresurada, es que se ha terminado el proceso de carga. Ésta parte puede ser un poco más compleja, pues depende de cómo se cargue.

Literalmente, depende de cuanta C se utilice para cargarla. Ojo, C en A, (o puestos el caso, W), no en Ah. Ahí es donde empiezan las grandes diferencias.

Una batería de NiMH suele ser amiga de las cargas rápidas, hasta 2C, sin muchos problemas ni aspavientos. Eso significa que en teoría, podríamos cargar la batería en media hora, dándole el doble de la corriente que viene especificada en la capacidad. Es decir, una batería de 1 Ah, aguantaría 2 A y con esto se cargaría en la susodicha media hora. No es del todo cierto, puesto que al principio y al final las curvas cambian ligeramente, y porque la batería, al no ser ideal, necesita siempre que le suministren más energía que la que luego va a salir de la misma en el proceso de descarga. Cosas de la termodinámica.

Otra ventaja de las baterías de NiMH es que permiten descargas grandes de manera rápida y sin despeinarse. Es decir, si para cargar aceptan hasta 2C, en descarga no es nada raro que se aguanten entre 20 y 100C. Las variantes de NiCd llegan a dar descargas aún más grandes (más de 150C!), y apenas se nota en la tensión de la celda. Esta es, de lejos, la mejor batería a efectos eléctricos.

La mayor dificultad estriba en saber el estado de carga de la batería: ¿Cuánta energía queda dentro? La dificultad se suele solucionar midiendo la energía que sale, cosa nada sencilla.

Esta asimetría entre la carga y la descarga se da en todas las baterías, no sólo en las de NiMH. Además, pone de relieve un elemento importante que siempre se pasa por alto, a pesar de ser conocido.

Si quien más, quien menos piensa que el tamaño es importante, habrá pensado en el tamaño que tienen las baterías y la capacidad que las mismas presentan. También se suele relacionar con el peso, pues las baterías de plomo son muy pesadas. Este tipo de relación es importante, y se le conoce como la Densidad de Energia. La densidad, a secas, es la relación entre peso y volumen. Así, un litro de agua pesa muy aproximadamente, 1Kg y por tanto se dice que tiene una densidad de 1Kg/l. Sin embargo, la ‘densidad de energía’ se puede medir de dos maneras: Wh por litro, también llamada energía específica, y Wh por kilo de peso, que es por definición, la auténtica densidad energética.

Así pues, tenemos que la gasolina súper tiene una energía específica de unos 12KWh por Kg. Las baterías tienen densidades que van desde los 10Wh por Kg a los 500Wh por Kg de algunas de las más optimizadas baterías de litio.

Pero además de la densidad energética, también tenemos la potencia específica, donde lo que se mide es la potencia en W por Kg. Si bien en densidad energética y energía específica, las baterías de litio son las claras vencedoras, eso sí, a dos órdenes de magnitud de la gasolina, en cuanto a potencia específica, las baterías de NiMH tienen clara ventaja, aunque sólo en lo que respecta en la potencia de descarga, pues en la potencia de carga están a la par de las baterías de litio.

Sin embargo, a pesar de la bajísima densidad energética de las baterías en frente a la gasolina, la densidad de potencia es un factor igualmente limitante, como se verá más adelante.

Las baterías de plomo ácido, no sólo son las que tienen peor densidad energética, sino que también tienen la peor potencia específica de todas, ya que son las que más acusan descargas rápidas. Difícilmente llevan bien cargas y descargas mayores de 0,5C. Especialmente en descargas acusadas, la tensión de la batería cae en picado, así como el rendimiento. A pesar de ello, son las baterías más robustas y duras que se conocen, a la par de ser las más utilizadas desde los albores de las baterías, y por tanto, son una tecnología más que madura.

Otro aspecto que pasa desapercibido, a pesar de ser relativamente conocido, es la variación de los parámetros de las baterías con la temperatura. Es conocido que en ambientes fríos, las baterías de plomo tienen problemas para arrancar los coches. Eso es debido a que la reacción de descarga pasa por un electrolito acuoso (el ácido que hay dentro de las baterías), y que con el frio, se convierte más en un granizado que en otra cosa. Éste punto en concreto es tratado de manera muy vaga en internet, no sólo en la wikipedia.

Éste electrolito es el elemento que permite moverse a los átomos de plomo del cátodo al ánodo y viceversa, según se cargue o se descargue. Estos átomos se mueven siempre más rápido según la temperatura, y si el electrolito está casi congelado, apenas se mueven, con lo que la velocidad de la reacción, y por ende, la capacidad de descargarse, se reducen. Y por tanto la densidad de potencia baja aún más.

En el otro lado de las temperaturas, un calor excesivo puede causar reacciones indeseadas, con lo que también puede perderse capacidad más que potencia. Este aspecto es especialmente importante en las baterías de NiMH, que a altas temperaturas pueden perder hasta el 40 – 45% de capacidad. Y por altas, estamos hablando de 45ºC, algo que en el sur de la península ibérica se alcanza con facilidad en verano.

Así pues, tenemos que las baterías de plomo son malas, pesadas y poco capaces en general, y además no les gusta el frío, cosa que los países que llevan la batuta tienen en abundancia. Las baterías de NiMH llevan algo mejor el frío, pero llevan mal el calor, y además, con capacidades pequeñas pueden mover motores grandes. Así que se han convertido en las reinas de los coches híbridos no enchufables, pues con sólo 1,8KWh para el Prius, éste puede mover el motor de 27KW gracias a su enorme capacidad de descarga.

Aún así, los márgenes de temperatura de trabajo son mucho más estrechos que lo que la gente cree. Básicamente, afectan a la capacidad, pero dado que los híbridos trabajan con una ventana de capacidades muy baja (del orden del 10%, unos pocos cientos de Wh), y encima, no se informa al respecto, este punto pasa desapercibido. Sin embargo, en los vehículos eléctricos puros, este efecto, especialmente con la escasa autonomía de los mismos, pasa al otro extremo, al de ser el más importante.

Hace falta trabajar con cámaras climáticas, haciendo curvas de carga y descarga sobre varios packs de baterías, y a ser posible sobre diferentes químicas, para ver en realidad cómo afectan las temperaturas al comportamiento de éstas. Justo un tema que éste autor conoce de primera mano. Sin embargo se ilustra con datos reales de fabricantes conocidos y casos particulares de la automoción.

Para hacer eso, la batería del Prius es de 275V, y ‘solo’ 6.5 Ah. Este pack además es relativamente sencillo, puesto que consta de 230 celdas unitarias de 1.2V, 6.5Ah conectadas en serie, algo de electrónica sencilla, y elementos de seguridad.

Esto pone de relieve que las baterías no son simplemente algo parecido a una pila de petaca y ya está. El hecho de trabajar por encima de 60V implica que tiene que haber unos elementos de seguridad que tienen que cortar la salida de la batería en ambos polo si pasa algo, y eso implica que el pack de la batería tiene que llevar elementos de supervisión y desconexión para que las bornas de la misma no tengan potencial cuando, por ejemplo, ésta sea reemplazada por un técnico.

En el caso de las baterías de plomo, la electrónica y los sistemas de control necesarios son mínimos, sencillos, debido a la robustez y sencillez de uso de las mismas. Las de NiMH tienen algo más de historia, debido a que la escasa variación de tensión implica que es más difícil saber en qué estado de carga se encuentran, y a que son tan sensibles a las temperaturas altas, pero la complicación sigue siendo reducida y fácil de solucionar.

Éste es un aspecto que condiciona los rendimientos de las baterías y los vehículos eléctricos de manera inesperada, y además tiene su vertiente en el proceso de fabricación del pack de baterías, lo cual complica la situación, tal y como se verá en la siguiente entrada para el caso más conocido: las baterías de litio.

[1] http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

[2] http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_de_plomo_y_%C3%A1cido

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel%E2%80%93metal_hydride_battery

[4] http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_de_ion_de_litio

[5] http://es.wikipedia.org/wiki/Amperio-hora

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Como ya se ha comentado, la propulsión eléctrica no es nada nuevo. Ni nada que se redescubra después de un período de olvido. La propulsión eléctrica ha estado con nosotros desde finales del siglo XIX, y es algo de uso cotidiano. El metro y los trenes eléctricos son el gran exponente de este tipo de propulsión. En otros países, de siempre, se ha usado el trolebús. El tranvía también es de uso habitual.

Los motores utilizados para propulsar vehículos de diversa índole están más que estudiados, desarrollados, probados y afinados. Los hay de todo tipo, tamaño, potencia, velocidad, prestaciones. Hasta existen aparatos voladores que utilizan sólo motores eléctricos, aunque sean de pequeño tamaño [1] [2].

Sin embargo, la realidad es que sólo hay dos tipos de motores, y ambos se basan en la interacción de campos magnéticos, en plural, pues aunque lo habitual suele ser de dos, no es raro que sea la suma de varios [3].

De los campos magnéticos involucrados, y que simplificaremos a dos, uno es invariablemente creado por electroimanes, siendo éstos los que consumen electricidad que se traduce en movimiento y energía mecánica. El segundo campo se puede crear bien a partir de imanes, con lo que el motor llevará la coletilla de ‘imanes permanentes’, o bien por electroimanes, cambiando la coletilla a ‘excitación externa’, o simplemente, ‘excitación’.

Es de cajón que el usar energía para crear un campo magnético que se puede crear con imanes, y por tanto, sin aporte de energía, reduce el rendimiento de los segundos en frente de los primeros.

Así pues, los dos tipos de motores eléctricos que podemos encontrar, o mejor dicho, dos categorías diferentes, dependen única y exclusivamente del tipo de electricidad que se les aplica: corriente continua (Direct Current, o DC de ahora en adelante [4]) y corriente alterna (Alternating Current o AC [5]).

Esta distinción es importante. Las baterías, pilas y los paneles fotovoltaicos son todos de DC, la electrónica funciona casi toda en base a DC, mientras que la red eléctrica es toda de AC. La gran ventaja de la AC es que se puede usar un aparato llamado transformador, que permite cambiar tensiones y corrientes con rendimientos muy elevados, y con tecnología relativamente sencilla. Hacer lo mismo con DC no es trivial.

Convertir la alterna en continua también es algo sencillo, y los aparatos que hacen esto se llaman como el grupo de rock, AC/DC (converters). Hacer AC a partir de DC es aún más complicado que convertir una DC de unas características a otra DC con otras características, y estos aparatos se llaman Inverters. No sólo están presentes en los coches eléctricos, sino que también se usan en instalaciones fotovoltaicas para convertir la continua que éstas generan en AC usable por los electrodomésticos.

Mientras en la continua hay dos parámetros importantes, la tensión y la corriente (y por ende, la potencia), en alterna aparecen un par de variables nuevas: la frecuencia de alternancia (la red europea va a 50Hz, la americana a 60Hz) y el desfase entre tensión y corriente, elemento que no veremos en absoluto en este estudio sobre el coche eléctrico.

En todos los motores hay una parte fija, que se llama estator, y otra que gira, que se llama rotor. Estas partes pueden tomar muchas formas, pero son fácilmente distinguibles y son las que son, así que el motor eléctrico es bastante más sencillo que otro de gasolina, gasoil, gas, cohete, o lo que sea. Otro punto a su favor: son sencillos de construir en comparación, lo cual ahorra costes.

Un motor de continua tiene un campo magnético fijo en el estator, que puede ser tanto por imanes como por bobina. El rotor sin embargo es siempre la bobina o electroimán de accionamiento. Esto implica que hay que llevar electricidad al rotor, y encima hacer que alguna de las bobinas esté siempre con corriente circulando, y que sea precisamente la o las que están en cierta posición respecto del campo magnético fijo. Esto se hace con un añadido que es el colector de escobillas.

El motor de alterna funciona justo al revés: el campo magnético responsable del movimiento está en el estator, mientras que el campo fijo está en el rotor. Este campo fijo puede ser de imanes permanentes, como ya se ha explicado y el resultado entonces es un motor síncrono de imanes permanentes, o bien puede ser un electroimán, que puede ser de dos tipos: bobina de accionamiento por escobillas, con lo que tendríamos un motor síncrono de excitación externa, o tipo ‘jaula de ardilla’, sin escobillas, dando lugar a un motor asíncrono. Éste ‘pasa’ la electricidad al rotor a través del efecto transformador, lo cual implica que el rotor siempre tiene que girar más lento que el campo eléctrico para poder inducir esta corriente en el rotor.

Es importante decir que los motores de alterna tienen más de una bobina, y que el giro se debe a la diferencia de fase entre las excitaciones de las diferentes bobinas, que en realidad, se comportan como un único campo magnético rotativo. Lo habitual son tres bobinados conectados a las tres fases de un sistema trifásico, que es lo que se usa en la industria.

Casi todos los motores eléctricos se basan en estos dos, con la excepción de los motores de reluctancias. Ya se llamen motores paso a paso o motores Brush Less DC (BLDC).

El motor de corriente continua es el más sencillo de controlar, y por eso es el que ha sido más utilizado en propulsión eléctrica durante muchos años. Tiene un rendimiento muy bueno, es sencillo, tiene buenas prestaciones, relativamente poco mantenimiento (rodamientos, escobillas), y con una gran relación potencia/peso/volumen. Un ordenador de escasa potencia de cálculo como el viejo PC original puede controlar un puñado sin despeinarse.

Un motor de alterna es más difícil de controlar para sistemas de transporte, no así para la industria y electrodomésticos, donde el motor asíncrono es de lejos el más usado con éxito, precisamente porque no necesita control.

En comparación, controlar el motor más habitual en la propulsión eléctrica moderna, especialmente en coches (y otros aparatos pequeños como los aviones RC y multicópteros [6]), que es el trifásico síncrono de imanes permanentes, resulta tan complejo que un viejo 486 DX a 100MHz de la época a duras penas podría controlar un par a base de matemáticas complejas y afinar en su programación. Aún así, es el motor con mejor rendimiento y relación potencia/peso/volumen que existe con la excepción de los motores de turbina de gas y cohete [7] [8].

Vano motor con el motor térmico antes de vaciar

Un motor asíncrono trifásico [9] como el que utiliza el Renault Twizy es a muchos efectos lo mismo que un trifásico síncrono de imanes permanentes en cuanto a sistema de control, sólo que con unas matemáticas diferentes por detrás. La clave está en que las instalaciones domésticas, que trabajan a una frecuencia fija, no valen para un vehículo, donde la velocidad de giro varía mucho, y precisamente dependen de esta frecuencia. En la industria, los inverters necesarios para controlar la velocidad de los motores, también se conocen por ‘variadores de frecuencia’.

Para muestra un botón. En USA, fruto de un sistema legislativo muy diferente del europeo, es habitual la reconversión de coches térmicos a coches eléctricos, especialmente los BMW. La diferencia de un BMW antes y después de su conversión, cambiando el motor térmico (gasolina, que allí no utilizan gasoil) por un eléctrico de similar potencia, antes de poner las baterías y la electrónica, es escandalosa.

Vano motor con el motor eléctrico puesto.

Vano motor vacío

Así pues, tenemos varios puntos a favor de la propulsión eléctrica:

• Es una tecnología más madura que la térmica, con más años.
• El rendimiento es muy superior, de lo más alto posible.
• El peso es extremadamente reducido.
• El tamaño es extremadamente reducido.
• Es una tecnología muy sencilla, con pocas piezas.
• El mantenimiento es prácticamente nulo, así como el desgaste.
• Es una tecnología sin apenas vibraciones.

También es una tecnología que apenas hace ruido, muy silenciosa, sin embargo, ¿representa esto en realidad una ventaja? El Prius tiene el apodo de ‘matapalomas’ debido a que al ser tan silencioso, las palomas no lo oyen y por tanto no levantan el vuelo así que las atropellan.

Hay aún más ventajas. La primera es que el motor, debido a su rendimiento, tiene una curva de par y potencia que lo hacen extremadamente utilizable en cualquier punto, con apenas variación del rendimiento del motor, no así de la electrónica, aunque la diferencia sigue siendo extremadamente ventajosa.

E

ste tipo de comportamiento evita algo engorroso: el cambio de marchas. Si juntamos que encima el motor, de parado no consume y que se pone en marcha igual que se acelera, resulta que también nos ahorramos el embrague, y el volante de inercia. De esta manera, la transmisión se reduce, habitualmente, a una reductora con diferencial.

Otra ventaja, es que se puede eliminar el diferencial mecánico [10], incontrolable, aunque sea el sencillo diferencial habitual o el más eficiente pero complejo (y caro) Torsen [11], si se engrana un motor a cada una de las dos ruedas motrices. Con eso no sólo se mejora el rendimiento al eliminar piezas de la transmisión, sino que además se gana en control al tener un diferencial electrónico. El inconveniente es que ahora hay dos motores (de menos potencia, es cierto), y más electrónica. Éste es un camino que cada vez apetece más y se está trabajando mucho en esta dirección.

Es tanto así, que se está trabajando en poner el motor dentro de la rueda [12]. Si es pequeño, ligero, potente, y sólo requiere de un mínimo de mecanismos, o, incluso, de accionamiento directo, es técnicamente factible. Tanto que Ferdinand Porsche ya lo hizo antes de 1900.

Tiene sus inconvenientes, claro. Al haber más cosas colgando del coche, la suspensión debe endurecerse, haciendo el viaje más incómodo. También pone más estrés mecánico en los motores y engranajes, y además estresa mecánicamente más los gruesos cables que van a los motores. Y no elimina el disco o tambor de freno. También hay más problemas de ventilación de los motores, al no poder utilizar refrigeración líquida.

De ahí a tener tracción independiente en todas las ruedas, va un paso, y para algunos proyectos particulares, se ha dado sin problemas y con claras ventajas, aunque de momento es algo que se vislumbra a lo lejos.

También este tipo de ventajas sirve para hacer híbridos del tipo ‘through the road’ [13], como el Peugeot 3004 Hybrid4 o el Volvo V60, aunque en este caso la mayor ventaja es de fabricación, como veremos en la entrada correspondiente.

El hecho de poder poner el motor eléctrico prácticamente donde nos venga en gana, significa que no sólo tenemos más rendimiento, control y funcionalidad, sino que además nos libera del espacio necesario para el motor voluminoso que condiciona el diseño de los coches convencionales, dejando toda la carrocería prácticamente libre para poner la electrónica de control y las baterías, y además, con la forma que se quiera.

Un último punto a favor de la tracción eléctrica, es que debido al gran rendimiento de ésta, el radiador prácticamente desaparece. Ciertamente hace falta uno para refrigerar, pero no para disipar más del 60% de la energía como es el caso de los coches térmicos. Eso lo reduce a tamaños realmente pequeños, e incluso bajo determinadas circunstancias (inviernos muy fríos) lo hace prácticamente inútil. Y el mayor problema o inconveniente del radiador, es el rozamiento aerodinámico necesario para su funcionamiento.

Sin embargo, el mejor detalle de todos por lo que hace al motor, especialmente los de imanes permanentes, es que a la vez son generadores. No hay diferencia virtual entre un motor y un generador. Por tanto, se pueden utilizar para cargar las baterías a partir de utilizarlos como generadores en lugar de motores, en lo que se llama ‘frenado regenerativo’. Ésa es la gran baza, la que permite el juego con las energías cinética y potencial que no puede utilizarse con los motores térmicos habituales. De ahí que haya tanto interés en la tracción eléctrica.

Sin embargo, si los motores de imanes permanentes son tan interesantes, ¿porqué hay algunos que utilizan la excitación externa como hace el Renault Fluence? ¿Hay algo de malo con los imanes?

Pues resulta que principalmente, el tamaño y la potencia del motor dependen del imán o la bobina que se utilice en su lugar. Hoy por hoy, los imanes más potentes (y por consiguiente, más pequeños) que existen, son los que se hacen a base de neodimio [14], una tierra rara, abundante en cantidad sobre la Tierra, pero muy repartida, que difícilmente se encuentra en las concentraciones lo suficientemente altas como para justificar una explotación directa. Otro tipo de imán algo menos potente, pero ventajoso bajo otras premisas, es el imán de Samario-Cobalto. El Samario es otra tierra rara.

Imanes basados en otros elementos que no sean tierras raras los hay, siendo el más potente el AlNiCo, una aleación de hierro con aluminio, níquel y cobalto. Éste último elemento aparecerá varias veces en diferentes usos de los vehículos eléctricos.

La producción de materiales para usos tecnológicos es algo que se acentúa todavía más en el caso del coche eléctrico, y un elemento de peso muchas veces poco estudiado en la cadena de distribución y producción de muchos elementos que luego se utilizarán en varias tecnologías asociadas. Lo suficiente como para dedicar una entrada a estudiar esta parte.

Referencias:

[1] http://www.neoteo.com/cri-cri-el-pequeno-avion-electrico/

[2] http://www.e-volo.com/

[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_electrico

[4] http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua

[5] http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_s%C3%ADncrono

[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Quadcopter

[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Power_inverter

[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Variable-frequency_drive

[9] http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_as%C3%ADncrono

[10] http://es.wikipedia.org/wiki/Mecanismo_diferencial

[11] http://en.wikipedia.org/wiki/Torsen

[12] http://en.wikipedia.org/wiki/Wheel_hub_motor

[13] http://green.autoblog.com/2010/08/23/peugeot-launches-3008-hybrid4-worlds-first-production-diesel-t/

[14] http://es.wikipedia.org/wiki/Im%C3%A1n_de_neodimio

La entrada Apuntes sobre el coche eléctrico 4. Motores eléctricos y transmisión. Beamspot 1×04 se publicó primero en COLAPSISTAS.COM.

En física, hay varios tipos de energía, y maneras de calcularla. Dos de ellos tienen mucho que ver con los coches en general, y ayudan mucho a explicar detalles de funcionamiento de ellos, con especial interés teórico para los coches eléctricos e híbridos.

La energía potencial es aquella que se desprende de las alturas. La gravedad es quien ejerce parte de esta energía, y se puede intercambiar fácilmente por otra energía, la cinética, debida a la velocidad, y que es con diferencia, la que más tiene que ver, obviamente, con los vehículos.

La energía cinética de un elemento que se mueve se calcula como E=1/2*m*v², donde m es la masa del vehículo, y v la velocidad en metros por segundo, resultando en una energía expresada en julios [1].

Por ejemplo, un coche de 1500kg, a 36 Km/h (o sea, 10m/s), tiene una energía de 150KJ, que equivalen a unos 41.7 Wh. Si, Watios-hora, sin la K de Kilo. Si aceleramos el vehículo a 72 Km/h, el doble, la energía cinética pasa a ser de 166.7 Wh, cuatro veces más.

Este valor significa dos cosas: es por un lado la energía mínima que habremos invertido en el coche, ya que siempre hay pérdidas (veremos una en breve) y además nunca tenemos un rendimiento del 100%, y por otro lado, significa que es la energía máxima que vamos a poder ‘reciclar’ o reabsorber, puesto que tampoco tendremos rendimientos del 100% además de otras pérdidas.

Para ilustrar un poco por dónde van los tiros, vamos a poner un ejemplo. Supongamos que el coche que hemos visto hace dos párrafos es térmico. La aceleración implica un consumo de combustible a cambio de una energía cinética, con un rendimiento variable, bajo. Pero luego, al frenar, toda la energía cinética desaparece en forma de calor en los frenos, no se recupera en ningún momento.

Así pues, si salimos de un semáforo, aceleramos hasta los 36Km/h, y luego paramos en el siguiente semáforo, habremos gastado irremediablemente 41.7Wh, presumiblemente como el triple (alrededor de 150Wh) de combustible.

Sin embargo, si hacemos lo mismo con un coche eléctrico o híbrido, en lugar de frenar, hipotética y teóricamente, vamos a ‘reciclar’ energía que vamos a volver a meter en la unidad de almacenamiento de energía eléctrica. Con lo que vamos a poder volver a utilizar esta energía cuando volvamos a salir del semáforo en el cual acabamos de pararnos. Es el principio del KERS (Kinetic Energy Recovery System o sistema de recuperación de la energía cinética) utilizado en la F1 [2].

Si el rendimiento fuese del 80%, significa que ahorramos el 80% de esta energía, con lo que ya no estaremos hablando de haber perdido irremediablemente 150Wh, si no que habremos gastado alrededor de 30Wh. Hipotéticamente hablando, se entiende.

Este es en realidad el truco que se esconde detrás de los coches eléctricos, y, sobre todo, la razón por la cual los taxistas están tan encantados con sus Prius híbridos no enchufables: el rendimiento de los coches híbridos y eléctricos en conducción urbana mejora, mientras que el rendimiento de los de combustibles empeora. En próximas entregas estudiaremos más a fondo el asunto de los rendimientos y las realidades, mientras que por el camino iremos explicando los porqués.

Antes de entrar en el más etéreo asunto de la energía potencial [3], hay que ver otro punto muy importante que hoy en día está de capa caída, pero que es determinante en entender los problemas de autonomía de los coches eléctricos (y también de los otros).

Una de las mayores razones o contribuciones a las pérdidas, es la velocidad. Y no se trata de las multas, no. Es el rozamiento aerodinámico [4].

Calcular dicha fuerza de rozamiento aerodinámico es relativamente sencillo dentro de ciertas limitaciones. Para coches más o menos aerodinámicos, y velocidades normales, por debajo de los 135Km/h, se puede usar la fórmula de F=Cx*A*v², donde Cx es el coeficiente aerodinámico o ‘de penetración’, A el área frontal del coche, y v, una vez más, la velocidad.

Muchos fabricantes dan la Cx, pero no dan la A. Así pues, podemos tener dos coches muy diferentes, uno muy aerodinámico (con una Cx pequeña), pero grande (una A grande), y otro, menos aerodinámico, pero de medidas más contenidas, y que ambos tengan el mismo rozamiento aerodinámico.

De esta observación, se desprenden dos cosas: un coche pequeño tiene menos pérdidas por aerodinámica, y lo que en realidad importa, es el conjunto Cx*A. Por suerte, la Wikipedia tiene un buen listado de estos valores. [5]

Para poner ejemplos, es interesante ‘convertir’ la fuerza de rozamiento en potencia (P = F * v), para ver la potencia necesaria para mantener a los vehículos en la velocidad designada, sólo contando la fuerza de rozamiento como pérdida. Para muestra, vamos a coger un coche aerodinámico de bajo consumo, el Toyota Prius, y uno coche más apreciado por cierto tipo de conductores: el Hummer H2.

Como se puede apreciar en la foto, además de cierta diferencia de tamaño (al parecer, importa), también está la diferencia de forma, más aerodinámica en el Prius, más ‘caja de zapatos’ en el caso del Hummer.

En esta comparativa también se ha añadido el ‘mítico’ EV1 de General Motors [6], que tenía un rozamiento aerodinámico aún mejor que el del Prius, en un concepto puramente eléctrico. De hecho, el motor térmico impone limitaciones aerodinámicas: hace falta un radiador.

Los consumos se calculan de la forma básica en física: E=F*d, donde F es la fuerza de rozamiento aerodinámica calculada a esa velocidad, y d es un kilómetro, o sea, 1000 metros. El cálculo de la fuerza de rozamiento se hace con los valores de CxA, obtenidos de la página de la wikipedia comentada, y a las velocidades estipuladas.

Como se puede ver, hay una diferencia de bulto, tanto en las cifras como en tamaño real del coche. Y eso, en un ‘entorno ideal’ que es el papel, y suponiendo que no hay turbulencia, que el rozamiento aerodinámico es constante, desestimando el coeficiente de Reinolds y otras sutilezas. Por eso, voy a comentar algunas de las situaciones que se han obviado, y que empeoran la situación para cualquier vehículo, sea eléctrico, térmico, o tirado por burros.

El caso es que en aerodinámica, la parte de atrás del cuerpo es tan importante como la parte de delante. Uno de los primeros en estudiar este tema en los coches mediante el túnel de viento, fue precisamente Ferdinand Porsche, y de ahí salió la esbelta figura de estos coches.

Si el final es totalmente plano, vertical, como es el caso del Hummer o de una furgoneta, puesto el caso, se crean turbulencias para llenar el ‘hueco’ que deja el vehículo a su paso, y esto, que sucede a partir de una velocidad, desvirtúa la fórmula del rozamiento aerodinámico que he utilizado para calcular los datos expuestos. La empeora: pasa a depender de la velocidad al cubo. Y encima, la velocidad a la que cambia de forma cuadrática a cúbica, baja, incluso por debajo de los 100Km/h.

Esta aseveración, no sólo vale para los coches con la parte trasera ‘plana’. También vale para cualquier añadido que pueda tener un coche, como por ejemplo los alerones de los nada aerodinámicos F1’s, o las defensas y barras antivuelco de los todoterrenos, o algo más prosaico: los retrovisores.

Resulta que mientras un F1 tiene un Cx muy elevado (entre 0.7 y 1.1, comparado con menos de 0.5 para coches de calle), fruto de tanto alerón y tanto apéndice aerodinámico, éstos, al ser aerodinámicos y apenas provocar turbulencias, ‘sólo’ entorpecen según la fórmula comentada cuadrática, hasta velocidades realmente elevadas, del orden de 200 o 300Km/h. Por supuesto, aunque esto reste velocidad, a los F1 les aporta otras cosas, motivo por el cual se esfuerzan tanto en este aspecto.

Los retrovisores, por funcionalidad, tienen la parte de atrás plana, que es el propio espejo. Además, al estar cerca del cuerpo del coche, y en posición adelantada, influye sobre el resto del coche. A pesar de ser pequeños, el ‘estropicio’ que causan es muy elevado. Por ese motivo, algunos de los coches más aerodinámicos no llevan: utilizan cámaras y pantallas en el interior del coche.

Por supuesto, todo esto es válido tanto para coches de combustibles fósiles como para eléctricos, si bien hay algunos matices que veremos más adelante, cuando se detallen los rendimientos. Por ejemplo, coches como el VW 1L [7] o el Aptera [8], ni tienen retrovisores, ni apéndices anti aerodinámicos, consiguiendo así consumos realmente bajos.

Dado que el coche eléctrico, en teoría, es muy eficiente, resulta que el rozamiento aerodinámico tiene bastante peso sobre su consumo, se nota mucho. De hecho, el EV1 tenía una media de consumo de 150Wh/Km (combinado, con velocidades bajas). Y sólo el rozamiento aerodinámico a 135Km/h ya representa 143Wh/Km. Este componente es, de lejos y con mucho, el mayor responsable del consumo y de las pérdidas del coche.

Pasando ya a otro tema importante, que es la energía potencial, la cual afecta también tanto a eléctricos como a cualquier otro elemento móvil, el siguiente ejemplo ilustra a la perfección algunos de los puntos que diferencian de manera más acusada a los vehículos eléctricos respecto de otro tipo de vehículos, si bien se suele abusar de este efecto.

En la parte norte de Mallorca, en la ‘Serra de Tramontana’, hay una carreterita muy divertida sin salida, que lleva a la desembocadura de un torrente conocido como el ‘Torrent de Pareis’. Visita idílica que ha salido en más de un anuncio de televisión, torrente fácil en sus inicios para los que se quieran iniciar en el barranquismo, con una playa de guijarros, nada de arena, en el final, bastante llena de turistas a pesar de no haber hoteles en Km a la redonda [9].

Por supuesto, si la carretera, también conocida como ‘sa Calobra’ lleva cerca de la desembocadura del torrente, este final donde uno debe dar la vuelta para casa yéndose por donde ha venido, está a unos pocos metros por encima del nivel del mar. Para acceder a esta carretera, hay que coger un desvío 20 Km antes, en la carretera que bordea la costa norte, junto a una base militar de la OTAN, que da servicio a una estación de radar bastante potente que está en la próxima cima del ‘Puig Major’, a 1440m de altura o así, ya que para hacer la instalación de ese radar, se recortó la montaña. La base y el desvío están algo más bajos, a unos 1400m de altura sobre el nivel del mar. A 20Km de la costa en zigzag lleno de curvas, con vistas espectaculares, y una caída prolongada hasta el mar a quien se salga de la carretera [10].

Una visita muy recomendable si uno no sufre de problemas cardíacos ni aversión al tráfico rodado en carreteras reviradas, ni mareos ni acrofobia o vértigo. A la vez, también es un buen ejemplo para ilustrar de un aspecto poco conocido de la idiosincrasia del vehículo eléctrico: la recarga de la batería.

Supongamos un Opel Ampera [11] aparcado en el parking del final de la carretera, en proceso de recarga mientras el usuario se refresca tomando un baño. 1732 Kg en vacío, alrededor de 1800 con depósito lleno, accesorios y demás, 1900 con dos pasajeros, vamos, muy pesado si lo comparamos con coches más normales (un similar VW Golf TDI – más pesado al ser diesel – está en los 1400Kg en vacío). 16.2KWh de batería de Litio, con autonomía teórica de 80Km. Curiosamente, el Renault Fluence, con capacidad de batería similar, tiene una autonomía teórica de 180Km.

Pues bien, sólo por el hecho de subir 1400m, la energía potencial necesaria es de m*g*h, donde m es la masa en Kg, g es la constante de gravedad universal de 9.81m/s², y h los 1400m de desnivel, aunque luego hay que convertirlo a KWh, dando un resultado de 7.25KWh, lo cual representa el 45% de la batería. Si añadimos velocidad (energía cinética), algo de pérdidas y demás, resulta que al llegar al cruce después de recorrer estos 20Km de carretera en subida, en realidad quedará menos de la mitad de la batería, alrededor del 30%, aunque depende mucho de la conducción.

Por supuesto, no nos explican esto, sin embargo, nos venden que luego, si por algún descuido se vuelve a bajar al punto de origen, la batería se recargará. Pero no será al 100%, probablemente se quede en menos del 70%, pero dependerá mucho de cómo se lleve el coche. Evidentemente, no conozco el caso de ningún coche que llene el depósito de gasolina o gasoil en semejante prueba, ni un solo gramo.

Sin embargo, el i-Miev de Mitsubishi (también conocido como Peugeot iOn, Citröen C-Zero [12]), con la misma capacidad de batería, al pesar sólo 1080Kg en vacío, unos 1200Kg lleno, sólo gasta para subir 4.5KWh, un ahorro del 38%. De todas maneras, mover un cacharro de 1080 Kg para transportar a una persona de 80 Kg no deja de ser un poco despilfarro.

En cualquier caso, con lo visto en este apartado, ya se pueden ver algunas claves sobre los vehículos en general, pero que se deben aplicar en especial a los eléctricos: tamaño, peso, aerodinámica, eficiencia, y potencia.

Referencias:

[1] http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica

[2] http://es.wikipedia.org/wiki/KERS

[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial

[4] http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_aerodin%C3%A1mica

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Automobile_drag_coefficient

[6] http://es.wikipedia.org/wiki/General_Motors_EV1

[7] http://es.wikipedia.org/wiki/Volkswagen_L1

[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Aptera_2_Series

[9] http://www.torrentdepareis.info/pareis%20esp.htm

[10] https://www.google.es/maps/dir/Torrente+de+Pareis/39.7948161,2.7903405/@39.8195614,2.7726734,13z/data=!4m9!4m8!1m5!1m1!1s0x1297dc49fb4610dd:0x83ec2f11d21655cd!2m2!1d2.8061515!2d39.8518907!1m0!3e0

[11] http://es.wikipedia.org/wiki/Chevrolet_Volt

[12] http://es.wikipedia.org/wiki/I-MiEV

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Si vamos a hablar de coches eléctricos y de electricidad, es importante repasar algunos conceptos básicos sobre esta materia. Al lector adormilado por la lectura del apartado anterior le irá bien el espabilarse: esto afecta a la factura de la luz. No es algo específico del coche eléctrico, si no que, al menos, la primera parte, es algo más genérico sobre la electricidad.

Algunos de los términos más populares de la electricidad son los siguientes:

Tensión eléctrica, o potencial eléctrico. Es la medida de potencial o capacidad para generar un trabajo que tiene la electricidad. Se mide en Voltios, en honor al italiano Alessandro Volta, el inventor de las pilas [1]. Uno es algo pequeño, uno y medio es lo que da una pila alcalina, 12V (en realidad alrededor de 13.5 – 14) es lo que da la batería de un coche normal, y 220V suele ser la tensión normal en una casa. A partir de 60 se considera peligrosa (según la normativa ISO 6469).

Si, hablamos de física y aparece de repente un documento legal. No hay rincón donde no se inmiscuyan los leguleyos, pero en este caso considero que hacen falta. Estamos hablando de seguridad y de riesgo de muerte, así que esto no es broma. Y por tanto, debe haber algún tipo de regulación.

Otro término común es la corriente, o la cantidad de electricidad que pasa por un punto por segundo. Se mide en Amperios, en honor a André-Marie Ampère [2].

Los valores de amperaje dependen mucho del uso. Un equipo electrónico puede consumir microamperios en reposo, y un edificio industrial puede consumir miles de amperios. Una estufa de casa suele consumir entre 5 y 10 A en una toma de corriente de 220V. Podemos tener una tensión en un enchufe sin que haya ningún aparato enchufado, pero no una corriente.

La potencia eléctrica, como otras, se mide en Watios, en honor a James Watt [3] y es la medida de energía por unidad de tiempo en el sistema internacional. En electricidad, se puede obtener la potencia consumida por un elemento eléctrico simplemente multiplicando la tensión de alimentación por la corriente que consume.

Por ejemplo, una estufa de 220V y 10 A está consumiendo 2200W (220 x 10). Eso no es una estufa muy pequeña. Una vitrocerámica consume entre 500 y 3500 W. Una bombilla de bajo consumo, menos de 20W. Un aire acondicionado entre 500 y 1500W. Un taladro eléctrico, del orden de 300 o 400W, valores parecidos a una nevera. Una tele, unos 50 – 100W.

Sin embargo, ya que vamos a hablar de coches, en automoción otra medida habitual es el Horse Power (Potencia de Caballo, pero en inglés). Pronunciado en un inglés con tono posh queda de lo más resultón como técnico, pero eso es todo. Bueno eso y que equivale a unos 746W, aunque hay variaciones según se use o que se escoja el equivalente hispánico del Caballo Vapor, que en realidad equivale a 736W, aproximadamente.

Dado que los coches tienen bastante potencia en CV o HP (ojo, no confundir con Hewlett Packard), lo habitual suele ser expresar la potencia eléctrica en KW (kilo, mil Watios) para este tipo de vehículos. Para barcos se usan múltiplos mayores, los MegaWatios, que equivalen a 1 millón de W. Para generadores y plantas eléctricas, estamos hablando de decenas a centenares de MW. Para la potencia instalada total en un país, ya estamos en el orden de GigaWatios (1000 MW), y a nivel mundial, TeraWatios (1000GW).

Habitualmente, un hogar en España tiene contratada una potencia del orden de 4 a 10KW. Un coche tiene potencias del orden de 40KW a 150KW, con los súper deportivos claramente por encima de estos valores. Como se puede ver, un coche demanda bastante más que una casa, y eso, en su momento, será importante.

En la factura de la luz, hay un término fijo bajo el concepto de ‘potencia contratada’, que es la potencia máxima que podemos demandar al proveedor, y en teoría, hay un elemento protector (magnetotérmico) que ‘salta’ si se sobrepasa el límite más una cierta tolerancia. Este es el término que más o menos se suele mantener fijo, y que no depende del consumo, y uno de los pocos sobre los que podemos actuar fácilmente para reducir la factura.

Y queda un término importante por explicar. La energía. Es decir, la potencia gastada durante un tiempo. Por eso, aunque la medida habitual es Julio, y también suene la Caloría, lo que nosotros pagamos a las compañías eléctricas bajo el epígrafe ‘Consumo’ son KWh o KiloWatios – hora.

Si tenemos una estufa de 1KW de potencia (valor más o menos habitual) encendida durante una hora, habremos consumido un KiloWatio-hora. Simple, ¿no?

1KWh equivale a 3.6 millones de julios o 3.6MJ o alrededor de 860KCalorías. Es la unidad básica de facturación de energía eléctrica en todo el mundo. Sin embargo, no todos los KWh son iguales.

Por las maravillas de esa ciencia esotérica, lo KWh se pueden discriminar, separar, en KWh diurnos y KWh nocturnos, para facturar a diferente precio. Eso es importante a la hora de reducir la factura de la luz, y por tanto, a la hora de calcular consumos, bien sea de poner una lavadora, bien sea de poner a cargar el coche eléctrico.

Más adelante, cuando hablemos de baterías, un elemento de medida importante será la energía que éstas pueden almacenar. Evidentemente, lo mediremos en KWh. Sin embargo, las baterías suelen dar su capacidad en Amperios – hora. La conversión se realiza multiplicando la tensión nominal en Voltios, por la capacidad nominal en Amperios – hora.

Pero ¿Qué es un Amperio-hora? Pues nominalmente lo llamaremos a la capacidad de suministrar en descarga un amperio de forma continua durante una hora seguida. Se usa esta medida debido a que la tensión varía según el estado de carga, y lo veremos en más profundidad en epígrafe correspondiente.

Una última fórmula importante, aunque sólo se usará en este apartado, es la de las pérdidas en un conductor metálico, resistivo. También conocidas como pérdidas por efecto Joule, se expresan en Watios = I²*R, donde I es la corriente en amperios que circula por el conductor, y R su resistencia eléctrica, en Ohmios (en honor a Georg Simon Ohm [4]).

La resistencia eléctrica depende de la longitud (expresada habitualmente en metros) del cable: más largo, más resistencia, y de la sección (habitualmente expresada en mm²) de la misma, más sección, menos resistencia.

Esta aparente inocua expresión matemática tiene sin embargo serias implicaciones. Básicamente fuerza a que se usen tensiones lo más elevadas posibles para reducir la corriente al transmitir una potencia sobre unos conductores. También fuerza a usar cables lo más gordos posibles.

Y esto es válido para cualquier caso, tanto sea la MAT como el coche eléctrico como el enchufe de casa. La MAT, pensada para llevar mucha potencia, del orden de cientos de MW, y una gran longitud, cientos de Km, trabaja a 400KV. No en vano, la REE cita una media de pérdidas por transmisión y transformación (los enormes transformadores básicamente tiene pérdidas por este tipo de pérdidas) del 9%, aunque en los picos de demanda, en ciertos lugares, las pérdidas pueden suponer hasta el 40%.

Los coches trabajan a unos 300 – 400V para unas decenas de KW. Aún así, los cables del motor son gruesos con ganas. Si para las estufas de casa, a 10 A se ponen cables de 4 mm² de sección, los cables de los motores de coche, para 400 A se ponen entre 50 y 100 mm² lo cual es enorme: una barra de un centímetro de lado de cobre. Estamos hablando de cables del grosor de un dedo. Y no sólo el cable que va al motor, sino también el bobinado que hay dentro del motor también tiene que estar dimensionado de la misma manera.

Como muestra un botón: un motoalternador de un coche con Start-Stop, que suelen estar dimensionados a unos 10KW, para ‘chupar’ de la batería de plomo del coche, a 12V, demanda del orden de 1000 A. Lleva tres cables (son motores trifásicos), si estos cables son de 1M de largo cada uno, fácilmente pueden perder 1KW en el conjunto de los tres cables. Es decir, tiene unas pérdidas del 10%, con una resistencia mínima de 1 miliOhmio (realmente muy muy baja).

Si dicho motor funcionase a 120V, la corriente necesaria sería de menos de 100 A, y con los mismos cables de 1 mOhm, las pérdidas serían de 10W.

Dicho de otra manera: hay gran cantidad de pérdidas que la gente generalmente no ve, u obvian los optimistas, pero que luego ‘pesan’ y hace que los números reales no cuadren. Este es un ejemplo.

Otra observación: estos cables gruesos, pesan. Son habitualmente de cobre, que no es barato. Se puede usar aluminio, pero la resistencia eléctrica es peor (por sección, pero no por peso), con lo que haría falta que fuesen mucho más gruesos si fuesen de este último material. Y tanto el cobre como el aluminio, son caros. Además, se usan muy profusamente en el coche eléctrico, básicamente, por estas causas. Y donde más se utilizan, es en las baterías.

Volviendo al tema legal, hay un asunto importante, aunque generalmente desconocido, que es el del aislamiento eléctrico. Resulta que el aire es un mal aislante eléctrico, que ahora mismo comentaremos, pero es que resulta que además, muchas veces se deposita suciedad en los circuitos eléctricos, que también pueden enviar al traste los aislamientos si no se tiene en cuenta.

Estos detalles han propiciado, acertadamente en mi opinión, la proliferación de ‘normativas de seguridad’. Por ejemplo la EN-61010, que es una que tengo por mano, pero que además es relativamente sencillita. Por supuesto, hay más, especialmente en el sector de la automoción.

Y no son tan directas como parece. Más que nada, porque el aire no sólo es mal conductor, si no que no se comporta igual en la costa mediterránea que en México capital o en Saint Moritz, puestos por caso. Resulta que el aire, y en general los gases, cuanta menos presión, más fácilmente conducen, hasta que dicha presión es tan baja que ya no hay aire para conducir.

Uno de los ‘efectos colaterales’ de este comportamiento, es la llamada cromatografía de gases. Otro, que muchos coches tienen que poder funcionar aunque estén en cotas muy altas (a más altura, menor presión atmosférica), pues que se sepa, hay coches en México y Saint Moritz. Y eso impone separar más los conductores, cosa que en electrónica significa directamente aumento (significativo) del tamaño, y eso es negativo, o añadir capas de aislantes mejores que el aire, y eso además, es sucio y caro.

Todo esto tiene que ver con que puede saltar la chispa, arco eléctrico o descarga eléctrica a través del aire. Y con tensiones de más de 60V, corrientes de más de 100 A, y personas, no se juega.

El coche eléctrico es muy peligroso, más aún cuanto más profundicemos en él, aunque de momento, saber que tensiones de trabajo del orden de 300V son habituales, y que además, se pueden calentar componentes como los cables. Así que uno no sólo puede electrocutarse, sino que también puede quemarse.

Que no cunda el pánico (aún). Pasa exactamente lo mismo en casa. Uno puede electrocutarse con el enchufe, y quemarse con la cocina o una estufa. Y sin embargo, no es algo habitual.

Pero para los bomberos que acuden a un accidente de tráfico, o para los mecánicos del coche, sí representa un añadido importante.

Referencias:

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Andr%C3%A9-Marie_Amp%C3%A8re

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/James_Watt

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Georg_Simon_Ohm

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