• No se han encontrado resultados

7. Sistemes d’emmagatzematge d’energia

7.5. Nous desenvolupaments i alternatives en la recerca de bateries

7.5.3. Cel·les d’hidrogen

Pel que fa a les cel·les de combustible, una de les que més ressò ha tingut per a aplicacions en vehicles ha estat la cel·la de hidrogen, que utilitza hidrogen com a combustible i oxigen de l’atmosfera per crear elec-tricitat (vegeu també l’apartat 2.2.2). S’han invertit grans esforços per aconseguir un VE que pugui ser propulsat amb hidrogen, com la iniciativa del Con-grés dels EUA amb una inversió en més de 10.000 milions de dòlars per investigar el motor d’hidrogen els passats cinc anys, o els 480 milions d’euros del Par-lament Europeu, malgrat que finalment els plans per a la fabricació del vehicle de hidrogen no han reeixit.

Produir hidrogen presenta un balanç energètic nega-tiu i costa més car que no el que després s’aporta en forma d’energia per al moviment del VE. Tant Gene-ral Motors, que va iniciar l’era de l’hidrogen el 1998, i que va renunciar-hi més endavant, com també To-yota, han desviat l’atenció del vehicle d’hidrogen cap el VE, proporcionant tant sols alguns pocs models prototipus.

La pila de combustible, l’element que fa reaccio-nar l’hidrogen amb l’oxigen per produir electricitat i aigua, ja està desenvolupada de fa anys, però la seva implantació al VE no acaba de funcionar, ni pel vo-lum, ni pels riscos, ni pel preu. Un dels grans incon-venients a esmentar rau en el seu emmagatzematge, ja que l’hidrogen és un gas amb una densitat energètica molt baixa, que ha de ser comprimit per poder aportar prou energia al vehicle, i cal augmentar-ne moltíssim la pressió, amb els riscos que això comporta.

A la figura 72 pot comparar-se l’eficiència dels siste-mes basats en cel·les de combustible i hidrogen, amb els VE purs basats en bateries. Essent generosos amb els VCI, i suposant una energia de valor 100 per al petroli, el màxim d’energia que arribarà a les rodes44 serà de l’ordre de 25. En el cas de la pila d’hidrogen, aquesta presenta bons rendiments a potència nominal, disminuint en el cas de càrregues parcials, com seria el cas dels vehicles, a banda que l’hidrogen cal produir-lo emprant gas natural, electricitat o biocombustibles, amb les pèrdues d’energia conseqüents. Així doncs, des de l’hidrogen fins a la roda, el que se’n diu Well to Wheel, per a una energia de 100 a l’entrada del sistema (abans de produir l’hidrogen), obtenim a la roda una energia de menys de 30, propera a la dels VCI. En canvi, segons aquest estudi, en el cas dels vehicles elèc-trics, partint d’una mateixa energia de 100 en origen, les rodes n’aconseguirien 76, el doble que de les piles d’hidrogen.

41 Pel que fa a la part mecànica, l’eficiència del motor elèctric és 4 vegades superior a la del motor de combustió interna.

Sistemes d’emmagatzematge d’energia per als vehicles elèctrics

7.5.4. Bateries alumini-aire

Aquestes bateries, que pertanyen a la família de bate-ries metall-aire, representen un pas endavant en la tec-nologia de zinc-aire. Emmagatzemen 3,5 vegades més energia potencial que les de ió liti, amb una densitat energètica que arriba als 1.300 Wh/kg i s’espera poder assolir els 2.000 Wh/kg, emmagatzemant 21 vegades més energia. Els principals inconvenients d’aquestes bateries són allargar la seva vida i poder recarregar-les, ja que un cop s’ha consumit l’ànode d’alumini per la seva reacció amb l’oxigen atmosfèric, el càtode que està immers en un electròlit basat en aigua per formar òxid d’alumini hidratat, ja no produirà més energia.

A la vegada, cal solucionar problemes de corrosió i d’estabilitat.

Oxidació de l’ànode (1/2 reacció) AL + 2OH- → Al(OH)3 + 3e- + 2.31 V

Reducció del càtode (1/2 reacció) O2 + 2H2O + 4 e- → 4 OH- +0.4 V

Reacció total

4Al + 3 O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 + 2.71 V

Les bateries consten d’un metall a l’ànode i d’un elec-tròlit (dissolució de potassa), i al càtode, en comptes

de tenir un compost químic oxidant, tenen una mem-brana en contacte amb l’aire que permet la difusió i la reacció amb l’oxigen. Això propicia la formació d’un hidròxid de metall i del corrent elèctric mentre encara hi hagi metall a l’ànode. Al ser una bateria que no ne-cessita compost químic oxidant en el cos de la bateria, se’n redueixen el volum i el pes, amb la qual cosa aug-menta la densitat energètica.

7.5.5. Bateries zinc-aire

En un principi es tractava d’una bateria primària, que no es podia recarregar com la d’alumini-aire: se Figura 72. Diagrama de blocs de l’eficiència energètica des de la

generació amb fonts renovables fins a les rodes de vehicles elèc-trics i de vehicles amb hidrogen.

Figura 73. Bateria zinc-aire on s’observa com les partícules de zinc cauen a la cel·la.

Línies elèctriques Eficàcia del 92%

Carregador de bateries Eficàcia del 92%

Bateries d’ió liti Eficàcia del 94%

Eix motriu elèctric Eficàcia del 89%

Eix motriu elèctric Eficàcia del 89%

Electròlisi Eficàcia del 72%

Emmagatzament d’H2

Sistema de cel.les de combustible Eficàcia del 54%

Conducte d’H2 Eficàcia del 86%

n’havia de treure el zinc i carregar-lo fora de la bateria.

De totes maneres ja hi ha empreses, com ara ReVolt que ha desenvolupat la primera bateria de zinc-aire recarregable. Es presenta com una alternativa a les cel·les de ió liti amb la versió de cel·la de combusti-ble zinc-aire, que presenta un pes reduït i permet una

recàrrega ràpida. Tenen una densitat energètica de 370 Wh/kg, i alguns experts creuen que el zinc po-dria ser el combustible elèctric del futur per la seva facilitat de càrrega i el seu alt potencial energètic. A més, teòricament poden ser reciclades indefinidament, sense perdre les seves qualitats químiques ni físiques.

8..Aspectes.ambientals.en.relació..

amb.el.vehicle.elèctric

constitueix un dels focus principals de conflictivitat social i d’afectació per a la salut de les persones atès que provoca estrès, trastorn del son, fatiga, etc. Els VE aconseguiran reduir la major part de sorolls inherents al motor, canvi i transmissió, i fins i tot els de rodo-lament, pel fet que el seu esmorteïment és funció de la velocitat. Això ha portat a una exagerada percepció d’un possible increment del perill d’atropellament, precisament pel fet que la seva proliferació ha de re-presentar una reducció del soroll als carrers.

Tot i que caldrà efectuar-ne la quantificació, tot indica que la proliferació del VE permetrà pacificar i tranquil·litzar el soroll de les ciutats de manera impor-tant, en la mesura que se substituirà el focus principal generador de soroll ambiental i de fons que representa el trànsit, rebaixant sobretot els llindars més elevats (>70dB A)45. La figura 74 mostra una part del mapa sònic de Barcelona, i s’observa que en molts dels carrers els nivells de soroll superen els 70 dBA.

En moltes ciutats europees s’han començat a prendre mesures, o s’estan plantejant adoptar-les, per obstacu-litzar l’accés al centre de les ciutats dels VCI i alhora es facilita la mobilitat en transport públic, i s’adopten els VE com una mesura compatible amb la millora de la qualitat ambiental.

La progressiva introducció dels vehicles elèctrics, prin-cipalment als nuclis urbans, i també a les àrees periur-banes, implicarà prendre en consideració tot un ampli ventall d’aspectes de caràcter ambiental. Tant per les seves característiques tecnològiques (de major eficièn-cia) com pel fet que utilitza electricitat procedent de diverses fonts, incloses les renovables, aportarà un conjunt de beneficis de caràcter ambiental i de salut pública que caldrà avaluar, a la vegada que pot im-plicar alguns impactes negatius que ja s’està estudiant com minimitzar.

8.1. Contaminació acústica

Un dels factors on el vehicle elèctric aporta millores respecte els vehicles convencionals és en relació amb el soroll. Aquest és un element d’importància sobre-tot als nuclis històrics de les ciutats, un dels indrets privilegiats on es preveu que es produeixi una ràpida implantació dels VE. Cal, doncs, contemplar de ma-nera adient la importància que la difusió del VE ha de representar en la reducció dels nivells sònics avui dia excessius en moltes zones, que de manera crònica pateixen les ciutats de l’àrea mediterrània en particular i les grans urbs en general. La contaminació sonora

Figura 74. Ordre de magnitud de fonts de soroll en dB i mapa sònic de Barcelona.

45 hom considera que el confort es troba entre els 65 dBA de dia i els 55 dBA de nit. Les diferències són significatives ja que els dB es mesuren en una escala de tipus logarítmic i no pas linial.

8.2. Generació de residus especials

Un segon aspecte poc contemplat pel que fa als avan-tatges dels VE és tot allò que fa referència als diversos residus especials generats pels vehicles de combustió al llarg de la seva vida útil, com serien els líquids refrige-rants, els olis minerals i d’altres lubrificants46, que han de ser substituïts periòdicament i que, pel seu alt potencial contaminant han de ser tractats en plantes especials, cosa que provoca unes despeses de gestió i tractament considerables. Amb els nous VE han de desaparèixer una gran part d’olis, greixos i altres fluids. Els nous tallers de reparacions de VE han de semblar-se més a laboratoris d’electrònica, amb bates blanques i equips de mesura, que als tallers amb granotes blaves ennegrides i amb taques d’oli i de combustibles derivats del petroli, que coneixem actualment. L’apartat 8.5 fa referència a l’impacte ambiental de les bateries.

D’altra banda, l’ocupació d’espai i els pneumàtics continuaran representant problemes, equivalents als que produeixen actualment amb els vehicles con-vencionals. Malgrat això, la millora substancial en la reducció de pes (menys pes equival a menys con-sum d’energia i menys contaminació), per estrictes necessitats mecàniques i d’autonomia, a la vegada que la millora en eficiència energètica, provocaran de manera sinergètica aconseguir noves millores ambientals i de conducció.

8.3. Emissions de gasos contaminants

El vehicle elèctric presenta diferències significati-ves respecte al vehicle de combustió interna quant a les emissions de gasos contaminants (vegeu l’apartat 2.2.1 que conté les dades d’emissions dels vehicles de combustió interna). El vehicle elèctric no emet gasos en el seu funcionament, malgrat que cal considerar les emissions produïdes en la generació de l’electricitat que consumeix. En una primera estimació dels ga-sos contaminants considerant el cicle “del dipòsit a la roda” (TTW, en anglès) tindríem que per cada miler de vehicles elèctrics que introduíssim en una ciutat, aconseguiríem reduccions dins l’aire que respiren els ciutadans de l’ordre de més de 30.000 kg anuals de gasos contaminants (CO, NOx, hC).

Darrerament alguns centres punters mundials (MIT, NREL, European Topic Centre for Air and Climate Change–ETC/ACC) estan investigant les conseqüèn-cies energètiques i/o ambientals de la difusió dels ve-hicles i el seu potencial de bescanviar energia amb les xarxes de distribució, el que es coneix com a V2G (per l’anglès, vehicle to grid, del vehicle a la xarxa). Així, un recent estudi del prestigiós laboratori NREL (Na-tional Renewable Energy Laboratory) del Departament d’Energia dels Estats Units (Sioshansi, R.; Denholm, P., 2009), conclou que amb la difusió dels vehicles híbrids endollables que puguin abocar energia a la xarxa (PhVE i V2G,) s’aconseguirà una important re-ducció de contaminants convencionals, molt especial-ment dels NOX a les pròpies centrals elèctriques pel fet de la seva interconnexió i bescanvi d’energia a la xarxa.

A més, segons aquest estudi la reducció es produiria en els mesos de l’any (l’estiu) en els quals l’ozó troposfèric és converteix en més problemàtic.

8.4. Anàlisi del pou a la roda:

eficiència energètica del VE i emissions de CO

2

Sovint s’afirma que la mera substitució dels VCI pels VE no aconsegueix millores ni reducció d’impactes ambientals significatius, si es té en compte tot el ci-cle de vida d’ambdós vehici-cles. S’argumenta que si hom considera les emissions de gasos contaminants i de CO2 en la generació d’electricitat, així com les pèrdues energètiques en la generació i transport i en la conversió en el propi vehicle, la mera substitució de combustibles fòssils per electricitat no representa cap avantatge. Tècnicament, la manera de contrastar l’exactitud d’aquestes afirmacions és procedint mit-jançant una Anàlisi de Cicle de Vida (ACV). L’ACV constitueix una eina d’anàlisi i gestió ambiental que analitza els impactes d’un producte des del “bressol a la tomba” (és a dir, des que es produeix fins que es diposita com a residu). Ara bé, per poder aplicar aquesta metodologia cal disposar de bons inventaris, d’una correcta selecció d’impactes, i dels factors de ca-racterització i normalització adients47, etc. Davant de la complexitat i les incerteses que representa la intro-ducció del VE, caldrà dedicar l’atenció necessària per disposar d’estudis complets de cicle de vida, de mane-ra que els seus resultats permetin informar i esvair els interrogants o suposicions que podrien produir-se a l’entorn dels VE.

46 Només d’oli per al carter en necessitem més d’un centenar de litres al llarg de la vida mitjana d’un vehicle.

47 Es tracta de factors que contemplen el divers “pes” dels contaminants i factors de conversió que possibilitin efectuar comparacions de diferents impactes.

Aspectes ambientals en relació amb el vehicle elèctric

Ateses les dificultats i complexitat dels estudis de cicle de vida, als EUA s’han desenvolupat molts estudis ti-pus “del pou a les rodes” (Well-to Wheels, en anglès, en sigles, WTW o W2W) que a nivell genèric permet un apropament més simplificat. Atès que l’eficiència final d’un sistema compost per diverses etapes i equipaments es correspon al producte dels rendiments de cadascun d’ells, pot efectuar-se una aproximació comparativa en-tre els motors de combustió i els nous vehicles elèctrics.

En primer lloc, si fem una anàlisi de tanc-roda (TTW en anglès) comparem els rendiments del dipòsit de combustible a les rodes en els vehicles de combustió interna i des de les bateries a les rodes, en els VE. El motor elèctric i les bateries poden assolir una eficièn-cia propera al 80 %, demostrant un primer diferen-cial de les eficiències energètiques dels VE respecte els VCI (que és de l’ordre d’un 20 %). L’aproximació de tanc-roda és útil pel que fa referència a l’emissió local i regional de contaminants en el marc d’una ciutat o àrea concreta, tant pel que fa als estàndards de qualitat de l’aire que marquen les directives europees, com per les incidències directes sobre la salut en aquells entorns on hi ha un major nombre de persones exposades.

Ara bé, aquesta seria una estimació parcial i globalment podria induir-nos a error, de manera que es fa necessària

una anàlisi de conjunt, seguint el concepte més global

“del pou a les rodes”, és a dir, analitzant des de la font pri-mària d’energia (el pou de petroli, o de la font energètica que s’utilitzi per generar l’electricitat) fins a l’energia útil que es pot aprofitar en el vehicle. Aquesta anàlisi ens apro-paria a una visió més completa i més propera a l’ACV.

La producció d’electricitat requereix una font d’energia primària (que pot procedir d’un recurs convencional o de fonts renovables), generada amb uns determinats equi-paments tecnològics, que poden ser molt variables amb rendiments molt diferents. Així, segons el mètode emprat de generació de l’electricitat poden aconseguir-se eficièn-cies del 30 al 40 % per les centrals tèrmiques o nuclears convencionals, i a l’entorn del 50 % en centrals de cicles combinats de gas natural, i fins podrien considerar-se eficiències superiors i impactes molt reduïts en el cas de generar l’electricitat partint de fonts renovables.

D’entre els diversos estudis que presenten anàlisis WTW, s’ha seleccionat el dibuix de nesea.org extret d’una comunicació del MIT Electric Vehicle Team (Berry, et al, 2009) per la seva claredat expositiva. Així la figura 75 compara els rendiments d’un vehicle elèc-tric i un de gasolina seguint l’aproximació del pou a les rodes48. Pel que fa al vehicle elèctric, escollim la font energètica que més el penalitzaria, al suposar que es fa servir petroli per generar electricitat49. Com a resultat

48 http://web.mit.edu/evt/EVT2009_IAPClass_Day1.pdf.

49 Tot i sabent que actualment aquest recurs estratègic de la indústria petroquímica es destina a altres finalitats (carburants i matèries primeres). Als EUA es feia servir un 17 % de fuel per generar electricitat l’any 1973, mentre que el 2005 aquell recurs tan sols representava el 3 %. A Catalunya, la generació d’electricitat procedent del recurs fuel-gas el 2006 era d’un 2,3 %.

Figura 75. Comparació dels rendiments “del pou a les rodes” d’un vehicle elèctric i un de gasolina.

Font: Tret de Berry et al, 2009.

Del pou al dipòsit Del dipòsit a les rodes Eficiència 30 %

Eficiència 24 % Eficiència 16%

Eficiència 83 % Eficiència 20 %

Eficiència 80 %

Transmissió Generació d’electricitat

Pou

Carregador de

bateries Bateria del Vehicle Elèctric

Vehicle de benzina Refineria Transport Sortidor de benzina

(per litre)

tindríem per una banda uns baixos rendiments de ge-neració i transmissió de l’energia elèctrica fins arribar al dispositiu de càrrega de les bateries (el que es coneix

“del pou al dipòsit” o millor dit a l’endoll), amb una eficiència global de l’ordre del 30 %. Si considerem per altra part una eficiència del 80 % la del conjunt bateria-vehicle, el nivell total d’eficiència aconseguit des del pou fins a les rodes amb els VE seria a l’entorn d’un 24 %. Per la seva banda, en el cas del vehicle de com-bustió interna, si considerem una eficiència del refinat-ge i transport de gasolina fins al sortidor de l’estació de servei d’un 83 %, i acceptant un rendiment dels vehi-cles de combustió interna del 20 % s’obté una eficièn-cia global del pou a les rodes del 16 %. Així, doncs, fins i tot en el pitjor dels casos existeix una notable millora de l’eficiència dels VE respecte dels convencionals50, en un ordre situat entre el 8 i 9 %.

Aquesta diferència aniria augmentant a mesura que s’adoptessin rendiments més propers a la realitat de la generació elèctrica actual (la generació amb cicles combinats té una eficiència propera al 60 %) el que ens donaria un valor diferencial molt alt a favor del VE. Partint d’aquesta realitat i sabent que l’emissió equivalent de CO2 de la cistella espanyola de generació elèctrica el 2009 se situa a l’entorn dels 386 gr CO2/ kWh és fàcil calcular que un VE podria estalviar al llarg de la seva vida entre 10 i 40 t de CO2 en funció del recurs energètic i de les tecnologies emprades en la generació de l’electricitat. Una primera conclusió arran d’aquests resultats és que els VE podran tenir un paper essencial en la reconversió del sector del transport, un dels que major afectació té en la deses-tabilització de les concentracions de gasos amb efecte d’hivernacle a l’atmosfera.

D’altra banda, tant el Departament d’Energia dels Estats Units d’Amèrica com diverses ONG (WWF) també han realitzat diversos estudis comparatius entre VCI i VE de fa uns anys, i han arribat a la conclusió que aquests darrers eren entre 3 i 4,4 vegades més efi-cients que els convencionals51. Per una altra banda el California Air Resources Board va realitzar l’any 2005 una completa ACV amb vehicles híbrids analitzant di-versos aspectes ambientals i va concloure que, a banda d’una important reducció de partícules, s’aconseguia una reducció de dues terceres parts dels gasos amb efecte d’hivernacle (EPRI, 2007). De llavors ençà les perspectives han anat millorant.

Partint de dades reals de consum dels VE existents, s’accepta un consum d’energia que pot situar-se

en-tre els 100 i els 200 Wh/km; creuant aquestes dades amb les emissions dels VCI i les que procedirien dels sistemes de generació elèctrica, pot calcular-se i quan-tificar la reducció de diverses càrregues ambientals que aconseguiríem amb la introducció de VE en el parc de vehicles actualment existent.

Enfocant la qüestió des d’un altre aspecte, hem d’assenyalar la simplicitat tecnològica que represen-ta el control i mesura d’un nombre reduït de grans focus puntuals de les centrals de generació si es com-para amb les dificultats de control dels milions de

Enfocant la qüestió des d’un altre aspecte, hem d’assenyalar la simplicitat tecnològica que represen-ta el control i mesura d’un nombre reduït de grans focus puntuals de les centrals de generació si es com-para amb les dificultats de control dels milions de