Font: Linares, J. I., 2007.
Figura 10. horitzó temporal de les diferents tecnologies d’obtenció d’hidrogen.
Font: Linares, J. I., 2007.
23 S’ha rebaixat l’assignació per ajudes de 169 a 68 M$per any.
3..Els.vehicles.elèctrics
cional. La dificultat de disposar de bateries amb capa-citat suficient i la decidida aposta dels fabricants de cotxes per dissenyar i construir motors convencionals més eficients, frenà l’entusiasme inicial pels VE fins aturar-los.
El progressiu encariment dels preus del petro-li i l’augment de la sensibipetro-litat ambiental, amb els compromisos de Kyoto, fa que es torni a plantejar Figura 11. El Morrison, un vehicle elèctric de 1891.
Font: Richardson, J. 9 electric cars 100 years old or more. 2009.
Figura 12. Edison mostrant un dels primers vehicles elèctrics l’any 1913.
Font: Wikipedia, 2009.
3.1. Els orígens:
una mica d’història
Malgrat que en els darrers temps s’ha produït un im-portant esclat mediàtic a l’entorn dels vehicles elèctrics (VE), en general continua havent-hi un gran desco-neixement sobre aquest tipus de vehicles i les seves possibilitats reals. Per exemple, es desconeix que amb més de cent deu anys d’antiguitat a la seva esquena, aquests vehicles van precedir els vehicles de combus-tió interna (VCI). Efectivament, a finals del segle xix es produïen vehicles elèctrics a diversos països. L’any 1891 W. Morrison va fabricar un dels primer vehicles elèctrics dels Estats Units d’Amèrica, amb un motor de 4 CV que podia transportar 10 persones a una velo-citat de 32 km/h i gaudia d’una autonomia de 80 km.
Les millores indubtables aconseguides pels fabricants de vehicles de combustió (bàsicament de cicle Otto o de gasolina), i la limitació d’autonomia imposada per les bateries, van relegar el vehicle elèctric de ba-teries a usos molt específics (vehicles industrials per a manutenció, carretons motoritzats per a perso-nes amb discapacitat de moviments, etc.), de baixes velocitats i abast molt limitat. L’eclosió de l’automòbil de combustió arribà amb el model T de la casa Ford l’any 1908 i la implantació de la producció en sèrie.
D’aquest model, tot i que consumia uns 20 litres cada cent quilòmetres, se n’arribaren a produir més de 15 milions d’unitats que es vengueren a un preu relativa-ment assequible.
Els vehicles híbrids també tenen una llarga història, començant per Ferdinand Porsche, empleat de la fir-ma Lohner, qui a finals del segle xix, va desenvolupar un vehicle amb un motor de combustió que feia girar una dinamo que carregava una bateria d’acumuladors, la qual proporcionava l’energia necessària als motors elèctrics ubicats al botó de les rodes.
En la dècada dels seixanta del segle xx es realitzaren diversos intents no reeixits de construir un VE, com per exemple el Sunrycer, però tant els vehicles elèc-trics de bateries com els híbrids van passar un llarg període pràcticament oblidats fins a la dècada dels 70 quan, amb la primera crisi del petroli, reneix l’interès pels vehicles de motorització alternativa a la
conven-l’alternativa dels vehicles elèctrics. L’aprovació d’una llei a Califòrnia l’any 1990, la CARB (California Air Resources Board) que obligava els fabricants a disposar de models amb zero emissions feu possible el naixe-ment de l’EV1 fabricat per GM que era ràpid, eficient, net i amb una autonomia de 130 km. Tanmateix, altres fabricants produïren altres VE com el Toyota RAV4-EV, el Ford Th!nk, el Nissan entre molts altres. I si bé aquest vehicles no eren assequibles a tothom, genera-ren molta admiració, representant una aposta “neta”
pel futur, que coexistí amb un gran escepticisme sobre les seves possibilitats. Quan a resultes de la pressió del món del petroli es flexibilitzà aquella llei, General Mo-tors aturà la seva producció, i quan semblava que po-dia consolidar-se el VE, George W. Bush sorprengué tothom anunciant una inversió de 1.200 milions de dòlars en investigació en el cotxe d’hidrogen explicant que aquest era el vehicle del futur.
A l’abril de 2003 el govern californià retira la llei d’emissió zero, i els cotxes elèctrics, que eren tots de lloguer, foren recuperats i destruïts. Cap contracte fou renovat malgrat la resistència oposada, fins i tot com la de Sagramento, Sta. Mònica (2003), però tot fou en va. El 2004 ja no quedava ni un sol EV124.
A mitjans de la dècada dels 90 del segle passat també apareixen diferents models comercials de vehicles elèc-trics, bàsicament per a transport de persones i distri-bució urbana de mercaderies en ciutats o zones d’accés restringit als vehicles convencionals. El 1997 sortí al mercat el Toyota Prius, primer turisme híbrid modern.
La impossibilitat d’emmagatzemar l’energia elèctrica en quantitats importants i els costos tan alts de fabri-cació, al tractar-se fins ara de prototipus amb produc-cions reduïdes, han constituït l’escull principal que durant anys ha impedit que el vehicle elèctric arribi a la seva eclosió i que assoleixi la seva “majoria d’edat”.
Cal reconèixer que en el cas dels motors d’explosió, tot i les seves dificultats inherents, atès que el seu sis-tema sembla caminar cap una autodestrucció pel fet de realitzar un centenar d’explosions cada segon i tre-ballar a un alt nombre de revolucions, els enginyers van aconseguir trobar una solució elegant i robusta a tots els reptes que es presentaren. Tot amb tot, és patent que al comparar-los amb els VE presenten una enorme complexitat, ja que han d’emprar múltiples transmissions, engranatges, fluids de lubrificació i re-frigeració, i tenen centenars de punts mòbils que són gairebé inexistents en els nous models de VE.
Per una altra banda, i des del punt de vista de l’eficiència energètica, en els vehicles de combustió interna, tan sols arriba a les rodes per a la tracció entre un 20 i un 25 % de l’energia continguda en el combustible, men-tre que arriba a les rodes dels VE un 75 % de l’energia continguda a les seves bateries. Aquella ineficiència representa que la resta de l’energia la malmetem en calor residual i contaminació de diversos productes tòxics i gasos amb efecte d’hivernacle emesos al nostre entorn. Ara bé, malgrat aquestes evidències, és pal-pable que existeix un alt nivell de satisfacció envers aquesta tecnologia que a la vegada ha assolit un alt nivell de perfeccionament.
Per tant, i malgrat que ens trobem davant una im-portant “revolució tecnològica”, tots els analistes ens indiquen que es produirà una coexistència de VCI i dels nous VE durant molts anys. Ara bé, no creiem exagerada l’afirmació que ens trobem davant una “re-volució tecnològica”, atès que amb la progressiva in-troducció de VE en els nostres sistemes de transport i mobilitat aconseguirem diversos objectius llargament perseguits: una creixent reducció de la dependència energètica envers el petroli, un augment notable de l’eficiència energètica, una reducció important de la contaminació general i a les ciutats en particular, un aplanament de la corba de càrrega elèctrica, una opti-mització general del sistema energètic i l’acompliment d’un somni dels enginyers elèctrics: l’emmagatzematge de l’electricitat en quantitats relativament importants que porten a parlar dels sistemes de connexióa la xarxa (V2G) i d’altres sistemes intel·ligents de generació i transport d’energia que es tractaran posteriorment.
En essència, un VE està constituït per un sistema infi-nitament més senzill que els tradicionals VCI, integrat principalment per una estructura portant, una bateria i un sistema de recàrrega, un sistema de control més o menys sofisticat, i un o diversos motors elèctrics. Les figures adjuntes, procedents del llibre Build your own Figura 13. El cotxe EV1 de General Motors de la dècada dels 90.
24 Tot aquest afer va conduir el realitzador de cine Chris Paine a gravar a finals de l’any 2006 un famós documental conegut com Qui va matar el vehicle elèctric (Who killed the Electric Car), fàcilment accessible a You Tube.
Els vehicles elèctrics
Electric Vehicle, de S. Leitmant i B. Brant, presenten aquests punts de manera esquematitzada.
És interessant constatar que els VE tenen un 90 % menys de components respecte dels VCI, que precisa-ment són els que estan sotmesos a un major desgast, i per aquest motiu hom creu que les reparacions i el manteniment dels nous vehicles seran molt més senzills.
3.2. Classificació dels vehicles elèctrics
D’entrada podem classificar els vehicles elèctrics en tres grans grups. Si deixem a banda el primer, els vehi-cles elèctrics alimentats per cable (vehivehi-cles guiats com els tramvies o els vehicles urbans amb recorregut fix, com per exemple, els troleibusos), que no són objecte de consideració en el present estudi, es podrien reduir a dos: els vehicles íntegrament elèctrics (VE) i els vehi-cles híbrids endollables25 (PhVE).
Si bé teòricament hi ha diverses possibilitats pel que fa a la possible disposició de vehicles elèctrics autònoms (que transporten la font d’energia mitjançant bateries, ultracondensadors, pila de combustible, o fins aquells que poden rebre una aportació suplementària a través d’un sistema de plaques fotovoltaiques), aquells que són objecte de la nostra atenció i que actualment es troben en ple desenvolupament, són els alimentats per bateries els que es configuren com l’element clau per a la seva autonomia i desenvolupament de futur.
L’altra opció són els vehicles híbrids o mixtos, re-presentats genèricament per l’acrònim PhVE, que Figura 14. Complexitat d’un vehicle convencional amb motor
de combustió interna.
25 Mantenim com acrònim les sigles angleses del Plug-in Hybrid Electric Vehicles.
Figura 15. Diagrama d’un vehicle amb motor elèctric.
amb diverses configuracions possibles sempre cons-ta d’un sistema doble, amb un motor tèrmic més o menys convencional i un sistema d’emmagatzematge d’energia i de tracció elèctric, que pot adoptar diverses disposicions. Segons la disposició dels motors, els ve-hicles híbrids (PhVE) es poden classificar en PhVE en sèrie, PhVE en paral·lel i PhVE mixtos; a la taula 4 se’n resumeixen les principals característiques, que desenvoluparem més endavant.
3.3. Característiques dels vehicles elèctrics
Els vehicles elèctrics són, des del punt de vista de la disposició mecànica dels seus components, més sen-zills que els vehicles actuals de combustió interna (VCI). Essencialment consisteixen en un dispositiu d’emmagatzematge d’energia (bateria o ultraconden-sador) que permet alimentar el/s motor/s elèctric/s que mou/en les rodes (figura 16). En els models en què que el vehicle incorpora dos motors, no cal el di-ferencial en l’eix motriu.
El motor pot ser de corrent continu o de corrent al-tern. Els de corrent continu –que poden ser motors en sèrie o d’excitació permanent– proporcionen un elevat parell d’arrencada i un sistema de regulació de la velo-citat relativament senzill i conegut. Els de corrent al-tern poden ser síncrons o asíncrons, són més robustos i fàcils de mantenir, i aconsegueixen un millor rendi-ment que els de corrent continu.
Els vehicles elèctrics tradicionalment s’han utilitzat en recintes tancats (carretons elevadors de manutenció –“toros”–) i per a aplicacions particulars (carrets per a persones amb mobilitat reduïda, carrets per a golf, etc.). En els darrers anys, i a mesura que han apare-gut dispositius d’emmagatzematge de major capaci-tat i recàrrega més fàcil, han començat a ser utilitzats en vehicles tipus turisme i furgonetes de prestacions modestes per a la distribució urbana de mercaderies (especialment en ciutats amb zones de vianants amb restricció d’accés per a vehicles amb motors tèrmics).
Des del punt de vista tècnic, el principal inconvenient dels VE és que en l’actualitat encara presenten una li-mitada autonomia, que podem situar entre els 80 i 200 km, si bé la innovació i l’evolució tecnològica van superant aquestes limitacions mes a mes. Com a
con-VE Autònom PHVE
Sistema
motor Motor elèctric Motor elèctric + motor de combustió
interna (MCI) Característiques
més rellevants • Emissions zero
• Alt rendiment
considerar • Cost del vehicle
• Cost, Taula 4. Característiques dels vehicles elèctrics.
Figura 16. Esquema de vehicles elèctrics i dels híbrids amb indi-cació de capacitats d’emmagatzematge d’energia. Pot observar-se la major simplicitat del cotxe elèctric.
Els vehicles elèctrics
trapartida, un dels aspectes que fa més atractius tant els VE com els PhEV és el potencial creixement de l’eficiència energètica, la qual cosa significa una reduc-ció en el consum d’energia i les seves fonts primàries, i una important reducció tant dels contaminants con-vencionals com de les emissions de gasos amb efecte d’hivernacle (GEh).
3.4. Principals característiques dels vehicles elèctrics híbrids (PHEV)
Els vehicles elèctrics híbrids (PhVE) representen un estadi intermedi entre els vehicles convencionals (VCI) i els vehicles elèctrics purs (VE). La funció de la motorització elèctrica pot ser doble: d’una banda evi-tar el funcionament del motor de combustió en trams urbans curts; d’altra banda, servir de reforç a la moto-rització convencional i facilitar l’estalvi de carburant aprofitant l’energia de frenada per carregar bateries, alhora que aconsegueixen un augment important de l’eficiència energètica. Les bateries dels PhEV es po-den recarregar per mitjà d’un generador accionat pel motor tèrmic o bé endollant-les directament a la xarxa elèctrica. Si bé els PhEV poden ser endollats a qual-sevol hora del dia, hom s’orienta a la càrrega durant la nit en hores vall, quan la demanda d’energia elèctrica i el seu cost són menors (de les 11 h de la nit a les 7-8 h del matí). Atenent a la disposició dels motors, els VEh es poden classificar en tres grans subgrups:
PhVE en sèrie, PhVE en paral·lel i PhVE Mixt.
3.4.1. Vehicles híbrids en sèrie
En els PhVE en sèrie, tota l’energia química-tèrmica del motor de combustió interna s’aplica a un generador que la transforma en elèctrica i la transmet al sistema de bateries recarregables i/o a un motor elèctric solidari amb el sistema de transmissió i les rodes (figura 17).
Es tracta d’una arquitectura senzilla en la qual el motor elèctric s’interposa entre l’eix de transmissió i el gene-rador. El motor de combustió interna no està mai en contacte directe amb els mecanismes de transmissió.
Els PhVE sèrie poden operar de diferents modes:
• Ús exclusiu des de les bateries, que proporcionen al motor elèctric tota l’energia necessària per moure el vehicle; o del motor tèrmic, que acciona el motor elèc-tric a través del generador. Si el consum és inferior a la energia proporcionada pel generador, se’n deriva una part a carregar les bateries.
• Mode mixt o combinat: quan l’energia sol·licitada és elevada, el motor elèctric rep simultàniament l’energia del generador i de les bateries.
• Ús en desacceleració o frenada, quan part de l’energia absorbida per les rodes durant la frenada es transforma en energia elèctrica i es recarreguen les bateries.
El principal avantatge de la configuració en sèrie és que el motor tèrmic, al no estar directament lligat a la tracció, es pot fer servir a velocitat constant i en el punt de rendiment òptim. D’altra banda, el sistema de control és més senzill.
Pel que fa als inconvenients, el més important és que tota l’energia produïda pel motor tèrmic ha de travessar el generador elèctric, amb una important generació de pèrdues degudes a la transformació d’energia mecànica en elèctrica. Un altre inconvenient és que tant el motor tèrmic com l’elèctric han d’estar dimensionats per una conducció per carretera amb prestacions elevades, per la qual cosa poden assolir unes dimensions considerables.
3.4.2. Vehicles híbrids en paral·lel
El PhVE en paral·lel permet que el sistema de trans-missió sigui accionat tant pel motor tèrmic com per l’elèctric o pels dos a la vegada (figura 18). De for-ma anàloga al PhVE en sèrie, els modes de treball del PhVE en paral·lel poden ser:
Mode totalment elèctric. Les bateries proporcionen al motor elèctric tota l’energia necessària per moure el vehi-cle. L’ús exclusiu del motor tèrmic es dóna quan el vehicle es mou únicament per l’acció del motor de combustió, i si el consum és inferior a la energia proporcionada pel motor tèrmic, se’n deriva una part a carregar les bateries.
En mode mixt o combinat, si l’energia sol·licitada és elevada, poden treballar els dos motors conjuntament (el motor tèrmic és assistit pel motor elèctric).
Figura 17. Vehicle elèctric híbrid en sèrie.
Font: NESEA org, 2009.
En desacceleració o frenada, part de l’energia absor-bida per les rodes durant la frenada es transforma en energia elèctrica i es recarreguen les bateries.
El principal avantatge rau en la possibilitat de l’actuació simultània dels dos motors i, per tant, tant el motor tèrmic com l’elèctric poden ser de menor potència; l’inconvenient és la major complexitat dels equips i dels sistemes de regulació i control.
3.4.3. Vehicles híbrids mixtos
Els vehicles híbrids mixtos poden actuar com un híbrid en sèrie o com un en paral·lel, segons si l’acció del motor tèrmic s’aplica directament a les rodes motrius (funciona-ment en paral·lel) o bé si actua sobre el generador (fun-cionament en sèrie). L’esquema es mostra a la figura 19.
3.5. Necessitats d’emmagatzematge en el vehicle elèctric
Atesa la major eficiència del motor elèctric respecte el tèrmic (entre el 80 % i el 65 % el primer, incloent-hi el rendiment de les operacions de càrrega i descàrrega de les bateries, contra el 25 % dels motors de combustió interna), la necessitat de garantir el subministrament d’energia elèctrica esdevé d’una importància cabdal, tant per a les tecnologies elèctrica com l’híbrida.
En els VE, l’energia emmagatzemada a la bateria ha de realitzar una funció equivalent a la benzina d’un vehicle convencional. Així, els paquets de bateries per a VE típics emmagatzemen uns 35 kWh, els quals po-den proporcionar una energia a les rodes equivalent a la d’un dipòsit amb 15 litres de benzina. Si bé teòrica-ment podem augteòrica-mentar l’energia per aconseguir una major autonomia del VE, cal considerar les limitacions inherents a l’increment de pes i volum que hi anirien associats, essent aquest un dels motius importants per maximitzar la densitat energètica o l’energia específica.
Una altra funció de les bateries rau precisament en la demanda de potència per a una acceleració ràpida com fa la benzina, d’on cal haver de maximitzar la potència específica o densitat de potència en aquesta situació.
Així doncs, i com hem vist, ens trobem amb diferents necessitats per a les quals hem de cercar la solució tec-nològica més adient.
A la figura 20 podem observar les corbes del parell i de potència d’un VCI, on es pot apreciar com el punt de
Figura 18. Vehicle híbrid elèctric en paral·lel.
Font: NESEA org, 2009.
Figura 19. Vehicle híbrid elèctric mixt.
Font: NESEA org, 2009.
Figura 20. Corbes de parell màxim (vermell) i potència màxima (negre).
màxima potència i punt de parell motor màxim té lloc en un determinat règim de voltes, de manera que el pa-rell màxim acostuma a coincidir amb la zona de menor consum específic. Els vehicles híbrids intenten aprofitar aquesta situació per fer treballar el motor tèrmic en aquest punt, obtenint així un consum mínim a parell màxim.
Bateria
Bateria
Electrònica
Electrònica Motor
Motor
Diferencial
Diferencial Transmissió
Transmissió
Generador
Motor de combustió
Motor de combustió Canvi
Canvi
4..Prospectiva.d’evolució.del.mercat.
dels.vehicles.elèctrics
una decidida aposta per part de les institucions impli-cades, les quals semblen haver-se compromès en la via d’afavorir un ràpid desenvolupament i una veritable implantació dels VE a tot l’Estat.
Decididament, tot i trobar-nos en un escenari on en-cara hi ha moltes incerteses, fins el moment actual l’oferta de vehicles elèctrics existents és dels que po-dríem considerar de gamma baixa, amb prestacions inferiors a les dels VCI a què estem acostumats, i no serà fins els anys 2010-2014 que no es produirà la plena incorporació de les grans firmes i fabricants del món de l’automoció26.
Adaptant al nostre país els diversos estudis de pros-pectiva efectuats per les consultores internacionals i analistes internacionals esmentats recentment (Frost&Sullivan, Capital Advisors, Rapport Syrota, Altran Technology, Pike Research...) o les previsions de la indústria automobilística mateixa, s’ha proce-dit a efectuar dues estimacions sobre la previsible evolució de VE a Catalunya en un horitzó temporal fins l’any 2015. La primera, més optimista, seguiria les pautes i proporcions del Ministeri d‘Indústria que caldria assignar a Catalunya. D’aquesta manera ens correspondria assolir la fita d’uns 150.000 VE (3,3 % de la flota actual) cap el final d’aquell any, considerant tots els segments de vehicles.
Adaptant al nostre país els diversos estudis de pros-pectiva efectuats per les consultores internacionals i analistes internacionals esmentats recentment (Frost&Sullivan, Capital Advisors, Rapport Syrota, Altran Technology, Pike Research...) o les previsions de la indústria automobilística mateixa, s’ha proce-dit a efectuar dues estimacions sobre la previsible evolució de VE a Catalunya en un horitzó temporal fins l’any 2015. La primera, més optimista, seguiria les pautes i proporcions del Ministeri d‘Indústria que caldria assignar a Catalunya. D’aquesta manera ens correspondria assolir la fita d’uns 150.000 VE (3,3 % de la flota actual) cap el final d’aquell any, considerant tots els segments de vehicles.