An´alisis de Ciclo de Vida ”Tank to Wheel” para veh´ıculos el´ectricos y de combustible f´osil en transporte masivo para la ciudad de Bogot´a, Colombia
por
Nathalia Giovanna Vera Gallo
Proyecto de fin de carrera presentado para obtener el t´ıtulo de Ingeniera El´ectrica
(Departamento de Ingenier´ıa El´ectrica y Electr´onica) en la Universidad de los Andes
2020
Evaluadores:
Guillermo Andr´es Jim´enez Est´evez Michael Bressan
AGRADECIMIENTOS
A mis padres y hermanos por ser parte de mi proceso a lo largo de la carrera, por acompa˜narme y apoyarme en mi proyecto de vida. A mi asesor Guillermo Jim´enez por su disposici´on, gu´ıa e incondicional apoyo a lo largo del proyecto de grado. A la Universidad de los Andes por introducirme a la vida acad´emica, por permitirme estudiar lo que me apasiona y por ayudarme a crecer como profesional. En ´ultimo lugar, gracias a los amigos que con su compa˜n´ıa y apoyo hacen cada experiencia a´un mejor.
TABLA DE CONTENIDO
Agradecimientos . . . II
Lista de figuras . . . V
Lista de Tablas . . . VI
Chapter
1. Introducci´on . . . 1
2. Estado del Arte . . . 4
2.1. Marco Te´orico . . . 4
2.2. Antecedentes . . . 6
3. Metodolog´ıa . . . 9
3.1. Especificaciones . . . 10
3.1.1. Buses de transporte de pasajeros . . . 10
3.1.2. Rutas de estudio . . . 11
3.2. Trabajo Computacional . . . 12
3.3. Metodolog´ıa de Prueba . . . 13
3.4. Alternativas de desarrollo . . . 13
4. Resultados . . . 14
4.1. TransitBus convencional (VOLVO) . . . 14
4.1.1. Ciclo del veh´ıculo . . . 14
4.1.2. Utilizaci´on de energ´ıa . . . 17
4.1.3. Emisiones del veh´ıculo . . . 18
4.1.4. Relaci´on de transmisi´on general . . . 19
4.2. TransitBus el´ectrico (Yutong) . . . 20
4.2.1. Ciclo del veh´ıculo . . . 20
4.2.2. Utilizaci´on de energ´ıa . . . 22
4.2.3. Sistema de Almacenamiento . . . 23
4.2.4. Emisiones del veh´ıculo . . . 24
4.3. Comparaci´on de tecnolog´ıas . . . 25
5. Validaci´on del trabajo. . . 26
5.1. Validaci´on de los resultados del trabajo . . . 26
6. Discusi´on . . . 28
7. Conclusiones . . . 30 Appendices . . . 31
LISTA DE FIGURAS
FIGURE
2.1. Tren motriz combusti´on interna . . . 4
2.2. Tren motriz veh´ıculo el´ectrico . . . 5
3.1. Ruta 18-3 Caso de estudio . . . 11
4.1. Ciclo del veh´ıculo . . . 14
4.2. Ciclo simulado Veh´ıculo convencional . . . 16
4.3. Velocidad esperada vs velocidad obtenida . . . 16
4.4. Torque vs Velocidad Convencional. . . 17
4.5. P´erdidas de energ´ıa veh´ıculo convencional . . . 18
4.6. Emisiones a lo largo del ciclo veh´ıculo convencional . . . 19
4.7. Relaci´on de transmisi´on general veh´ıculo convencional . . . 20
4.8. Ciclo simulado veh´ıculo TransitBus EV . . . 20
4.9. Velocidad esperada vs velocidad obtenida caso EV . . . 21
4.10. Torque vs Velocidad veh´ıculo EV . . . 21
4.11. P´erdidas de energ´ıa modo de potencia TransitBus EV . . . 22
4.12. P´erdidas de energ´ıa modo regenerativo TransitBus EV . . . 23
4.13. Comportamiento del sistema de almacenamiento en el tiempo . . . 23
4.14. Eficiencia en carga de Sistema de almacenamiento . . . 24
4.15. Eficiencia en descarga de Sistema de almacenamiento . . . 24
LISTA DE TABLAS
TABLE
4.1. Caracter´ısticas del ciclo a simular . . . 15
4.2. Utilizaci´on de energ´ıa Veh´ıculo Convencional . . . 18
4.3. Emisiones obtenidas Tank-to-Wheel TransitBus convencional . . . 19
4.4. Utilizaci´on de energ´ıa TransitBus EV . . . 22
4.5. Comparaci´on de alternativas en fase de operaci´on . . . 25
5.1. Valores est´andar de emisiones . . . 26
1. Par´ametros ADVISOR TransitBus Convencional . . . 33
2. Par´ametros ADVISOR TransitBus El´ectrico . . . 34
CAP´ITULO 1
Introducci´on
Actualmente, existe una b´usqueda constante por la implementaci´on de energ´ıas renovables no convencionales. Esto se realiza con el fin de solucionar parcialmente la problem´atica medio- ambiental que se vive en la actualidad en todo el mundo. En el caso colombiano, uno de los sectores que produce m´as contaminaci´on corresponde al sector del transporte, especialmente en la ciudad de Bogot´a. Como es de esperarse, en este sector las m´aquinas operan a partir de tecnolog´ıas tales como el Diesel, tecnolog´ıas que generan gran cantidad de emisiones desde su producci´on hasta su consumo.
A partir de la problem´atica, la implementaci´on de tecnolog´ıas renovables en el ´ambito del transporte supone una soluci´on eficiente. El sistema de transporte masivo corresponde al 35 % de excedencia de la normal anual del material particulado en Bogot´a (17). Con la implementaci´on de buses alimentadores h´ıbridos y el´ectricos, las emisiones producidas se podr´ıan mejorar considera- blemente.
Evidentemente, la implementaci´on de estas tecnolog´ıas y la transformaci´on del sector represen- ta un cambio en general en todos los factores que implica su uso. Se debe entonces estudiar dichos factores y aspectos propios de esta tecnolog´ıa, tales como la eficiencia de la energ´ıa, las emisiones producidas y por supuesto la perspectiva econ´omica que surge de dicho cambio. Por esta raz´on, el desarrollo de un proyecto que permita el estudio del Ciclo de vida es un acercamiento a lo que se est´a buscando.
Ahora, el estudio de Ciclo de Vida se puede realizar para el caso colombiano para la compara- ci´on de buses alimentadores con motor Diesel y buses alimentadores el´ectricos. Esta comparativa permitir´a ver cu´al de las tecnolog´ıas es la m´as adecuada a partir de todos los aspectos nombrados anteriormente para el caso de Colombia.
En el presente documento se expone el estudio de Ciclo de Vida o Well-to-Wheel espec´ıfica- mente en el ´area de consumo de la energ´ıa o bien conocido como Tank-to-Wheel para veh´ıculos de transporte masivo. Para dicho estudio se toma el caso espec´ıfico de la ciudad de Bogot´a, Colombia,
y su sistema de transporte masivo con TransitBus1.
Este proyecto tiene como objetivo principal realizar la comparativa entre los buses alimentado- res convencionales de combustible Diesel y los buses alimentadores el´ectricos. Esta comparativa se realizar´a a partir del an´alisis del Ciclo de vida teniendo en cuenta la eficiencia y utilizaci´on de energ´ıa y las emisiones de algunos compuestos tales como CO y material particulado que se producen a lo largo del ciclo.
Con base en dicho objetivo, el proyecto tiene los siguientes objetivos espec´ıficos:
Realizar una revisi´on bibliogr´afica basada en estudios similares para el Ciclo de Vida adapta- do al sistema de transporte masivo en Bogot´a, Colombia. Una vez realizada dicha adaptaci´on, contrastar los resultados obtenidos con los estudios ya realizados.
Definir una metodolog´ıa de estudio para el desarrollo del proyecto y definir las condiciones iniciales o consideraciones a tener en cuenta para el caso espec´ıfico en Colombia.
Realizar el estudio y an´alisis del ciclo Tank to wheel de los buses alimentadores con ayuda de la herramienta ADVISOR para la simulaci´on a partir de condiciones iniciales espec´ıficas correspondientes a los buses alimentadores y el entorno en el que se espera estudiar.
Estudiar y determinar la eficiencia de energ´ıa que poseen las tecnolog´ıas de combustible f´osil y de motor el´ectrico a lo largo de todo el ciclo Tank-to-Wheel.
Estudiar y determinar las emisiones de CO2 que produce cada una de las tecnolog´ıas a lo largo de todo el ciclo Tank-to-Wheel.
Definir aspectos econ´omicos que sugiere cada tecnolog´ıa en el caso colombiano y realizar un an´alisis comparativo de las alternativas.
Se presenta a continuaci´on un an´alisis detallado de dos de las alternativas energ´eticas para el funcionamiento de los buses. En primer lugar se estudia el veh´ıculo de combustible Diesel de com- busti´on interna, y en segundo lugar se estudia el veh´ıculo el´ectrico con sistema de almacenamiento basado en bater´ıas.
Con el Ciclo de Vida se tienen en cuenta dos aspectos principalmente: la utilizaci´on de la energ´ıa y las emisiones emitidas a lo largo del ciclo. Dichos aspectos se toman de acuerdo a es- pecificaciones de los buses, factores ambientales y situaciones cercanas a las reales. Con el fin de acercar el estudio al caso espec´ıfico de Bogot´a, se toma la ruta 18-3 del Sistema Integrado de Transporte de la ciudad. Dentro de la ruta se consideran par´ametros tales como la velocidad, aceleraci´on, tiempo y pendiente que usualmente se registran para el bus al realizar dicha ruta.
1Sistema de transporte p´ublico dise˜nado espec´ıficamente para mejorar el flujo y movilidad de pasajeros.
Con base en las simulaciones y datos obtenidos con la herramienta ADVISOR se afirma que los buses que poseen un mejor rendimiento para seguir la ruta especificada son los buses de combus- tible f´osil. De igual manera, este tipo de tecnolog´ıa es tambi´en el que presenta un mayor consumo de energ´ıa a partir de la combusti´on que se presenta en el tren. As´ı mismo, la combusti´on genera emisiones en la fase de operaci´on que se encuentran en los est´andares de Euro V.
En comparaci´on con los resultados de los veh´ıculos el´ectricos, el consumo de energ´ıa se vuelve poco significativo para este tipo de tren. La energ´ıa consumida en los veh´ıculos TransitBus el´ectri- cos es del 9 % de la energ´ıa consumida en los veh´ıculos TransitBus convencionales a combustible.
Esto supone entonces no solo una reducci´on en emisiones, sino un menor consumo de energ´ıa representado en la eficiencia y autonom´ıa de los sistemas de almacenamiento.
Aunque la elecci´on de tecnolog´ıas depende en su gran mayor´ıa de los requerimientos del clien- te, los buses el´ectricos pueden satisfacer las necesidades del sistema de transporte de Bogot´a. Esto implicar´ıa entonces una transformaci´on hacia tecnolog´ıas limpias y eficientes que a largo plazo se pueden ver como una alternativa m´as econ´omica y sostenible.
CAP´ITULO 2
Estado del Arte
2.1. Marco Te´orico
El proyecto de grado se basa principalmente en la comparaci´on de la aplicaci´on de dos tecno- log´ıas en movilidad. Por tal motivo, es importante tener presente en qu´e consiste cada una de las tecnolog´ıas, c´omo se aplican y de qu´e modo se espera analizarlas.
En primer lugar se presenta la tecnolog´ıa basada en la implementaci´on de combustible f´osil en autobuses. Los autom´oviles que utilizan combustible f´osil como fuente de energ´ıa, funcionan bajo el principio de un Ciclo de Otto ideal. El ciclo de Otto se divide en cuatro partes: Compresi´on adiab´atica, Combusti´on a volumen constante, expansi´on adiab´atica y por ´ultimo una disipaci´on de calor a volumen constante. El estudio de eficiencia de energ´ıa Tank-to-Wheel partir´a en una primera aproximaci´on con el Ciclo de Otto. En la figura2.1se evidencia el tren del motor de este tipo de veh´ıculos.
Figura 2.1: Tren motriz combusti´on interna
En segundo lugar se analizar´an los buses el´ectricos. Los buses el´ectricos a trabajar se basan en sistemas de almacenamiento por bater´ıas para la carga y descarga de energ´ıa en el veh´ıculo. El tren
de motor implementado en estos veh´ıculos se evidencia en la figura 2.2. Como es de esperarse, dado que este sistema no hay una combusti´on, el veh´ıculo no generar´a emisiones durante el ciclo.
Figura 2.2: Tren motriz veh´ıculo el´ectrico
Ahora, es importante definir el estudio que se est´a realizando en este proyecto. El an´alisis de Ciclo de Vida (Well to wheel) consiste en un acercamiento a la producci´on y transformaci´on de la energ´ıa de acuerdo a una tecnolog´ıa. Se tiene en cuenta un an´alisis detallado de la eficiencia de la energ´ıa y la producci´on de emisiones en un proceso. Como su nombre lo dice, este an´alisis espera estudiar la energ´ıa desde un aspecto inicial donde se tiene la adquisici´on o los medios y tecnolog´ıas de las que se adquiere la energ´ıa. La palabra ”Well”pone como referencia el pozo, ha- ciendo referencia al caso de una energ´ıa convencional donde se tiene combustible f´osil. El t´ermino
”Wheel”hace referencia entonces a la implementaci´on de la tecnolog´ıa y al consumo como tal de la energ´ıa durante el proceso. En ambas partes del ciclo, se tienen en cuenta los aspecto de eficiencia y de emisiones. En el presente estudio se har´a un an´alisis espec´ıfico de la secci´on del Ciclo de Vida denominado Tank-to-Well.
Como parte del estudio se deben conocer algunas de las ecuaciones necesarias para entender y hallar correctamente la utilizaci´on de energ´ıa en Tank to Wheel y las emisiones que producen cada uno de los veh´ıculos dependiendo de su tren de motor. La utilizaci´on de energ´ıa da a conocer la cantidad de combustible l´ıquido o energ´ıa que consume el veh´ıculo durante un ciclo. Por otro lado, al hablar de eficiencia se se˜nala la relaci´on entre la energ´ıa y distancia recorrida as´ı como pasajeros (pkm) ??. De igual manera, aunque no es propio del estudio del proyecto, para un an´alisis de Ciclo de Vida completo se debe tener en cuenta la energ´ıa utilizada y las emisiones en el proceso de Well-to-Tank. A continuaci´on se muestran las ecuaciones correspondientes a utilizaci´on de energ´ıa
y emisiones:
Ef ossil,W T W =
2
X
i=1
[(Eexpended,f ossil,W T T + Econtent,f ossil,T T W) ∗ Euse,T T W)]i (2.1)
GHGW T W =
2
X
i=1
[(GHGexpended,W T T + GHGcombustion,T T W) ∗ Euse,T T W]i (2.2) donde el ´ındice i correponde al tipo de combustible, i = 1 hace referencia a combustible l´ıquido e i = 2 corresponde a energ´ıa el´ectrica ??.
Para el caso particular de Tank to Wheel se deben considerar para las emisiones algunos par´ametros y cantidades. Las emisiones se estiman utilizando un m´etodo de balanceo del carb´on.
La ecuaci´on para el factor de emisi´on se define de la siguiente manera:
EFCO2,T T W = CW Ff uel LHVf uel
MCO2 MC
α1000gCO2 1kgCO2
(2.3)
donde CW Ff uel(kgC/kgf uel) es la fracci´on de carb´on por peso del combustible, LHVf uel(M Jf uel/kgf uel) es el valor m´ınimo de calor, la expresi´on de la segunda fracci´on en la parte derecha de la ecuaci´on
es el ratio entre el peso molecular del CO2y el peso molecular del carb´on, α es el factor de oxida- ci´on, y la ´ultima expresi´on es la energ´ıa contenida del combustible. De este modo se tiene entonces que las emisiones en combusti´on se definen como:
GHGcombustion,T T W = EFCO2,T T WEuse,T T W (2.4)
2.2. Antecedentes
La b´usqueda de informaci´on se realiza con diferentes fines. En primer lugar se busca infor- maci´on hist´orica de proyectos y papers en los cuales se hayan realizado anteriormente estudios relacionados con el tema, espec´ıficamente de Well-to-Wheel enfocado en la fase de operaci´on o Tank-to-Wheel. De dichos art´ıculos se toman algunos par´ametros y consideraciones de la parte ini- cial del proyecto, de igual modo se buscan metodolog´ıas para obtener la metodolog´ıa m´as acertada en el presente caso, y finalmente se toman de all´ı conclusiones importantes que pueden o no ser soportadas por el presente proyecto. Se espera de igual manera lograr una comparativa con estos estudios con el fin de validar el correcto desarrollo y los resultados obtenidos en este proyecto.
Con respecto a estos estudios se resalta el trabajo de Dreier (3) como referencia principal. Este trabajo se tiene en cuenta dada la similitud con el proyecto a desarrollar en este caso. Este autor se basa en los TransitBus y el Ciclo de Vida correspondiente a la ciudad de Curitiba en Brasil. Dado
que dicho informe presenta un an´alisis detallado de utilizaci´on de energ´ıa y emisiones, se toma como base para el an´alisis de Ciclo de Vida en TransitBus en la ciudad de Bogot´a, Colombia.
En un primer acercamiento, D.Dreier (3) propone un an´alisis de Ciclo de vida o Well-to Wheel para el uso de energ´ıa f´osil, y emisiones de tecnolog´ıas el´ectricas e hibrido-el´ectricas para buses en el sistema de transporte de Curitiva, Brazil. Este an´alisis se realiza a partir de una metodolog´ıa que separa todo el ciclo en dos partes, Well-to tank y Tank-to-wheel. Esto permite entonces un enfoque diferente para la producci´on de energ´ıa y para el consumo de energ´ıa. Propone as´ı mismo un estudio de Tank-to-wheel a partir del software ADVISOR a partir de condiciones iniciales fijas propias del bus y el recorrido que realiza. El estudio que se realiza toma como base el estudio rea- lizado por Dreier donde se espera obtener un comportamiento similar. De acuerdo con Dreier, los TransitBus convencionales pueden ser m´as amigables ambientalmente que los h´ıbridos en t´ermi- nos de WTW. De igual manera, se evidencia que la energ´ıa en el proceso de Tank To Wheel puede variar considerablemente, hasta m´as de un 77 % dependiendo de aspectos tales como los tiempos de operaci´on, las rutas seguidas y los tipos de buses. Es all´ı donde se espera encontrar la diferencia entre los veh´ıculos con tren el´ectrico y los veh´ıculos a combustible Diesel.
Dreier (3) dentro de las consideraciones y conclusiones, expone que el 85 % de la energ´ıa que se consume durante todo el ciclo de vida corresponde a la fase de operaci´on o Tank To Wheel, y el 86 % de las emisiones se generan en esta misma fase. Por esta raz´on, el objetivo de este an´alisis consiste en un enfoque hacia la fase de operaci´on donde se ver´ıa una diferencia significativa entre tecnolog´ıas
En segundo lugar, Cuellar (15) realiza un estudio del ciclo de vida Well-to-Wheel referente a emisiones que corresponden al bus de sistema Transmilenio para la ciudad de Bogot´a en compa- raci´on con otros modos de transporte de pasajeros. Este estudio nos da un primer acercamiento y una referencia para el estudio de emisiones del proyecto.
Por ´ultimo, J. Gr¨utter (16) realiza un informe del rendimiento de buses h´ıbridos y el´ectricos teniendo en cuenta dos casos: el sistema de transporte de la ciudad de Shenzhen en China, y el sistema de transporte masivo de Bogot´a en Colombia. Este informe permite un seguimiento en todos los aspectos en cuanto a energ´ıa y en cuanto a econom´ıa para el caso de Colombia. As´ı mismo, este estudio da informaci´on relevante para la especificaci´on de supuestos y consideraciones del proyecto a desarrollar.
De igual manera, es importante tener estudios relevantes en materia de transporte masivo y en especial de buses el´ectricos. Dentro de estos an´alisis, algunos investigadores presentan estudios en transporte masivo, entre ellos est´an: Chester (2), Elgowainy (4), McKenzie (10), Xu (12) y finalmente Zhang (14). Ahora, en aspectos de Ciclo de vida de buses el´ectricos y autom´oviles el´ectricos son relevantes los estudios de Campanari (1), Faria (6) y (9). Estos an´alisis se basan en casos espec´ıficos de regiones metropolitanas y ciudades concurridas.
As´ı mismo y finalmente, se tienen algunos estudios que no se basan en el Ciclo de vida pero s´ı en la determinaci´on y desarrollo del ciclo del veh´ıculo de acuerdo a las ciudades o pa´ıses. En este caso, podemos nombrar especialmente el paper desarrollado por H Kaymaz donde analiza el ciclo de TransitBus en Istabul (7).
Por otro lado, se realiza una b´usqueda de informaci´on respecto a los par´ametros, especificacio- nes y aspectos a tomar en cuenta. En este caso, dado que se realizan simulaciones sobre veh´ıculos de pasajeros, espec´ıficamente TransitBus convencionales Diesel y TransitBus el´ectricos se realiza un estudio detallado de las especificaciones del veh´ıculo. En este caso se toman de buses Volvo B8R/B8RLE Euro 5 (18) y buses Yutong E10(RHD)(19) para cada una de las tecnolog´ıas respec- tivamente.
Por ´ultimo se realiza una b´usqueda de informaci´on referente a las rutas para el recorrido del bus en la simulaci´on. Se toma como referencia entonces la ruta 18-3 y se toman datos de ubicaci´on geogr´afica, tiempos y distancias recorridas, as´ı como grado de inclinaci´on a lo largo del ciclo y velocidades obtenidas por el bus. Estos datos se obtuvieron de manera pr´actica con una aplicaci´on de posicionamiento global o GPS y el seguimiento de la ruta en el recorrido de sentido sur a norte.
CAP´ITULO 3
Metodolog´ıa
El an´alisis de Ciclo de Vida se realiza para buses de transporte de pasajeros. En dicho an´alisis se comparara un bus de combustible f´osil con respecto a un bus el´ectrico con sistema de bater´ıas. Se utiliza entonces una referencia correspondiente a cada tecnolog´ıa como base y modelo de estudio.
En el caso de los buses el´ectricos se utiliza la referencia Yutong E10 y para el caso de buses en combustible f´osil se implementa la referencia Volvo B8R/B8RLE con est´andares Euro V. Para llevar acabo el proyecto se tienen en cuenta los siguientes pasos:
B´usqueda de informaci´on basada en los elementos que son necesarios para el correcto an´ali- sis de Ciclo de vida en la fase de operaci´on. Dentro de esta informaci´on, se tiene en cuenta la teor´ıa que comprende la fase de operaci´on. De igual manera, la b´usqueda debe incluir los factores necesarios para realizar el an´alisis, es decir, par´ametros, condiciones iniciales y supuestos definidos.
Definir los par´ametros, condiciones iniciales y supuestos a tomar para el caso espec´ıfico. En este se debe tener en cuenta la informaci´on relacionada con las especificaciones de los buses en cuanto al tren motriz que presenta cada uno de los casos. Se deben fijar par´ametros en cada uno de los elementos del tren tales como la transmisi´on, el convertidor de combustible y las cargas auxiliares, por nombrar algunos.
Definir la ruta que se va a tomar para modelar el ciclo del veh´ıculo en su operaci´on. Para ello, se selecciona una ruta espec´ıfica del Sistema Integrado de Transporte de Bogot´a.
Se realiza la toma de datos de velocidad, aceleraci´on y elevaci´on en el tiempo de la ruta a estudiar. La toma de datos se realiza a partir de la implementaci´on de una aplicaci´on de veloc´ımetro y una medici´on en tiempo real siguiendo la ruta.
Familiarizarse con el software de simulaci´on ADVISOR, estudiar las configuraciones prees- tablecidas, tomar supuestos y modificar par´ametros de acuerdo con las necesidades. En la mayor´ıa de los casos se parte de sistemas predeterminados con modificaciones.
Se implementan los cambios en el software de tal modo que se ajuste al caso de estudio. Para estas simulaciones en espec´ıfico, los par´ametros y configuraciones junto con sus modifica- ciones se encuentran en la secci´on de anexos (Ver tablas1y2).
Se realiza la simulaci´on para cada uno de los casos. De estas simulaciones se espera observar un comportamiento adecuado en el seguimiento de la ruta especificada y valores normales en el consumo de energ´ıa y emisiones en el proceso.
An´alizar los resultados obtenidos de modo que estos se encuentren dentro de los valores est´andares en cuanto a energ´ıa y emisiones.
Una vez se tengan resultados acertados, se eval´ua cada una de las alternativas tecnol´ogicas y se realiza una comparaci´on entre ellas. Es importante recalcar que se deben tener en cuenta aspectos tales como el seguimiento de la ruta y el desempe˜no del bus, el consumo de energ´ıa y finalmente las emisiones que se producen en esta etapa.
El an´alisis cuenta con un estudio te´orico tanto en Well-to-Tank y Tank-to-Wheel. Este estudio permite obtener estimaciones te´oricas en cuanto a la funci´on de la energ´ıa en todo el proceso como las emisiones que puedan obtenerse. En el caso espec´ıfico de Tank-to-Wheel se implementa la herramienta de simulaci´on antes mencionada, ADVISOR.
3.1. Especificaciones
3.1.1. Buses de transporte de pasajeros
Dado que se espera realizar la comparaci´on entre buses con combustible f´osil y buses el´ectricos se utiliza una referencia correspondiente a cada tecnolog´ıa.
3.1.1.1. Combustible f´osil
La referencia de estudio corresponde al bus Volvo B8R/B8RLE Euro 5. En la referencia (18) se pueden visualizar algunas de las caracter´ısticas importantes para su an´alisis. Esta referencia acerca el estudio al caso espec´ıfico de la ciudad de Bogot´a dado que son los buses que se utilizan actualmente en el Sistema de transporte en la ciudad.
Por otro lado, de acuerdo a las especificaciones del TransitBus Volvo se introducen los par´ame- tros m´as relevantes en la herramienta ADVISOR para el desarrollo de las simulaciones esperando un acercamiento a la realidad.
3.1.1.2. El´ectricos con bater´ıas
La referencia de estudio corresponde a los buses Yutong E10(RHD) completamente el´ectricos y sistema de almacenamiento en bater´ıas. Los buses que se escogen en este caso corresponden a buses que ya han sido incorporados en el Sistema de Transporte de la ciudad e Bogot´a. Las especificaciones m´as importantes se encuentran en la referencia (19).
En cuanto a las simulaciones realizadas en ADVISOR se definen los par´ametros para su estudio de acuerdo a la referencia dada. All´ı se considera entonces una configuraci´on para el sistema de almacenamiento de las bater´ıas como aspecto diferenciador con respecto al bus convencional. De igual manera, no se tienen en cuenta par´ametros correspondientes a las emisiones que se pueden producir por la ausencia de consumo de combustible.
3.1.2. Rutas de estudio
El Ciclo de Vida en el segmento correspondiente a Tank-to-Wheel se ve afectado por el re- corrido de los buses. En esta ruta se deben tener en cuenta aspectos tales como la velocidad y aceleraci´on que experimenta el veh´ıculo, las pendientes y el frenado del bus a lo largo de un re- corrido espec´ıfico. En este caso, se tomar´a como principal ruta de estudio la ruta 18-3 del Sistema Integrado de Transporte en Bogot´a. El mapa de la ruta se presenta en la figura3.1. Para esta ruta se realiza un an´alisis inicial de la distancia recorrida y la elevaci´on que se presenta en diferentes puntos del recorrido. Estos datos iniciales se toman como condiciones iniciales en el software de simulaci´on.
Figura 3.1: Ruta 18-3 Caso de estudio
3.2. Trabajo Computacional
Para el desarrollo del proyecto, como se menciona en ocasiones anteriores, se utiliza una herrra- mienta de simulaci´on denominada ADVISOR. Esta herramienta surge como un software dise˜nado en Matlab y ejecutado en Matlab. Como parte de la herramienta, ADVISOR permite la visualiza- ci´on de librer´ıas que componen el software de simulaci´on. Entre estas librer´ıas se evidencia una especialmente ´util denominada ”data”.
La librer´ıa ”data”permite el acceso directo a los c´odigos de programaci´on de partes t´ecnicas del veh´ıculo. Las secciones a las cuales se puede acceder y por tanto modificar son:
Accesory: Hacen referencia a las cargas auxiliares adicionales al tren que deben ser consi- deradas.
Control: El control del motor es el que determina si el motor debe estar encendido o apagado y a qu´e velocidad debe ser activado el cig¨ue˜nal.
Drive Cycle: Este ciclo corresponde a la ruta y los par´ametros que debe seguir el veh´ıculo en la simulaci´on.
Energy Storage:Modela el sistema de bater´ıas de un veh´ıculo el´ectrico. Se tienen cuatro modelos que permiten un comportamiento no lineal y esperado. En este caso se utiliza el modelo de cargas capacitivas y resistivas.
Exhaust: Simula el exhosto del convertidor de combustible para el veh´ıculo. Para el caso de combustion interna, se compone de un colector, una bajante, un conversor catal´ıtico y un silenciador. La salida principal de este sistema corresponde a las emisiones del tubo de escape (HC, CO, NOx, and PM) en funci´on del tiempo.
Fuel Converter: Simula la fuente de energ´ıa del veh´ıculo. En el caso de combusti´on interna se convierte el combustible en energ´ıa utilizable para el tren motriz.
Generator: El generador traduce el torque y las velocidades dadas, por un motor de calor, a una potencia el´ectrica.
Motor: El controlador del motor traduce el torque y las velocidas pedidas, a potencias el´ectricas pedidas y las convierte en potencia actual para salida de velocidad y torque.
Transmission: Transmite el torque desde el motor hasta el eje. Esta se compone de la caja de cambios y un conversor hidr´aulico de torque.
Vehicle:Se consideran c´alculos de balance de fuerzas y velocidades que influyen en las llan- tas. Aqu´ı por tanto se definen los pesos relativos al chasis del veh´ıculo.
A partir de los par´ametros y librer´ıas anteriormente definidas, se ejecuta el programa y se selec- cionan configuraciones guardadas de acuerdo con las necesidades. Como parte de los resultados obtenidos por la simulaci´on, se puede evidenciar el comportamiento del ciclo, el manejo de la caja de cambios y el almacenamiento durante el ciclo. Finalmente se presenta un comportamiento del escape y las emisiones producidas por el mismo. Adicional a ello se presenta un an´alisis de la utilizaci´on de energ´ıa en kJ, y gr´aficas que muestran las p´erdidas en modo de potencia y modo regenerativo para el caso de los veh´ıculos el´ectricos e h´ıbridos.
3.3. Metodolog´ıa de Prueba
Para la validaci´on del trabajo se har´a uso de diferentes referencias y aspectos que permitan com- probar qu´e tan acertados son los datos obtenidos. En primer lugar se valida que los datos obtenidos tienen sentido a partir de las curvas presentadas en la simulaci´on. Como una primera aproximaci´on se debe evidenciar que el bus cumple con la trayectoria definida parcialmente. Esto evidencia que el comportamiento del bus dentro del ciclo es coherente y puede arrojar los resultados esperados.
De igual manera es importante validar la energ´ıa obtenida para cada uno de los casos y el gasto dependiendo de la parte del tren del bus. Para comprobar la certeza de los datos de energ´ıa, se realiza la comparaci´on con algunos de los art´ıculos de investigaci´on que ya se han realizado anteriormente. En este caso, la referencia m´as relevante consiste en el paper del caso de Curitiva por Dreier (3). De igual manera se tienen en cuenta los estudios antes mencionados.
Para las emisiones obtenidas, ADVISOR tiene como parte de la documentaci´on una validaci´on de las emisiones basado en valores est´andar de cada una de las emisiones. Recordemos que entre las emisiones que se presentan dentro de los resultados se tiene hidrocarburos (HC), Mon´oxi- do de Carbono (CO), ´oxidos de nitr´ogeno (N OX) y finalmente material particulado (PM). Estos est´andares hacen parte de la base de datos de NREL.
3.4. Alternativas de desarrollo
Debido a que se trabaja con una herramienta de simulaci´on predise˜nada, se tienen ya algunas configuraciones guardadas en librer´ıas para diferentes tipos de veh´ıculos. El estudio toma como base algunas de estas configuraciones en base a la similitud con el bus escogido pero se realizan cambios de algunos otros par´ametros de acuerdo a las necesidades. Entre los par´ametros en los cuales se realizaron modificaciones es importante resaltar el sistema de transmisi´on y el sistema de conversi´on de combustible, en los cuales se realizan cambios en la caja y en el torque y velocidades del conversor.
CAP´ITULO 4
Resultados
Los resultados se ilustran de acuerdo a dos configuraciones espec´ıficas, las creadas para el caso de veh´ıculos de combusti´on interna convencionales, y el caso de veh´ıculos el´ectricos con almacenamiento por bater´ıas. En las siguientes subsecciones se ilustran los resultados de cada una de las tecnolog´ıas.
4.1. TransitBus convencional (VOLVO)
4.1.1. Ciclo del veh´ıculo
El ciclo del veh´ıculo de acuerdo a la herramienta ADVISOR se simula de manera que se obtie- ne:
Figura 4.1: Ciclo del veh´ıculo
De acuerdo con los datos, la curva azul corresponde a la curva de velocidades en el tiempo.
La curva verde por otro lado, hace referencia a la curva de elevaci´on, esta se evidencia como el cambio en elevaci´on al nivel del mar de acuerdo con la gradeabilidad1.
Con las siguientes caracter´ısticas:
Cuadro 4.1: Caracter´ısticas del ciclo a simular Caracter´ısticas del ciclo
Tiempo 4669s
Distancia 27.65km
Max. Velocidad 57.64km Velocidad prom 21.32km Max. Aceleraci´on 3.02m/s2 Max. Desaceleraci´on -2.05m/s2
Aceleraci´on prom 0.27m/s2 Desaceleraci´on prom -0.19m/s2
Inactividad 4s
Num. Paradas 3
Max Grad. Subida 25 % Grad. Subida prom 2.8 % Max Grad. Bajada 34.7 % Grad.Bajada prom 3 %
Esta curva se obtuvo de mediciones experimentales con la ruta 18-3. De acuerdo con la ruta que sigui´o el bus en ese instante se presenta gran cantidad de fluctuaciones que pueden dificultar la simulaci´on del veh´ıculo. En el caso del veh´ıculo Diesel convencional, ADVISOR evidencia problemas para seguir esta ruta de la misma manera. De igual forma, los resultados obtenidos se llevar´an acabo siguiendo una ruta similar permitida por el veh´ıculo simulado.
La ruta seguida por el veh´ıculo simulado se evidencia entonces en la figura4.2. Aunque posee un comportamiento muy similar al esperado, en algunos de los casos el software presenta adver- tencias en la ejecuci´on dado que el veh´ıculo no puede seguir el mismo ciclo. En muchos casos estas diferencias se experimentan por la dificultad de seguir la gradeabilidad que posee el ciclo.
Estos cambios dr´asticos de gradeabilidad se pueden producir por discrepancias en los datos.
1Cambio en la pendiente del ciclo.
Figura 4.2: Ciclo simulado Veh´ıculo convencional
La etiqueta ”kpha”de la gr´afica anterior corresponde al ciclo que sigue el veh´ıculo, y la etiqueta c¸yc kph r” hace referencia al ciclo introducido en el software ADVISOR que se espera que el veh´ıculo siga.
De manera m´as detallada se pueden ver las diferencias entre la velocidad esperada y la veloci- dad obtenida en el ciclo del veh´ıculo (Ver figura4.3).
Figura 4.3: Velocidad esperada vs velocidad obtenida
La relaci´on entre la velocidad y el torque a lo largo del recorrido se evidencia en la figura4.4.
Figura 4.4: Torque vs Velocidad Convencional
4.1.2. Utilizaci´on de energ´ıa
La utilizaci´on de energ´ıa es el aspecto m´as importante del estudio. La eficiencia de la tecnolog´ıa es lo que va a traer consigo la determinaci´on y la adecuada selecci´on de la tecnolog´ıa. La utilizaci´on de energ´ıa en el caso de combusti´on interna se va a ver principalmente en el combustible y el proceso de transformaci´on del combustible en energ´ıa mec´anica. Los resultados del consumo de energ´ıa en t´erminos de kJ se evidencian en la tabla4.2.
Cuadro 4.2: Utilizaci´on de energ´ıa Veh´ıculo Convencional Utilizaci´on de energ´ıa (kJ)
Entrada Salida P´erdida Eficiencia
Combustible 0 609478 - -
Convertidor 609478 198696 410782 0.33
Embrague 132866 128338 4528 0.97
Caja de cambios 148338 109087 19251 0.85
Transmisi´on final 109087 109087 0 1
Llanta/Eje 109087 106471 2616 0.98
Frenado - - 37660 -
Cargas Aux. 93380 0 93380 0
Aero - - 7516 -
Rolling - - 36917 -
Esta informaci´on se puede visualizar de una mejor manera a partir de la figura de p´erdidas4.5.
Figura 4.5: P´erdidas de energ´ıa veh´ıculo convencional
4.1.3. Emisiones del veh´ıculo
Para el caso del veh´ıculo Diesel, se va a presentar un valor significativo en cuanto a las emi- siones producidas. Esta producci´on de contaminantes se debe principalmente a la propulsi´on con combustible l´ıquido en el bus. En la tabla4.3 se presentan las emisiones obtenidas en este ciclo (Se debe tener presente que el bus simulado posee 330hp). De igual manera se puede observar el
comportamiento y las emisiones que va emitiendo el veh´ıculo a lo largo del recorrido (Ver figura 4.6).
Cuadro 4.3: Emisiones obtenidas Tank-to-Wheel TransitBus convencional Emisiones (g/kWh)
HC CO NOx PM
0.15 0.024 6.08 0.01
Figura 4.6: Emisiones a lo largo del ciclo veh´ıculo convencional
Aunque el mon´oxido de carbono suele ser el compuesto m´as conocido en cuanto a emisiones, en realidad este es bastante reducido en comparaciones con los ´Oxidos de Nitr´ogeno y los hidrocar- buros. De acuerdo con la figura4.6se evidencia que los hidrocarburos se producen en su mayor´ıa al inicio del ciclo, mientras que los ´oxidos se producen continuamente en todo el recorrido.
Para el caso del di´oxido de carbono se toma como referencia el consumo de combustible diesel en el recorrido. De acuerdo con los datos obtenidos, el consumo de combustible fue de 61.8L/100km lo que hace referencia entonces a emisiones de CO2 correspondientes aproxima- damente a 1632g/km. Este resultado es considerablemente alto teniendo en cuenta los valores de emisiones est´andares para los dem´as compuestos que se generan. Estas emisiones tan elevadas se pueden producir por el constante cambio que se evidencia en el ciclo implementado. Dado que en muchos casos el software modela casos hipot´eticos y ciclos sencillos, es posible que no modele de la mejor manera el consumo de combustible en los casos en los cuales hay cambios constantemente en el ciclo.
4.1.4. Relaci´on de transmisi´on general
Como parte de los resultados, de igual manera se obtiene el comportamiento de la transmisi´on a lo largo del recorrido. Sabemos que este aspecto puede influir de manera significativa en el consumo de combustible y en el consumo de energ´ıa durante el ciclo del veh´ıculo. Con base a
esto, en la figura4.7se evidencia el comportamiento de la relaci´on de transmisi´on general, la cual permite observar el funcionamiento de la caja de cambios a partir de la relaci´on entre el torque y la velocidad del veh´ıculo.
Figura 4.7: Relaci´on de transmisi´on general veh´ıculo convencional
4.2. TransitBus el´ectrico (Yutong)
4.2.1. Ciclo del veh´ıculo
El ciclo del veh´ıculo que se espera modelar posee las mismas caracter´ısticas que el de combus- ti´on interna (Ver figura4.1). De igual manera, en la figura4.8 se muestra el comportamiento del veh´ıculo siguiendo este ciclo en la simulaci´on.
Figura 4.8: Ciclo simulado veh´ıculo TransitBus EV
Como se puede observar, en comparaci´on con el ciclo obtenido en el caso convencional, se observan m´as discrepancias que pueden ser un aspecto determinante a la hora de escoger la mejor alternativa energ´etica del veh´ıculo.
En la figura4.9se hace evidente que la diferencia entre las velocidades esperadas y las veloci- dades adquiridas es mucho mayor al caso convencional.
Figura 4.9: Velocidad esperada vs velocidad obtenida caso EV
Los valores de velocidad respecto al torque, se presentan entre los 1000rpm y los 2000rpm y para valores de torque entre -100Nm y los 500Nm (Ver figura4.10)
Figura 4.10: Torque vs Velocidad veh´ıculo EV
4.2.2. Utilizaci´on de energ´ıa
En este caso la utilizaci´on de la energ´ıa radica principalmente en el motor y el controlador del veh´ıculo. Dado que hay ausencia de consumo de combustible se puede obtener una mayor eficiencia y puede ser m´as evidente la utilizaci´on de energ´ıa en otras partes del tren motriz. En la tabla4.4se evidencia la utilizaci´on de energ´ıa del veh´ıculo en kJ. De igual manera, en las figuras 4.11 y 4.12 se muestra de manera general el consumo de energ´ıa tanto en el modo de potencia como en el modo regenerativo que se presenta en los veh´ıculos el´ectricos.
Cuadro 4.4: Utilizaci´on de energ´ıa TransitBus EV
Utilizaci´on de energ´ıa (kJ)
Modo de potencia Modo regenerativo
Entrada Salida P´erdida Eficiencia Entrada Salida P´erdida Eficiencia
Almacenamiento de energ´ıa 6211 71351 1621 0.85 - - - -
Energ´ıa almacenada -6876 - - - - - - -
Motor / Controlador 71351 51414 19937 0.72 7545 6211 1334 0.82
Caja de cambios 51414 40594 10820 0.79 7907 7545 0 1
Transmisi´on final 40594 40594 0 1 7907 7907 0 1
Llanta/Eje 40594 36253 4342 0.89 15257 15046 211 0.99
Frenado - - - - - - 7139 -
Aero - - 849 - - - - -
Rolling - - 7015 - - - - -
Figura 4.11: P´erdidas de energ´ıa modo de potencia TransitBus EV
Figura 4.12: P´erdidas de energ´ıa modo regenerativo TransitBus EV
4.2.3. Sistema de Almacenamiento
El sistema de almacenamiento en veh´ıculos el´ectricos juega un papel crucial en el desarrollo de las actividades y funcionamiento adecuado. El comportamiento que tiene el sistema de alma- cenamiento por bater´ıas para el bus Yutong se muestra en la figura4.13. Como es de esperarse la descarga de las bater´ıas no es lineal. Para el comportamiento de las bater´ıas se utiliz´o el modelo RC.
Figura 4.13: Comportamiento del sistema de almacenamiento en el tiempo
De igual manera, se puede evidenciar la eficiencia del sistema de almacenamiento en modo de carga y descarga, estas se muestran en las figuras4.14y4.15respectivamente.
Figura 4.14: Eficiencia en carga de Sistema de almacenamiento
Figura 4.15: Eficiencia en descarga de Sistema de almacenamiento
4.2.4. Emisiones del veh´ıculo
En este caso, dado que el veh´ıculo es completamente el´ectrico, en la fase operativa no produce ning´un tipo de emisiones. De este modo, las emisiones emitidas solo corresponden a la fase de producci´on de energ´ıa o al finalizar la vida ´util del sistema de almacenamiento.
4.3. Comparaci´on de tecnolog´ıas
De manera m´as explicita se muestra una comparaci´on de los aspectos m´as importantes para la selecci´on de cada una de las tecnolog´ıas (Ver tabla4.5). De manera resumida se puede observar que el consumo en el caso del bus convencional es mucho m´as elevado que en el caso el´ectrico. Este caso tambi´en presenta emisiones a diferencia del caso del bus el´ectrico. En el ´unico aspecto que se puede observar un mejor desempe˜no del bus de combusti´on interna corresponde al porcentaje fuera de ruta. En este caso se puede observar que el desv´ıo corresponde apenas al 1,04 %.
Cuadro 4.5: Comparaci´on de alternativas en fase de operaci´on
TransitBus Convencional TransitBus El´ectrico
Consumo Energ´ıa 22.16MJ/km Potencia Regenerativo
1.6MJ/km 1.9MJ/km
Eficiencia total del sistema 28.3 % 59.51 %
Mayor consumo Convertidor de combustible Motor/Controlador Emisiones est´andar Euro V
(g/kWh) HC CO NOx PM HC CO NOx PM
0.15 0.024 6.08 0.01 0 0 0 0
Emisiones CO2 1632g/km 0
Porcentaje fuera de ruta 1.0388 % 7.454 %
CAP´ITULO 5
Validaci´on del trabajo
5.1. Validaci´on de los resultados del trabajo
Para el caso del veh´ıculo TransitBus convencional, se presenta un consumo total de energ´ıa equivalente a 22.16MJ/km. De esta energ´ıa, lo que corresponde al gasto generado por el convertidor de combustible es aprovimadamente 14.86MJ/km. De acuerdo con los datos est´andar de papers anteriores tales como Dreier (3), los valores usuales de energ´ıa consumida por kil´ometro recorrido se encuentran entre los 20MJ/km y los 25MJ/km. De acuerdo con esto, los valores obtenidos de energ´ıa son cercanos a lo esperado y de hecho se encuentran cercanos a los valores m´ınimos de energ´ıa.
Por otro lado, las emisiones que se presentan en la simulaci´on correspondientes a Tank to Wheel se comparan con los est´andares para Chile en el caso de veh´ıculos de carga Euro V. De acuerdo con esto, los resultados no se acercan mucho a los est´andares y se mantienen bastante bajos. En este caso, los est´andares para cada uno de las emisiones se muestran el la tabla5.1.
Cuadro 5.1: Valores est´andar de emisiones Emisiones (g/kWh)
HC CO NOx PM
0.46 1.5 3.5 0.02
De acuerdo con la tabla anterior y comparando con las emisiones obtenidas, se evidencia que el valor de las emisiones de los ´oxidos de nitr´ogeno son muy elevadas para los est´andares. Esto se puede deber a diferentes factores tales como la fluctuaci´on tan significativa de las aceleraciones en el ciclo. De igual manera se evidencia que las emisiones en los dem´as factores son reducidas comparado con los est´andares. Esto puede deberse a que se utiliza una de las generaciones m´as recientes de Euro V para las simulaciones. El material particulado en este caso s´ı se asemeja a los
est´andares, es bastante reducido y esto se debe a que el Euro V busca minimizar las emisiones en material particulado.
En el caso de los veh´ıculos el´ectricos simulados, se presenta el caso de un TransitBus con tren motriz el´ectrico con bater´ıas. La p´erdida de energ´ıa evidenciada en las simulaciones es de 1.6MJ/km para el caso de potencia, y de 1.9MJ/km para el modo regenerativo. Dado que en este caso no se presenta consumo de combustible, no se presenta una p´erdida significativa de energ´ıa.
Es por esta raz´on que la bater´ıa tiene una autonom´ıa de m´as de 4 horas.
CAP´ITULO 6
Discusi´on
Con el fin de obtener una comparaci´on certera y una afirmaci´on sobre la mejor tecnolog´ıa se deben tener presentes varios aspectos. Para la selecci´on de la tecnolog´ıa se consideran los siguien- tes:
Seguimiento del ciclo definido por el veh´ıculo simulado.
La utilizaci´on de energ´ıa en el veh´ıculo.
La eficiencia de los sistemas de almacenamiento correspondientes a los veh´ıculos el´ectricos.
Las emisiones obtenidas en la fase de operaci´on por ambos veh´ıculos.
En primer lugar, el seguimiento del ciclo por cada uno de los veh´ıculos es similar, m´as a´un es evi- dente que el veh´ıculo m´as eficiente para seguir dicho ciclo consiste en el TransitBus convencional.
El hecho de que para este veh´ıculo sea m´as f´acil recorrer dicho camino con las mismas veloci- dades y gradeabilidad se puede deber a la facilidad de cambio en la relaci´on total de la caja de cambios del veh´ıculo. En la figura4.7se puede observar que existe un constante cambio en la caja de cambios de manera que se mantenga la relaci´on velocidad y torque. Esto genera una diferencia significativa con el caso el´ectrico debido a que en este caso la caja busca mantener siempre cons- tante la relaci´on entre velocidad y torque de la caja de cambios. Cabe resaltar que la potencia que cada uno de los veh´ıculos posee, difere considerablemente y por tanto puede generar discrepancias a la hora de seguir el ciclo. Para el caso del veh´ıculo TransitBus convencional, la potencia es de 330hp, mientras que para el caso del veh´ıculo TransitBus el´ectrico, la potencia que posee es de 288hp.
Otro de los aspectos relevantes corresponde a la utilizaci´on de la energ´ıa. Como se mencion´o en el cap´ıtulo anterior, la utilizaci´on de la energ´ıa para el caso del TransitBus convencional se basa principalmente en el consumo del combustible y el proceso de combusti´on como tal. La fase de combusti´on corresponde a aproximadamente al 67 % de la energ´ıa total consumida durante el
ciclo del veh´ıculo. Los valores de p´erdida de energ´ıa totales se mantienen en aproximadamente 22.16MJ/km para el caso de combusti´on interna. Estos valores se encuentran en el rango normal de consumo de energ´ıa teniendo en cuenta par´ametros tales como el n´umero de pasajeros, las cargas auxiliares como el aire acondicionado, y el sistema de frenado.
Dado que el tren motriz del TransitBus es completamente diferente al sistema de combusti´on interna, el consumo de energ´ıa que se evidencia en la fase de operaci´on se centra entonces en otras partes del tren. En este caso, el mayor consumo de energ´ıa se presenta en el motor o controlador.
Aunque su consumo es considerable con respecto a las otras cargas, este tambi´en es muy reducido en comparaci´on con el convertidor de combustible en el caso convencional. La energ´ıa consumida por el motor y controlador corresponde a apenas 0.769MJ/km, y la energ´ıa total consumida por el veh´ıculo es de 1.94MJ/km.
Al comparar ambas tecnolog´ıas, se hace evidente que la utilizaci´on de energ´ıa en el caso del veh´ıculo el´ectrico es considerablemente menor que el caso del veh´ıculo Diesel. Tomando el con- sumo de energ´ıa, la p´erdida de energ´ıa para el veh´ıculo el´ectrico es aproximadamente el 9 % de la energ´ıa consumida por el veh´ıculo de combusti´on interna. De igual manera, aunque existe un con- sumo elevado de energ´ıa por parte del bus convencional, la eficiencia del sistema en ambos casos no difiere significativamente. Como se evidencia en los resultados, la eficiencia que corresponde al bus Diesel es de 7,3 % y la eficiencia del bus el´ectrico es de 11,8 %
Tomando como punto de vista el consumo de energ´ıa en el caso del veh´ıculo el´ectrico, se hace necesario un estudio de la eficiencia que presentan las bater´ıas para saber la autonom´ıa que estas podr´ıan tener al realizar los recorridos. El sistema de almacenamiento como tal tiene una eficiencia del 85 % y de acuerdo a las figuras 4.14y 4.15 se mantiene constante a lo largo de todo el ciclo entre el 80 % y 90 % para la carga, mientras que en la descarga, la eficiencia va reduciendo con el tiempo pero se mantiene mayor al 80 %. Los valores de eficiencia por tanto se ubican entre los valores normales y la autonom´ıa de las bater´ıas se encuentra alrededor de las 3 o 4 horas.
Como ´ultimo aspecto a tener en cuenta, las emisiones producen un impacto ambiental que se busca reducir al m´ınimo. De acuerdo a los resultados obtenidos es evidente que existe una emisi´on para el caso del veh´ıculo convencional. De igual manera, aunque los valores se encuentren dentro de los valores est´andares para EURO V, el hecho de que el veh´ıculo convencional produzca emisiones y el veh´ıculo el´ectrico no, ya supone una desventaja sobre esta tecnolog´ıa (Diesel). Es importante resaltar que las emisiones de CO2que no hacen parte de los est´andares y constituyen la mayor contaminaci´on, corresponde a un valor muy elevado de cerca de 1632g/km. Aunque estos valores se obtienen a partir del consumo de combustible de la simulaci´on, puede que estos se encuentren elevados para un caso real. De todas maneras, las emisiones tan elevadas en cuanto a este compuesto, sugieren una pronta transformaci´on a veh´ıculos el´ectricos dado que no representan valores significativos de emisiones.
CAP´ITULO 7
Conclusiones
La tecnolog´ıa de combusti´on interna es una tecnolog´ıa m´as eficiente en t´erminos de desempe˜no a la hora de su implementaci´on. Los veh´ıculos el´ectricos poseen una menor capacidad de potencia y por tanto, pueden no cumplir con todas las necesidades. M´as a´un, considerando que el caso es para la ciudad de Bogot´a y que las fluctuaciones del ciclo pueden ser dadas por la incertidumbre de la medici´on, los buses el´ectricos estar´ıan en la capacidad de cumplir con todas las funciones para ser incorporados en el sistema de transporte.
Respecto a la energ´ıa consumida en cada uno de los casos, se muestra una tendencia hacia los veh´ıculos el´ectricos con sistema de almacenamiento. Esto se debe a grandes rasgos porque no hay un consumo de combustible como en el caso del TransitBus convencional, el cual hace que el consumo de energ´ıa se encuentre muy por encima del consumo de energ´ıa del caso el´ectrico. En el veh´ıculo el´ectrico la energ´ıa perdida durante el ciclo corresponde a menos del 10 %.
Las emisiones en la fase de operaci´on son nulas para el tren motriz el´ectrico. Contrario a esto, el veh´ıculo convencional por su utilizaci´on de combustible, genera valores en cuanto a las emisio- nes. Para este caso particular se present´o un valor alto en cuanto a los ´oxidos de nitr´ogeno pero considerablemente bajo para las dem´as emisiones. En gran parte aunque las nuevas generaciones permiten una disminuci´on significativa de las emisiones, estas se siguen presentando.
Tomando entonces la comparaci´on de las dos tecnolog´ıas se afirma que la mejor tecnolog´ıa para el sistema de transporte de la ciudad de Bogot´a corresponde al veh´ıculo TransitBus el´ectrico con sistema de almacenamiento. Es importante resaltar que aunque las bater´ıas pueden generar un impacto ambiental a futuro, la vida ´util de las mismas es bastante larga y por tanto el impacto puede ser menor al que producen las emisiones en los veh´ıculos de combusti´on interna. Recordemos que estos resultados de Ciclo de Vida se basan solamente en la fase de operaci´on o ”Tank-to-wheel”.
Es importante reconocer que la fase de ”Well-to-Tankc¸ontribuye en aproximadamente 20 % de las emisiones. De acuerdo con esto, se espera continuar con la investigaci´on relacionada con veh´ıculos de transporte masivo para la fase de producci´on de energ´ıa. Con el estudio de esta fase se puede obtener un an´alisis completo de an´alisis de Ciclo de Vida.
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ANEXOS
Cuadro 1: Par´ametros ADVISOR TransitBus Convencional
TransitBus Convencional
Accesory ACC-HEAVY Cargas auxiliares del TransitBus convencional
Control PTC-HEAVY Control gearbox
Drive cycle CYC-SKELETON Se modifica todo con dato de velocidad vs tiempo y gradeabilidad vs tiempo.
Estos datos se obtuvieron de mediciones con aceler´ometro de la ruta 18-3.
Energy storage ESS-NULL No storage
Exhaust EX-CI Exosto gen´erico para veh´ıculos de combusti´on interna
Fuel converter FC-CI205emis Se toma referencia para veh´ıculos de carga y se cambia cilindaje a 7.7L y torques y velocidades de acuerdo a datasheet Volvo.
Generator GC-NULL No aplica
Motor N/A No aplica
Transmission ZFECOLIFE6AP1200C Se modificaron ratios y n´umero de cambios de acuerdo a datasheet.
Automatica 6 velocidades.
Wheel WH-HEAVY Referencia 295/75R22.5
Vehicle VEH-RTS06 Chasis de TransitBus articulado
Cuadro 2: Par´ametros ADVISOR TransitBus El´ectrico
TransitBus EV
Accesory ACC-HEAVY Cargas auxiliares del TransitBus convencional
Control PTC-EV Control gearbox
Drive cycle CYC-SKELETON Se modifica todo con dato de velocidad vs tiempo y gradeabilidad vs tiempo.
Estos datos se obtuvieron de mediciones con aceler´ometro de la ruta 18-3.
Energy storage ESS-PB91 Capacidad de 91Ah, las bater´ıas Yutong son de 90Ah. Se modela bajo cargas resistivas y capacitivas.
Exhaust EX-NULL No aplica
Fuel converter FC-NULL No aplica
Generator GC-NULL No aplica
Motor MC-AC75 Motor con modificaciones de torque y velocidades de acuerdo a datasheet Yutong.
Transmission ZF4HP590 Se modificaron ratios y n´umero de cambios de acuerdo a datasheet.
Manual 4 velocidades.
Wheel WH-HEAVY Referencia 295/75R22.5
Vehicle VEH-RTS06 Chasis de TransitBus articulado
