el vehículo eléctrico desde el punto de vista energético

126 de julio de 2010

El vehículo eléctrico desde el punto El vehículo eléctrico desde el punto de vista energéticode vista energético

Jesús Palma del Val Investigador Senior

Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Energía - IMDEA Energía


Índice

1.Introducción

2.Impacto energético

3.Eficiencia energética

4.Almacenamiento de energía

5.Estado de la tecnología y tendencias

6.Conclusiones y perspectivas de

futuro


Valoración del interés actual por el vehículo eléctrico y la electrificación del transporte por carretera.

1. Introducción


1. Introducción

• Reducción dependencia del petróleo• Reducción emisiones CO2• Reducción emisiones gases contaminantes• Reducción contaminación acústica

¿El vehículo eléctrico es una moda pasajera?

• El transporte supone el 39,35% del consumo de energía final• El 98,8%de la energía consumida en el transporte procede del petróleo• El transporte supone el 29,4%del total de emisiones de CO2


• 1831: Invención del motor eléctrico • 1842: Primeros modelos eléctricos útiles• 1859: Invención de la batería de plomo recargable• 1899: El 90% de los taxis de Nueva York son eléctricos • 1900: Se venden más coches eléctricos que de gasolina y vapor juntos

1900 1910 1951 20101997

El vehículo eléctrico no es un invento reciente

1. Introducción

• 1915: Comienza a imponerse el motor de combustión interna• 1935: El vehículo eléctrico prácticamente desaparece• 1973: La crisis del petróleo reabre el interés por los vehículos eléctricos• 1990-2000: Normas y acuerdos sobre reducción de emisiones de CO2

• 2000-2010: Las principales marcas lanzan modelos híbridos y eléctricos


Comentarios sobre el impacto del vehículo eléctrico en la generación transporte y distribución de electricidad

2. Impacto energético



¿Qué novedades presenta la situación actual?

• Excedente eléctrico de origen renovable• Alta contribución de generación renovable

• La dependencia energética española en 2008 fue del 81%, superior a la media europea del 50%

• La producción de energías renovables representó en 2009 el 26%de la producción total de electricidad

• La tasa de emisiones del sector eléctrico fue de 279 g CO2 / kWh en 2009

En España


Necesidades red eléctrica

• Almacenamiento electricidad• Aprovechamiento de excedentes

renovables• Suavizado de picos y valles de

demanda

Oportunidad para el la introducción masiva del vehículo eléctrico

J. Tollefson - Nature 456 (2008) 436-440



Previsión de vertidos renovables 2016

• De 1.000 a 2.000 GWh/año según escenario• Energía para 350.000 – 700.000 vehículos eléctricos

Parque vehículos en España

• 28 millones de vehículos en 2010• Electrificación consumiría 80 TWh• Aumento del 30% sobre consumo

eléctrico actual

Vehículos eléctricos en España

• 1 millón de vehículos eléctricos en 2014 (previsión Ministro Industria)• Consumo estimado de 3 TWh• Aumento del 1% sobre el consumo actual



Impact on electricity demand

Fuente: https://demanda.ree.es/comparativa_curvas.html

Curva diaria de demanda

• Demanda inferior a la media 8 horas/día• Importante diferencia de demanda entre picos y valle• Capacidad excedente debido a las renovables



Gestión inteligente de la demanda

24.000

26.000

28.000

30.000

32.000

34.000

36.000

38.000

40.000

42.000

44.000

46.000

48.000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Hora

Dem

and

a (M

W)

• Llenado de valles hasta alcanzar consumo medio permite aumento del 7,5%• Electricidad para 6,8 millones vehículos (24% del parque actual)• No son necesarias inversiones significativas en la red

Fuente: https://demanda.ree.es/comparativa_curvas.html

24.000

26.000

28.000

30.000

32.000

34.000

36.000

38.000

40.000

42.000

44.000

46.000

48.000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Hora

Dem

and

a (M

W)



24.000

26.000

28.000

30.000

32.000

34.000

36.000

38.000

40.000

42.000

44.000

46.000

48.000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Hora

Dem

and

a (M

W)

Source: https://demanda.ree.es/comparativa_curvas.html

24.000

26.000

28.000

30.000

32.000

34.000

36.000

38.000

40.000

42.000

44.000

46.000

48.000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Hora

Dem

and

a (M

W)

•Llenado de valles hasta alcanzar el consumo pico permite aumento del 18%•Electricidad para 16 millones vehículos (57% de parque actual)•Necesario almacenamiento masivo de energía y TICs para gestión inteligente


Gestión inteligente de la demanda


3. Eficiencia energética

Consideraciones acerca de la eficiencia energética de los vehículos eléctricos, con especial atención a la influencia del peso.



Mejora de la eficiencia energética

• Cambios en los modos de conducción• Mayor eficiencia de los componentes• Reducción de peso



Componentes más eficientes

• Reducción del coeficiente aerodinámico• Reducción de la fricción de rodadura• Frenado regenerativo• Transmisión variable continua• Aumento de la tensión del sistema eléctrico• Motor de combustión a potencia constante (híbridos)



Subaru R1e “switch”, 870 kgprototipo 2006

Mitsubishi Colt electric, 1‘150 kgprototipo 2006

VW Lupo 3l(diesel): 900 kg

Consumo = 0.015 · Peso + 3.23(kWh/100km) (kg)

Reducción de peso del vehículo



Peso (kg)

Consumo (kWh/100km)

Batería (kg)

Autonomía (km)

1500 25 150 100

1000 18 150 135

500 11 150 220

Peso (kg)

Consumo (kWh/100km)

Batería (kg)

Autonomía (km)

1500 25 235 150

1000 18 170 150

500 11 100 150

• Baterías almacenan poca energía (< 160 Wh/kg)

• Modelos ultraligeros de autonomía normal

• Modelos convencionales de baja autonomía

Reducción de peso de la batería


4. Almacenamiento de energía

Análisis de las dificultades para almacenar la energía que necesita el vehículo eléctrico y de las alternativas tecnológicas actuales


Calculation bases - vehicles

A. Ceña, J. Santamarta – Energías Renovables, Jun. 2008, 66-80


Vehículo con motor de combustión interna

•Consumo 43 kWh/100 km 5 L/100 km •Combustible (gasoil) 12.7 kWh/kg 8.7 kWh/L•Autonomía 1000 km para un tanque de 50 L

Vehículo eléctrico

•Consumo medio 20 kWh/100 km


Storage Technologies

Tipo de almacenador Peso (kg)

Gasoil 34

Li-aire 118

Al-aire 133

Zn-aire 550

Li-ion 1.250

Ni-hidruros 2.220

Pb-acido 5.700

Supercondensador 22.000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000W

eig

ht

(kg

)

Diesel Li-ion Ni-MeH Pb-acid SC

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

We

igh

t (k

g)

Diesel Li-air Al-air Zn-air Li-ion

Autonomía equivalente a la de un depóstio de 50 L de gasoil (1000 km)



Tipo almacenador Autonomía (km)

Gasoil 1000

Li-aire 288

Al-aire 255

Zn-aire 62

Li-ion 27

Ni-hydruros 15

Pb-acido 6

Supercondensador 1,7

Peso equivalente al de un depósito de 50 L de gasoil (34 kg)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Ran

ge

(km

)

Diesel Li-air Al-air Zn-air Li-ion

0

5

10

15

20

25

30

Ran

ge (k

m)

Li-ion Ni-MeH Pb-acid SC



¿Hay tecnologías de almacenamiento adecuadas?

V. Srinivasan, 2008

•No para los vehículos eléctricos•Sí para los requisitos de los vehículos híbridos




Recorridos diarios < 100 km: 90%Recorridos diarios < 50 km: 68%

Recorridos diarios < 150 km: 92%Recorridos diarios < 100 km: 82%Recorridos diarios < 50 km: 58%

Estados Unidos Europa

Las soluciones actuales

•Vehículos eléctricos con autonomía limitada a 100 – 150 km•Para trayectos superiores vehículos híbridos


Motor combustión

Frenado regenerativo

Motor eléctrico

Batería

Combustible

MCI

Batería

Batería



Motor eléctrico

Motor eléctrico

Combustible


Hidrógeno

Pila combustible

Batería

La gran familia de los híbridos

•Parada-aranque: Motor eléctrico para arrancar el motor de combustión•Ligeros: Motor eléctrico suministra potencia extra al de combustión •Paralelo: Combinación de motor eléctrico y de combustión más

adecuada•Serie: El motor de combustión se usa para recargar la batería•Enchufables: La batería se recarga con una conexión externa a red.

Motor eléctrico

HEV PHEV FCEV BEV



Evolución de las diferentes tecnologías



5. Estado de la tecnología

Resumen del estado actual de las tecnologías de almacenamiento de energía y de la tendencias en I+D

2726 de julio de 2010J. Tollefson. Nature 456 (2008) 436-440



Objetivos baterías Litio-ión

•Aumentar energía por unidad de volumen o peso (200 Wh/kg)•Acortar tiempo de carga sin reducir tiempo de vida útil•Reducir costes•Mejorar Seguridad •Aumentar fiabilidad

2010 2015 2020

Energía (Wh/kg) 100 150 200

Coste (€/kWh) 500 300 150

Ciclos 1.500 3.000 5.000

Duración (años) 5 10 15

Autonomía (km) 100 150 200



B. Kang & G. Ceder. Nature 458 (2009)190

http://www.a123systems.com/a123/technology/power

Recarga rápida

•Sistemas basados en nanopartículas de LiFePO4•A123: dispositivos comerciales que se recargan en < 15 min•MIT: pruebas de laboratorio de carga y descarga en segundos



Li-ion battery

P. Poizot et al. Nature 407 (2000) 496-499

K. Amine and Z. Chen, ANL, ref. NYT August 24, 2009STOBA by ITRI, Taiwan

Ampliación del tiempo de vida

•Sistemas nanométricos de óxidos metálicos en lugar de carbón•Menores tensiones por cambios de volumen•Mayor estabilidad en ciclos de carga y descarga

Mejora de la seguridad

•Materiales de barrera que forman películas protectoras a T> 130ºC•Sumideros de electrones de fluoruro de boro en caso de

sobretensión



¿Que pasa con el Litio?

Fuente: Nature 464 (2010) 331

En contra

Reservas en muy pocos países, Bolivia, Afganistán, Chile…Reciclado poco desarrollado


A favor

Contenido muy bajo (1/8 del Co o Mn)Abundancia relativa media (1/2 del Co)Abundancia relativa mayor que Pb, Sn, In, Ge…


Baterías metal-aire

Li-ión Zn-aire Al-aire Li-aire

Energía específica (Wh/kg) 200 350 1.500 1.700


Más allá del Litio-ión


Recarga eléctrica

Electrolitos estables a potenciales muy reductoresElectrodo de aire estable en entorno fuertemente oxidante

Potencia específica

Ayudas a la reacción del electrodo de aire en la descargaEvitar la migración de O2 y agua hacia el electrodo metálicoCatalizadores para la reacción de oxígenoEvitar la pasivación del electrodo metálico


Más allá del Litio-ión: Baterías metal-aire


Objetivos pilas de combustible

•Ampliar autonomía (almacenamiento de hidrógeno)•Ampliar tiempo de vida útil•Reducir costes•Mejorar Seguridad •Aumentar fiabilidad

2010 2015 2020Contenido Pt

(mg/kW)1000 300 100

Duración (años) 5 10 15

Autonomía (km) 300 500 700


Más allá del Litio-ión: Pilas de combustible


Almacenamiento de hidrógeno

•Hidrógeno a 700 atm. en depósitos resistentes y ligeros (fibra de carbono)

•Sistemas de almacenamiento químico (hidruros)•Sistemas de almacenamiento físico (MOFs)


J. Tollefson. Nature 464 (2010) 1262-1264

Más allá del Litio-ión: Pilas de combustible


6. Conclusiones

Conclusiones y perspectivas de futuro.


6. Conclusiones

Tecnología

•El vehículo eléctrico es una oportunidad para el sistema eléctrico actual

•La tecnología actual está lista para los vehículos híbridos

•El vehículo eléctrico puro tiene su punto débil en la batería

•Las baterías del futuro dependen de los avances en CyT de materiales


6. Conclusiones

Medio Ambiente

•El vehículo híbrido reduciría las emisiones de CO2 un 25% (100 g/km)

•Con el mix actual de generación, el vehículo eléctrico reduciría las

emisiones de CO2 un 60% (55 g/km)

•El vehículo eléctrico alimentado a partir de renovables reduciría las

emisiones de CO2 un 98% (3 g/km)

M .de la Guradia. Nissan Iberia 2010


6. Conclusiones

Mercado

•La fuerza impulsora del vehículo eléctrico es la generación renovable•El vehículo eléctrico es una oportunidad para el sistema eléctrico actual•La infraestrucutra eléctrica actual puede absober 6,8 M de vehículos•Los vehículos eléctricos e híbridos podrían dominar el mercado en 2030

el vehículo eléctrico desde el punto de vista energético

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