Presente y futuro de la automoción.

Una revisión de tecnologías y vectores energéticos

Autores: Jesús Casanova Kindelán y Almudena García Jiménez. Departamento de Ingeniería Energética. Universidad Politécnica de Madrid.

Actualmente parece ya demostrado que el efecto invernadero es un problema que afectará a todos los países del mundo por lo que contribuir a reducir sus consecuencias es cada vez más acuciante. Debemos aceptar que, aunque el dióxido de carbono (CO₂) no es un gas tóxico ni contaminante para las ciudades y regiones, su emisión tiene efectos transfronterizos ligados al calentamiento global de la atmósfera, de consecuencias difícilmente previsibles. El 7% de las emisiones de CO₂ en el mundo provienen de Europa, mientras que EE.UU. y China suman el 45% de las mismas. De las que emite Europa, el 11,5% son vehículos industriales, incluyendo autobuses, y un 16 % los turismos.

A pesar de que la contribución del transporte por carretera en Europa a la emisión de los Gases de Efecto Invernadero, sobre todo el CO₂, es porcentualmente pequeña, para posibilitar una evolución de la movilidad hacia métodos capaces de reducir la contribución del sector del transporte, la Comisión Europea ha desarrollado una serie de directrices que abarcan hasta el año 2050. Tienen como objetivos actualmente que al acabar el 2030 se tengan 30 millones de turismos de “cero emisiones” en las carreteras europeas y que para 2050 no haya vehículos que emitan CO₂.

Para tener una visión de la situación actual y de las proyecciones de futuro, en el seno de la Cátedra Fundación Repsol en Transición Energética – Movilidad Sostenible de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid se ha realizado un estudio de los sistemas de propulsión y los vectores energéticos que actualmente se están estudiando en los centros de investigación independientes y de los fabricantes de vehículos y de energía, cuyas aportaciones principales se tratan en este documento.

Atendiendo al sistema de propulsión, los vehículos se pueden agrupar en tres grupos, en función de cuál sea el motor principal de propulsión:

• Propulsados por motores térmicos (siempre de combustión interna).
• Propulsados por motores eléctricos.
• Propulsados por sistemas mixtos térmicos y eléctricos (propulsión híbrida)

Dentro de cada uno de los tipos de motores hay diferentes subgrupos. Los que se propulsan por motor térmico pueden disponer de ayudas eléctricas para ciertas funciones y los de motor eléctrico pueden recibir la energía eléctrica de una batería o de una pila de combustible.

Los vehículos con motor térmico pueden ser de dos tipos, según el sistema de combustión y formación de mezcla:

• Vehículos con motor de encendido provocado (o por chispa) que usan combustibles de alta volatilidad y baja autoinflamabilidad como los hidrocarburos líquidos ligeros, éteres, alcoholes o hidrógeno.
• Vehículos con motor de encendido por compresión (o diésel) que usan combustibles de alta autoinflamabilidad como los hidrocarburos medios (gasóleo) y ésteres metílicos de ácidos grasos (biodiesel).

Esta dualidad de sistemas pierde parte de su validez con la aparición de los motores de tipo HCCI (Carga Homogénea Encendido por Compresión) de gasolina que encienden la mezcla por autoinflamación o con la recuperación de los sistemas de combustión “dual”, el motor consume simultáneamente dos combustibles como gasóleo y biogás u otro combustible ligero. No hay que confundirlo con los vehículos bi-combustible, éstos pueden consumir dos combustibles como gasolina y gas natural o GLP, pero no de manera simultánea. O incluso los poli-combustible, como los FFV (Flexible Fuel Vehicle) que pueden consumir mezclas con porcentajes variables de alcohol en gasolina.

Mirando al futuro de corto y medio plazo, esta situación se va a ver afectada por el efecto de la ‘electrificación’ del transporte, que implica la inclusión de máquinas eléctricas de ayuda a la propulsión o de gestión de los flujos de energía en el vehículo, que suelen incluir sistemas de recuperación de energía en retenciones y de acumulación de la energía eléctrica, y que pueden liberar esa energía para la propulsión o suministro a los servicios auxiliares, pero conservando de alguna forma el motor térmico que se complementa con el sistema eléctrico. Son los conocidos como vehículos híbridos (HEV: Hybrid Electric Vehicle).

En los que se propulsan por motores eléctricos, se pueden distinguir dos tipos muy diferentes: los vehículos eléctricos puros (BEV: Battery Electric Vehicle) en los que el motor eléctrico es alimentado por energía eléctrica de baterías recargadas desde energía eléctrica externa, y los vehículos de pila de combustible (FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle) en los que la energía eléctrica es producida en el propio vehículo en la pila de combustible, normalmente de tipo PEM (Proton Exchange Membrane).

Según el grado de participación de la energía eléctrica en la propulsión coexisten actualmente, y lo seguirán haciendo en el futuro, varios niveles electrificación de los vehículos sean de propulsión por motor térmico o eléctrico:

• Híbridos moderados (Mild Hybrid): la energía de propulsión se obtiene del combustible, pero la electricidad obtenida de las frenadas o del propio motor de combustión recarga baterías de poca capacidad y voltaje (12, 24 o 48 V) o supercondensadores.
• Híbridos integrales (Full Hybrid): similares a los anteriores en cuanto a que la energía de propulsión proviene del combustible, pero con batería de media capacidad y alto voltaje (> 200 V) que permite mover ocasionalmente el vehículo en modo eléctrico. El motor térmico puede tener funciones de propulsión del vehículo junto con el eléctrico (sistema mixto de propulsión llamados híbridos en paralelo); o limitarse a generar energía eléctrica siendo la propulsión responsabilidad únicamente del motor eléctrico. Algunas soluciones tecnológicas se basan en que la energía eléctrica proviene de un generador movido por el motor térmico, sin funciones de propulsión, y en este caso se denominan híbridos en serie.
• Híbridos enchufables (PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicles): la batería tiene una mayor capacidad de acumulación con muy alto voltaje para poder cargarse con energía de la red y mover el vehículo una distancia bastante mayor que un híbrido integral a una velocidad razonable. Una vez agotada la batería cargada de la red eléctrica exterior, el vehículo funciona como un híbrido no enchufable.
• Eléctricos de autonomía extendida (Range Extended): son esencialmente vehículos eléctricos de baterías, pero disponen de un motor de combustión pequeño para poder recargar y propulsar el vehículo en modo serie en caso de descarga de las baterías en lugares apartados o sin enchufe a la red. En la actualidad, se propone el uso de pilas de combustible de pequeña potencia (y tamaño) alimentadas por hidrógeno para esta función de recarga ocasional.
• Eléctricos puros (BEV; Battery Electric Vehicle): la batería cargada por la red eléctrica aporta la energía a los motores eléctricos de propulsión.
• Vehículos de pila de combustible (FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle): la energía eléctrica se produce en el propio vehículo mediante la reacción del hidrógeno con oxígeno en la pila de combustible. En casi todos los casos, incorporan cierto grado de hibridación con baterías para acumular energía y con recuperación de energía en retenciones para una mejor eficiencia energética del conjunto y ahorro de consumo de hidrógeno.

Se puede deducir que cuando la energía mecánica de propulsión no se obtenga a partir de energía eléctrica de la red, todos los vehículos necesitan disponer de una fuente de energía transportada en el propio vehículo en forma química, los combustibles que alimentan al motor térmico o la pila de combustible. Los combustibles transportan la energía desde las fuentes primarias (fósiles, renovables o nucleares) hasta el tanque del vehículo y los acumuladores eléctricos (baterías o supercondensadores) lo hacen en forma de electricidad, siendo ambos grupos ‘vectores energéticos’ y entre los cuales se pueden encontrar el hidrógeno, la electricidad de la red o la producida fuera del motor. La Figura 1 ilustra este concepto de los vectores energéticos desde las fuentes primarias hasta la energía de propulsión.

Los vectores energéticos que se usan en forma de combustibles, no electricidad, tienen su origen en materias primas diversas, pueden ser fósiles, biomasa y sintéticos, incluyendo en estos ‘sintéticos’ aquellos que, aunque provengan de fuentes fósiles o de biomasa, incluso de otras fuentes renovables, precisan de un proceso de fabricación específico para su elaboración.

 

Figura 1. Vectores energéticos para mover vehículos de transporte.

Los vectores energéticos más utilizados en la automoción desde principios del Siglo XX han sido los hidrocarburos provenientes de fuentes de energía fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Éstos se han ido desarrollando como combustibles para el transporte a lo largo de la historia, los más conocidos son los derivados de la destilación del petróleo y el gas natural. No obstante, se han desarrollado otros procesos de obtención de hidrocarburos de manera artificial como son los derivados del proceso Fischer-Tropsch, que consiste en utilizar la mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno proveniente de gasificación de carbón o madera o de la captura de CO₂ de la atmósfera para obtener combustibles parafínicos sintéticos.  Por otro lado, existen rutas para convertir la biomasa en biocombustibles, como los procesos de hidrogenación para obtener los actuales aceites vegetales hidrogenados (HVO) o gasóleos parafínicos de biomasa. Dentro de los combustibles fósiles convencionales están las gasolinas y los gasóleos (llamados en muchas ocasiones ‘diésel’ por su nombre inglés ‘diesel fuel’) y dentro de los llamados ‘alternativos’ están el GLP (Gas Licuado de Petróleo) o autogás, el GNC (Gas Natural Comprimido) y el GNL (Gas Natural Licuado); y a veces se incluye el metanol y el dimetileter (DME) producidos a partir del gas natural.

Además de hidrocarburos de carbono e hidrógeno (HC), desde los inicios del automóvil se han utilizado también combustibles oxigenados procedentes de materias vegetales como los alcoholes, los éteres, los aceites vegetales o los ésteres metílicos de ácidos grasos (biodiésel), que son líquidos y denominados biocombustibles de 1ª generación. Con objeto de reducir emisiones netas de CO₂ se ha promovido el desarrollo de estos combustibles y algunos de sus derivados desde hace ya más de 20 años.

Para el aprovechamiento energético de los residuos urbanos e industriales, sean de procedencia animal o vegetal, se están desarrollando biocombustibles de residuos entre los que se pueden citar el biogás e hidrocarburos líquidos con diferencias entre unos y otros según el origen y el proceso de obtención. Ejemplos son el bioetanol de materia celulósica o el biobutanol.  Poco a poco se van introduciendo estos biocombustibles en mayor o menor medida en experiencias piloto y se prevé un aumento de su uso en mezclas con los combustibles convencionales.

Aparte de estos hidrocarburos y biocombustibles, los motores de combustión interna pueden ser alimentados por hidrógeno sin exigirle una pureza excelente, mientras las impurezas sean hidrocarburos u óxidos de carbono. Lo cual no ocurre con las pilas de combustible para propulsión de vehículos que deben ser alimentadas por hidrógeno lo más puro posible. Las pilas de combustible son generadores de energía eléctrica directa mediante la oxidación del hidrógeno, a diferencia de las baterías que generan electricidad mediante la energía acumulada en forma química en su interior mediante reacciones de carga y de descarga. Pero en ambos casos se usan en vehículos movidos por motores eléctricos.

Al no existir hidrógeno libre en la naturaleza, es necesario su producción y en función de esto se nombra el hidrógeno de una manera u otra. El hidrógeno ‘gris’ es el producido a partir de hidrocarburos de origen fósil, el hidrógeno ‘azul’ producido a partir de hidrocarburos de origen fósil y capturando el CO₂ liberado en el proceso y, por último, el hidrógeno ‘verde’ que es el producido mediante electrólisis utilizando energía eléctrica producida a partir de energías renovables o el reformado de biogás.

El hidrógeno tiene baja densidad de energía y ocupa mucho volumen para entregar la energía necesaria para una autonomía razonable. Por ello, una forma de utilizarlo en el mundo de la automoción son los portadores de hidrógeno, que es una forma indirecta de almacenaje de energía del hidrógeno en forma líquida sin temperaturas extremadamente bajas o presiones altas. También reciben el nombre de portadores orgánicos líquidos de hidrógeno (LOHC). Entre estos compuestos orgánicos ‘portadores’ se encuentra el amoniaco, que contiene un átomo de nitrógeno con tres de hidrógeno y cuya reacción de oxidación produce nitrógeno y agua, que puede ser descompuesto in situ para generar hidrógeno para una pila de combustible.

Actualmente se encuentran bastantes trabajos desarrollando combustibles sintéticos que son esencialmente hidrocarburos líquidos producidos a partir de CO₂ e hidrógeno, son los llamados e-fuels o combustibles sintéticos que tratan de ser una alternativa a los combustibles convencionales como gasolina y gasóleo, permitiendo el uso de los motores de combustión interna actuales y futuros por su similitud de formulación química.

Uno de los vectores energéticos que desde los inicios del automóvil ha tratado de abrirse hueco es la electricidad. Esta electricidad es producida en las centrales eléctricas que conforman el sistema eléctrico nacional, ya sean renovables (eólica, hidráulica o solar), por combustibles fósiles, sobre todo gas natural o nucleares, dando lugar al denominado ‘mix eléctrico’. El uso de la electricidad en los vehículos va asociado a la necesidad de cargar suficiente energía eléctrica en el vehículo y acumularla para una autonomía razonable en la batería que alimentará al motor eléctrico para su movimiento. Estas baterías se pueden construir con diferentes elementos, como Plomo-ácido (Pb-ácido), Níquel-cadmio (NiCd), Níquel-hidruro metálico (NiMh), Ion-litio (LiCoO2), Ion- litio con cátodo de LiePO4 y Polímero de litio (LiPo).

Los motores de combustión interna puros tienen actualmente como vector energético principal los hidrocarburos fósiles, pero las tendencias europeas a dejar de depender de fuentes de origen fósil y a ‘descarbonizar’ el transporte (entendido como reducir emisiones netas de CO₂) marcan la tendencia a compartir con otros combustibles, como otros hidrocarburos de origen biológico o sintéticos, ya sean los e-fuels derivados del hidrógeno u otros compuestos orgánicos oxigenados como los alcoholes, éteres, ésteres, etc., de origen biológico, e incluso el amoniaco. Aportando todos flexibilidad al sistema energético para el transporte al poder usarse mezclados, incluso con hidrógeno. Estos vectores energéticos son válidos para los vehículos de propulsión híbrida, por la presencia de un motor de combustión interna.

Tras este breve análisis de los distintos métodos de propulsión y sus vectores energéticos asociados se puede hablar de las perspectivas a futuro. Se espera que en un futuro los próximos vehículos que tengan como método de impulsión principal un motor de combustión interna que evolucionará tecnológicamente para ser más eficiente junto con sistemas de recuperación de energía y otros desarrollos tecnológicos que mejorarán la eficiencia general del vehículo, que serán aplicables a cualquier sistema de propulsión. De cara a los vehículos eléctricos puros, se espera un gran desarrollo tecnológico de las baterías para reducir, tanto el peso y tamaño, como el tiempo de carga, en lo cual ya se han conseguido grandes avances, aunque por ahora no se prevé alguna evolución disruptiva.  En cuanto a los vehículos eléctricos con pila de combustible de hidrógeno, la evolución en los próximos años se espera que sea bastante importante. Hasta ahora la no existencia de distribución y suministro de hidrógeno suficientemente extendida ha frenado en cierto sentido la evolución de la pila de combustible y su inclusión en vehículos, pero tecnológicamente aún puede haber una evolución significativa en su tamaño, y peso y regulación, y sobre todo en su coste.

Se espera que, en el futuro de los vectores energéticos, el protagonista sea el hidrógeno. Uno de sus problemas es que la energía necesaria para su fabricación supera la que puede producir en el vehículo, por lo que solo tiene sentido si su origen es de fuentes renovables u obtenido por procedimientos que no produzcan CO₂, como procesos termoquímicos o nucleares. El otro problema es su baja densidad de energía dando sentido al uso de portadores de hidrógeno, e-fuels o combustibles hidrogenados.

 

Figura 2. Los 4 vectores energéticos previsibles a medio plazo para propulsión de vehículos de baja o nula emisión de CO₂.

En resumen, se prevén actualmente cuatro caminos posibles de propulsión de vehículos con baja o nula emisión neta de dióxido de carbono, ilustradas en la Figura 2, que son: la electricidad proveniente de fuentes de baja o nula huella de carbono, los combustibles sólidos o líquidos provenientes de residuos urbanos o industriales en el ámbito de la denominada ‘economía circular’ que han consumido CO₂ en su origen biológico, los sintéticos líquidos (con alta densidad energética) producidos a partir de hidrógeno renovable y captura de CO₂ y, por último, el propio hidrógeno,  también producido con fuentes renovables. Pero en tres de esos cuatro caminos, el motor térmico de combustión interna puede tener un hueco importante.

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