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Introducción La población mundial ha crecido aceleradamente en las últimas décadas, por lo que sus necesidades y patrones de consumo son cada vez más demandantes, incrementando globalmente sus actividades productivas. En este crecimiento, la movilidad de bienes y personas ha contribuido para el desarrollo económico y social de cada país, haciendo en la actualidad cotidiana imprescindible el uso de los vehículos. Particularmente, el incremento del tránsito de vehículos por carretera hace necesario conocer los problemas y efectos que existen en su uso, siendo relevantes temas sobre la seguridad vial, la protección a los ocupantes y la contaminación provocada por los gases de la combustión. Sobre este último punto, el cambio climático es uno de los impactos más reconocidos a nivel global, regional y local debido a los efectos negativos de la contaminación del aire. Para dar una solución a las emisiones emitidas en los vehículos convencionales, organizaciones gubernamentales han desarrollado diversas regulaciones sobre límites máximos permitidos de emisiones. En esta línea, la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC) y la Organización de las Naciones Unidas (ONU), a través de la Organización Mundial de la Salud (OMS) y de sus diferentes organismos regionales, establecieron lineamientos para asegurar la calidad del aire, como el protocolo de Kioto y el acuerdo de París, que tienen por objetivo reducir el calentamiento global provocado por los gases de efecto invernadero. El Acuerdo de París fue la adopción del compromiso de la Conferencia de las Partes de la Convención Marco de Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (COP21) en el 2015, donde participaron 195 naciones que alcanzaron un acuerdo histórico para combatir el cambio climático e impulsar medidas para un futuro bajo en emisiones de carbono. Como objetivo fundamental, se establece evitar que el incremento de la temperatura media global supere los 2ºC respecto a los niveles preindustriales y busca, además, promover esfuerzos adicionales que hagan posible que el calentamiento global no supere los 1,5ºC, provocado por los Gases de Efecto Invernadero (GEI). Esto ha conducido a diversos desarrollos tecnológicos en el ámbito del transporte, como los biocombustibles, tecnologías para reducir los gases nocivos y los vehículos eléctricos. Una de las estrategias que han puesto en marcha países desarrollados para lograr el objetivo anterior, fue reducir las emisiones producidas en el sector transporte, siendo éste, el principal aportador de gases de efecto invernadero y principal consumidor de combustibles fósiles. Esto ha conducido a la introducción de medios de transporte limpios y cero emisiones, refiriéndose al desarrollo de vehículos que están por debajo de los límites de emisiones establecidos en las normativas actuales, así como a los vehículos híbridos y eléctricos como parte de un esquema de electromovilidad en todos los medios de transporte.
Figura 1. Esquema de la movilidad eléctrica en el sector transporte
Vehículos eléctricos Tecnologías en vehículos eléctricos Se denomina genéricamente vehículo eléctrico a aquél que, para ser impulsado, utiliza la electricidad como fuente de energía, ya sea de manera parcial o total. Aplicaciones de este tipo han sido promovidas por la necesidad de disminuir las emisiones de gases contaminantes de los vehículos al ambiente, cuyo desarrollo se ha dado de manera pura o combinada. Su denominación se ha establecido de acuerdo al uso de tecnologías con base en la electricidad, definiéndose, en general, tres categorías. Estas categorías corresponden al vehículo híbrido (HEV, Hybrid Electric Vehicle), al híbrido enchufable (PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle) y al eléctrico puro (EV, Electric Vehicle), (U.S Department of energy, 2015), como se presenta en la Figura 2.
Figura 2. Esquematización de categorías de los vehículos eléctricos. Fuente: Imagen extraída del sitio web: https://prof-ojeda-roger-por venezuela.blogspot.com/2015/12/componentes-principales-de-un-coche.html
Los vehículos híbridos (HEV), combinan el uso de un motor de combustión interna y de un motor eléctrico el cual utiliza la energía almacenada en una batería que no necesita conectarse a una toma de corriente para recargarse. Es decir, la batería es cargada a través del frenado regenerativo y del motor de combustión interna, capturando la energía que, normalmente se pierde al frenar, usando el motor eléctrico como un generador y guardando esa energía en la batería. Esta batería contribuye también en la alimentación de sistemas auxiliares, además de proveer al vehículo la capacidad de apagar el motor de combustión interna cuando el vehículo está detenido y, encenderlo, cuando así se requiera. Esta categoría de no enchufables se subdivide en tres tipos de acuerdo a la configuración para la disposición de la energía: · Híbrido en serie: El vehículo se mueve exclusivamente con la energía que suministra el motor eléctrico. La electricidad puede enviarse de su batería o bien de la energía producida por el motor de combustión interna que actúa a modo de generador. El motor, ya sea de gasolina o diésel, no está conectado a las ruedas. · Híbrido en paralelo: Tanto el motor eléctrico como el de combustión interna están conectados a las ruedas del vehículo, siendo el motor de combustión el que lo mueve principalmente. El motor eléctrico ayuda al de combustible en su tarea de mover el coche, siendo la recuperación de la energía de frenada la fuente de alimentación principal de la batería de estos híbridos. · Híbrido serie-paralelo: Combinan los dos sistemas anteriormente mencionados, pues la carga de la batería se efectúa tanto por el motor de combustión, como por la frenada regenerativa. El motor de combustión y el motor eléctrico están conectados a la transmisión de forma separada y pueden mover el coche de forma independiente la una de la otra, o en conjunto. Los vehículos híbridos enchufables (PHEV), combinan también el uso de un motor eléctrico con el de un motor de combustión interna pero, a diferencia de los HEV, los PHEV emplean baterías de mayor capacidad preparadas para conectarse a la red eléctrica para cargarlas, aunque también se pueden cargar a través del motor de combustión interna y del frenado regenerativo. Al tener baterías de mayor capacidad, se incrementa la autonomía de desplazamiento del vehículo, particularmente en requerimientos de zonas urbanas ya que funciona principalmente con la electricidad almacenada. Cabe señalar que, el motor de combustión interna puede impulsar el vehículo cuando la batería está totalmente descargada, durante la aceleración rápida o cuando se alcanza una alta velocidad. Cuando los PHEV funcionan solamente con la batería no emiten gases de escape y, aunque el motor de combustión interna esté en funcionamiento, el consumo de combustible es menor ya que, generalmente, emiten menos gases de escape que los vehículos convencionales similares. Los vehículos eléctricos puros (EV), usan baterías para almacenar la energía eléctrica que utilizan uno o más motores, por lo que deben cargarse conectando el vehículo a la red eléctrica, aprovechando también la carga mediante el frenado regenerativo. Al no contar con un motor de combustión interna, estos vehículos no emiten gases de escape, aunque se les infieren emisiones que se calculan durante el llamado “ciclo de vida” por los sistemas de producción de electricidad. Otra modalidad de vehículo eléctrico es el de pila de combustible de hidrógeno (FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle). En esta modalidad, el vehículo se acciona mediante un motor eléctrico que obtiene la electricidad a través de una pila que combina el hidrógeno con el oxígeno del aire. Al convertir el gas hidrógeno en electricidad, se produce únicamente agua y calor, por lo que los vehículos no emiten gases contaminantes cuando son conducidos. No obstante, la producción del hidrógeno puede generar gases contaminantes aunque, en menor cantidad que los generados por los vehículos de combustibles fósiles. Una ventaja de este tipo de vehículos es que puede ser recargado en una estación de hidrógeno, con tiempos de carga similares a los de gasolina o diésel, (USC, 2018).
Autotransporte La tecnología eléctrica en los vehículos ligeros se ha impulsado notablemente a través del tiempo. Casi de manera paralela, los fabricantes de autobuses y camiones también se han interesado en incorporarla, como el autobús mostrado en la Figura 3, ya que trae beneficios como la reducción de la contaminación del aire, del ruido y del consumo de combustible y, con ello, mitigar el cambio climático.
Figura 3. Volvo 7900 Eléctrico Fuente: Imagen extraída del Anuario de Camiones Pesados, (ANPACT, 2019). Los autobuses y camiones con este tipo de tecnología han sido probados en países como Europa, China, Estados Unidos y Japón, aunque todavía no se hace de forma masiva debido al alto costo que implica el incorporar este tipo de vehículos, en comparación a los convencionales. En el corto plazo, el desarrollo de vehículos pesados eléctricos se ha limitado a aplicaciones específicas en la que se ha adecuado la tecnología eléctrica, ya que muchos aspectos sobre sus capacidades no tienen aún respuesta, particularmente por los largos recorridos requeridos por el autotransporte. Algunos fabricantes bien establecidos han hecho inversiones sobre la tecnología eléctrica, preparándose para competir en el futuro cercano en este segmento emergente. De acuerdo a la Agencia Internacional de la Energía, que compara las eficiencias energéticas de motores de combustión fósil y eléctrico, indica que un camión moderno con un motor de combustión puede lograr eficiencias del motor a la rueda de no más de 30%, mientras que los camiones eléctricos pueden alcanzar eficiencias de tren motriz a rueda de hasta 85% o más. En general, un motor de combustión interna convierte aproximadamente del 44% al 46% de la energía del combustible en trabajo. En contraparte, los motores eléctricos cuya eficiencia ronda el 95%, convierten en trabajo mecánico la energía química que proviene de la batería, produciendo entre 85% y 95% de eficiencia eléctrica a mecánica del tren motriz, para que sea transmitido a las llantas y realice el desplazamiento del vehículo, (IEA, 2019).
Otros medios urbanos Los sistemas de movilidad en las grandes ciudades están también cambiando debido a la mayor conciencia medioambiental, sumada al cambio de mentalidad respecto al uso compartido y las restricciones al tráfico por los niveles de emisiones en grandes ciudades. Se espera que cada día sean más los ciudadanos que apuesten por dejar atrás su vehículo particular y desplazarse en una de las múltiples opciones disponibles a su alcance, siendo el transporte público masivo electrificado una alternativa viable (ver Figura 4). Por ejemplo, el tren electrificado, teleféricos, trolebús, entre otros.
Figura 4. Medios de transporte masivo eléctrico Fuente: De izquierda a derecha, la primer imagen extraída del sitio web de la SCT, http://www.sct.gob.mx/transporte-y-medicina-preventiva/transporte-ferroviario-y-multimodal/tren-electrico-de-guadalajara/. La segunda y tercera imagen fueron extraídas del sitio web del Sistema de Transporte Colectivo. (STC, 2019).
Electrolineras y centro de recarga A diferencia de los híbridos comunes, que no requieren de carga externa, los vehículos eléctricos puros y los híbridos enchufables, requieren de la carga de sus baterías para operar. Esta carga puede ser realizada desde la propia red eléctrica residencial, hasta en estaciones “electrolineras” propiamente preparadas para manejar magnitudes apropiadas de voltaje y corriente para disminuir los tiempos de recarga. El establecimiento de las estaciones se establece en tres distintos niveles, como se presenta en la Figura 5, de acuerdo a las capacidades de suministro eléctrico manejables para carga.
Figura 5. Niveles de capacidad de carga para vehículos eléctricos Fuente: U.S. Department of energy, (U.S. Departament of energy, 2015) Aunque las características generales de las estaciones de carga están ya establecidas, para una inclusión masiva se deberán resolver problemas existentes de compatibilidad de vehículos y de los proveedores. Esto incluye la disponibilidad de la energía eléctrica de acuerdo a la electrolinera, así como la adecuada preparación de los vehículos para poder conectarse, en donde se prevea el desarrollo de tecnologías de recarga rápida. Es indispensable una infraestructura establecida de electrolineras para asegurar una adecuada operación y funcionamiento en el marco de la movilidad eléctrica. Esto conlleva desarrollos de características técnicas y tecnológicas de los vehículos; de incrementos de la capacidad de carga de baterías y de logísticas de rendimiento de energía; y la consolidación de una red eléctrica inteligente para su carga, a través de la disponibilidad de estaciones que aseguren la operación de los vehículos eléctricos. Un reto adicional relacionado al suministro de energía, es la heterogeneidad en la capacidad de transmisión y distribución en el país, la cual resulta en nodos congestionados y limita la electrificación homogénea.
Conectores para la recarga del vehículo eléctrico Los conectores eléctricos son necesarios para el uso de los vehículos eléctricos e híbridos enchufables, pues forman parte del proceso de recarga, siendo este un tema relevante ya que existe una amplia gama de conectores en el mercado para los vehículos híbridos enchufables y eléctricos, debido a que cada fabricante diseña su propio conector. Se ha encontrado que los conectores cambian dependiendo de su región geográfica, como los conectores alemanes, americanos, japoneses, italianos o franceses. En la actualidad, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) se encarga de la normalización, mientras que en los Estados Unidos de América, la SAE (Society of Automotive Engineers), estandariza también algunos conectores. Debido a esto, asociaciones como los fabricantes japoneses se han unido para diseñar y desarrollar su propio conector por lo que, con el paso del tiempo, la tendencia será estandarizar cada vez más los conectores y los puntos de recarga. Todos los vehículos eléctricos llevan incorporado en su interior un cargador cuya misión es convertir la corriente alterna de la red eléctrica, en corriente continua, para poder ser almacenada en las baterías. Esto conlleva importantes aumentos de temperatura que evidencian el riesgo de sobrecalentamiento cuando las intensidades y los tiempos de carga son elevados y, por este motivo, se limita la potencia que pueden manejar estos rectificadores. Para más de 250V e intensidades superiores a 75A, se aconseja que una estación de recarga suministre de manera directa a las baterías la corriente continua, realizando la transformación CA/CC fuera del vehículo. Para este tipo de recarga los conectores usados son; SAE J1772, MENNEKES, CSS Combo1, CSS combo 2 y CHAdeMO (Ver Figura 8). Estos conectores pueden encontrarse en las estaciones de recarga lenta y rápida, siendo el CCS el elegido como estándar tanto por fabricantes europeos como americanos.
Figura 8. Conectores disponibles en el mercado de los vehículos eléctricos Fuente: Xataca, (Xataka, 2020)
La siguiente tabla presenta los conectores y sus características principales. Entre las características se identifica la utilización por región geográfica, la corriente que maneja, la velocidad de la recarga, tipo de conexión y tensión. (Xataka, 2020)
Tabla 1. Características de los conectores para vehículos eléctricos
Nota: EUA; Estados Unidos de América, UE; Unión Europea. A; Amper, Acc: amper en corriente continua. Fuente: Xataca, (Xataka, 2020).
Retos por superar a la movilidad eléctrica La movilidad eléctrica enfrenta desafíos en torno a la pobreza urbana y la conveniencia de contribuir a combatirla, mediante el desarrollo de vehículos y sistemas de transporte público de calidad con bajo impacto ambiental. Busca su implementación con base en fuentes renovables y expandir la infraestructura para mejorar su aprovechamiento. Los vehículos eléctricos son una opción para la mitigación de contaminación del aire y el control del cambio climático que, sin embargo, tiene una adopción limitada en su alto precio debido al valor de las baterías, acompañado por la aún escasa infraestructura de recarga. Las gasolineras superan por un gran número a las electrolineras y, además, persiste una gran diferencia en los tiempos de recarga. Es importante que la tendencia de la movilidad eléctrica sea dirigida al transporte público y masivo, ya que el transporte es el sector que produce un alto índice de GEI. Por tanto, si la movilidad de las personas es a través de vehículos cero emisiones o con tecnologías híbridas, se beneficiara al reducir el congestionamiento vehicular en las grandes ciudades, como es el caso de la Ciudad de México, Guadalajara y Monterrey, por mencionar las principales. Respecto a la carga de baterías, un aspecto sumamente importante sobre el establecimiento de las electrolineras, es la probable afectación a la red de distribución si se incrementa la conexión simultánea de vehículos para recarga. Políticas, lineamientos y planes deben ser congruentes con el desarrollo de la disponibilidad y adecuación de esta nueva necesidad en México. La adopción del uso y adquisición de vehículos con tecnologías eléctricas requiere también de estrategias de motivación y facilitación hacia los consumidores. Aunque existen esquemas de estímulo fiscal, estos podrían ser ampliados con otros apoyos, como es el caso de créditos automotrices especiales, políticas de canje que faciliten la adquisición, o reembolso periódico por disminución de emisiones respecto al uso, entre otras posibles.
Referencias ANPACT. (2019). Asociación Nacional de Productores de Autobuses, Camiones y Tractocamiones. Anuario de Camiones Pesados, 140-141. Electromovilidad. (01 de 2020). Movilidad eléctrica y transporte sostenible. Obtenido de Conectores para la recarga del vehículo eléctrico: http://electromovilidad.net/ IEA. (Mayo de 2019). International Energy Agency. Obtenido de Global EV Outlook 2019: https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2019 INECC. (14 de diciembre de 2015). Compromisos de mitigación y adaptación ante el cambio climático para el periodo 2020-2030. Obtenido de https://www.gob.mx/inecc/documentos/compromisos-de-mitigacion-y-adaptacion-ante-el-cambio-climatico-para-el-periodo-2020-2030 SCANIA. (3 de septiembre de 2018). Versatile hybrid trucks for urban applications. Obtenido de https://www.scania.com/group/en/versatile-hybrid-trucks-for-urban-applications/ STC. (Diciembre de 2019). Sistema de Transporte Colectivo . Obtenido de Parque vehicular: https://www.metro.cdmx.gob.mx/parque-vehicular Transport Topics . (2019). Electric Truck Advance. Obtenido de https://www.ttnews.com/articles/electric-trucks-advance U.S. Departament of energy. (Agosto de 2015). Clean Cities Coalition Network. Obtenido de Vehículos eléctricos: https://afdc.energy.gov/files/u/publication/hpev_spanish.pdf USC. (14 de Marzo de 2018). Union of Concerned Scientists . Obtenido de How Do Hydrogen Fuel Cell Vehicles Work?: https://www.ucsusa.org/clean-vehicles/electric-vehicles/how-do-hydrogen-fuel-cells-work Xataka. (Agosto de 2020). La guerra de estándares en cargadores de coches eléctricos: todo lo que hay que saber. Obtenido de https://www.xataka.com/vehiculos/guerra-estandares-cargadores-coches-electricos-todo-que-hay-que-saber
SÁNCHEZ Luis Gerardo FABELA Manuel de Jesús CRUZ Mauricio Eliseo FLORES Óscar |
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