alternativas al automÓvil convencional · en resumen, hoy en día, parece que se está a punto de...

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA ESPECIALIDAD MECÁNICA

ALTERNATIVAS AL AUTOMÓVIL CONVENCIONAL

Autor: Jaime Ruiz-Jarabo Cavestany

Director: Francisco Fernández - Daza

Madrid Julio 2015

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO

ABIERTO DE DOCUMENTACIÓN

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. Jaime Ruiz–Jarabo Cavestany, como estudiante de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA

COMILLAS (COMILLAS), DECLARA que es el titular de los derechos de propiedad intelectual,

objeto de la presente cesión, en relación con el Alternativas al Automóvil Convencional que

ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley

de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra.

En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el

consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa

cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna

autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la

facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la

Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que

más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor

CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo

legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de

distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica,

tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se

cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de

derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;

realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así

como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua”

o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,

incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de

garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional,

accesible de modo libre y gratuito a través de internet.

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital.

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad

por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los

derechos del documento.

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través

de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse

en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para

la obtención del ISBN.

e) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras

personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de

propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún

derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la

intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que

pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por

infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y

respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con

fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la

Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

a) Deberes del repositorio Institucional:

- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza

ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior

de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia

privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio

comercial, y que no se realicen obras derivadas.

- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la

responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre

del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del

depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la

Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso

de las obras.

- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un

futuro.

b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:

- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en

caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 13 de Julio de 2015

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA ESPECIALIDAD MECÁNICA

ALTERNATIVAS AL AUTOMÓVIL CONVENCIONAL

Autor: Jaime Ruiz-Jarabo Cavestany

Director: Francisco Fernández - Daza

Madrid Julio 2015

ALTERNATIVAS AUTOMOVIL AL CONVENCIONAL

Autor: Ruiz-Jarabo Cavestany, Jaime

Director: Fernández-Daza, Francisco

Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas

RESUMEN DEL PROYECTO

Introducción

Desde hace algunos años, especialmente con la creciente preocupación por el

medio ambiente y las recientes crisis del petróleo, la apuesta por buscar

alternativas al automóvil convencional se está volviendo una prioridad. Para ello

se están invirtiendo mucho tiempo y dinero, no sólo los grandes referentes en la

industria del automóvil, sino también los gobiernos de muchos países que

ofrecen ayudas económicas, con el fin de dar un empujón definitivo a este

sector.

Sus razones tienen, pues es precisamente el sector del transporte el genera más

de la mitad de los contaminantes totales emitidos a la atmósfera. Por ello, este

sector se ha visto obligado a tomar medidas con el objetivo de reducir estos

preocupantes niveles de contaminación. Prueba de ello es la creación de las

normas EURO X, que obligan a los fabricantes a reducir considerablemente

dichas emisiones. Algunos de ellos, optan por mejorar la eficiencia de los

vehículos de combustión, con medidas como la utilización de materiales ligeros

para reducir la masa del vehículo, o con complejos sistemas de recuperación de

energía térmica. Eso sí, todos ellos, en mayor o menor medida, optan por buscar

alternativas a los propios vehículos de combustión.

Por otro lado, el consumo de energía de este sector es enorme, siendo en la

mayoría de los países el sector que más energía consume. Este es el caso de

España, donde el transporte constituye cerca de un 40 % de la energía total

consumida. No sólo eso, sino que además prácticamente la totalidad de los

combustibles usados para el transporte tienen su origen en los derivados del

petróleo, lo que contribuye enormemente a que la dependencia energética en

España esté próxima al 80%, muy por encima del 54% de la media europea.

Por tanto, la búsqueda de alternativas al vehículo de combustión interna se ha

convertido en una necesidad, con el fin de reducir las emisiones contaminantes y

el consumo de energía, en especial reduciendo el consumo de derivados del

petróleo, y con ello los problemas de inestabilidad que conlleva el petróleo, y así

además contribuir a reducir la dependencia energética de muchos países.

Otro tema es que, aunque la sociedad se preocupe cada vez más por buscar

alternativas que cuiden el medio ambiente y reduzcan el consumo de energía,

para la mayoría de la población todavía tiene más peso el factor económico, en

especial en estos tiempos de crisis. Consecuentemente, se harán estudios de tanto

el impacto energético como del impacto medioambiental para cada tecnología.

En resumen, hoy en día, parece que se está a punto de llegar a un punto de

inflexión, en el que está claro que los vehículos de combustión interna irán

perdiendo protagonismo progresivamente hasta una hipotética desaparición. Lo

que no resulta tan evidente es que alternativas serán las que tengan más

desarrollo en un futuro, y mucho menos aún el ritmo al que se irá desplazando al

vehículo convencional

Metodología

Lo primero que se realizará en el proyecto será analizar técnicamente cada una

de las tres alternativas a los vehículos de combustión que se van a tratar en este

proyecto: vehículos eléctricos, vehículos híbridos y vehículos de hidrógeno. De

esta forma, se pondrá en contexto el estado actual de cada tecnología,

comentando el proceso de evolución que ha ido sufriendo desde sus orígenes, y

comentando de una manera más técnica su funcionamiento básico y

componentes principales.

Una vez estudiado el desarrollo de cada tecnología, se procederá a realizar la

segunda parte del proyecto, un estudio del impacto económico, energético y

medioambiental de cada una de las tres alternativas.

Para comenzar con el estudio económico, se analizarán los costes en detalle para

cada alternativa (gasto en combustible, mantenimiento, impuestos de circulación

y matriculación, etc.), con los que se procederá a realizar el cálculo de la

amortización que requeriría la compra de estos vehículos, frente al uso del

convencional para un cliente medio. Para realizar el estudio económico, se hará

un previo estudio de mercado, de donde se tomará un modelo representativo de

cada alternativa, con el que se procederá a los cálculos. En concreto se han

optado por los siguientes modelos: e-Golf como vehículo eléctrico y el Golf

GTE como vehículo híbrido, ya que se consideran vehículos con unas

prestaciones más que razonables dentro del mercado de cada tecnología, y dado

que disponen de modelos de combustión de características más o menos

equivalentes con los que realizar la comparativa. En cuanto al vehículo de

hidrógeno, no hay actualmente modelos en el mercado automovilístico español,

por lo que el estudio económico se hará únicamente de forma cualitativa,

tomando el Toyota Mirai como modelo representativo.

Una vez realizado este cálculo de los kilómetros que un cliente medio deberá

recorrer para amortizar cada vehículo, se procederá a realizar el mismo cálculo

para casos reales. Esto se debe a que las limitaciones en cuanto a autonomía y

tiempo de recarga del vehículo eléctrico, hace que para este caso no sea tan

sencillo como realizar el cálculo de los kilómetros mínimos para amortizarlo,

pues este no se adecua al uso de todos los usuarios. Para ello, se ha realizado un

pequeño modelo de decisión, implementado en Excel, en el que metiendo una

serie de datos de los vehículos, y de las condiciones particulares de cada

conductor, el modelo calcula los kilómetros requeridos para la amortización del

vehículo, los años para que tenga lugar esta amortización y la diferencia

económica que supondría haber optado por una u otra opción en los años en los

que el usuario tiene pensado conservar el vehículo elegido. Automáticamente, el

modelo indicará la mejor opción de las cuatro contempladas, ya sea el vehículo

eléctrico, el híbrido o cualquiera de los dos modelos de combustión.

En lo referido al estudio del impacto energético, se analiza si las diferentes

alternativas al automóvil convencional pueden contribuir en la reducción del

consumo de energía a nivel global y en la reducción de la dependencia

energética, algo que parece más que razonable a priori por el elevado

rendimiento de los motores eléctricos. Sin embargo, no es tan sencillo como

esto, pues hay que tener en cuenta no solo los consumos de combustible de cada

vehículo, si no al tratarse de combustibles tan diferentes, se debe considerar el

consumo energético del proceso entero, desde el origen de la energía hasta su

consumo en los vehículos, pasando por su transformación, transporte,

infraestructura, etc. Para ello, es fundamental el concepto de la Tasa de Retorno

Energética (TRE), que es precisamente el cociente entre la energía total que una

fuente de energía devuelve y la energía invertida en explotar, desarrollar y

mantener esa misma fuente de energía. Para el caso de la energía eléctrica

utilizada para cargar las baterías de los eléctricos y de los híbridos enchufables,

se calcula un TRE ponderado utilizando las TRE de todas las fuentes de energía

que constituyen la demanda energética en España. Con ello, se calculará la

energía real consumida por cada 100 km que recorra cada tipo de vehículo.

Por último, se realizará un impacto medioambiental de cada alternativa. Para

ello, se analizarán las emisiones reales de cada vehículo, considerando también

las emisiones de la producción de la energía eléctrica utilizada para cargar las

baterías del eléctrico y del híbrido enchufable.

Resultados y Conclusiones

Los resultados obtenidos son en todos los sentidos positivos en cuanto a las

alternativas eléctrica e híbrida. Desde el punto de vista económico, ambos

requieren periodos de amortización no muy elevados dando viabilidad

económica a estos vehículos. Sin embargo, existen una serie de impedimentos

técnicos que hacen que ambas tecnologías, pero sobretodo la eléctrica, no se

hayan terminado de imponer en el mercado. Estos están principalmente en las

baterías, que con sus reducidas autonomías y elevados tiempos de recarga, hacen

que los vehículos eléctricos estén destinados a día de hoy a un sector del

mercado bastante específico. Estos usuarios, además de no utilizar el vehículo

para viajes largos, su recorrido diario continuado debe ser menor que la

autonomía del vehículo, y además debe tener una plaza de garaje donde pueda

instalar un punto de recarga.

En lo referido al estudio del impacto energético, los vehículos eléctricos para

recorrer cada kilómetro requieren una inversión energética mucho menor que los

de combustión y las otras alternativas. En concreto para los modelos estudiados,

para cada kilómetro el eléctrico requiere una energía unas 7, 18 y 21 veces

menor que la requerida para cada kilómetro de los vehículos híbridos, diésel y

gasolina respectivamente. En cuanto al híbrido, sigue aportando una reducción

energética importante con respecto a los modelos de combustión, aun siendo

bastante inferior a la del eléctrico.

Por el lado medioambiental, los eléctricos e híbridos vuelven a aportar una

mejora considerable, aun considerando las emisiones producidas por la

generación de la electricidad utilizada. En este sentido, destacan sobretodo en la

reducción de las emisiones locales, o su eliminación en el caso de los eléctricos,

siendo estas las más importantes pues son emitidas en la ciudad, donde las

consecuencias son mayores. Mientras que, por otro lado, las emisiones

producidas para la generación de la electricidad se produce precisamente donde

estén esas fuentes, generalmente alejadas de las grandes ciudades.

En cuanto a los vehículos de hidrógeno, la falta de datos en el sector

automovilístico hace que no se haya podido evaluar por completo esta

tecnología. No obstante, todo apunta a que se trata de una evolución del

vehículo eléctrico, pues tiene unas prestaciones muy parejas, o incluso algo

superiores en particular para estos modelos, a la vez que soluciona los problemas

de autonomía y tiempo de recarga de los vehículos eléctricos. Además, mantiene

las cero emisiones locales del eléctrico, y elimina también el problema del efecto

memoria de las baterías de los eléctricos. Todo esto, manteniendo las ventajas

del motor eléctrico, es decir, un elevado rendimiento, par máximo desde bajas

revoluciones, etc. Sin embargo, presenta a día de hoy dos importantes

inconvenientes que le hacen no ser una alternativa real: su elevado precio de

adquisición y la reducida infraestructura de repostaje de hidrógeno.

Por otro lado, esta alternativa tiene una gran dependencia con la forma de

obtención y almacenamiento del hidrógeno por la que se opte. En este sentido,

en la mayoría de las veces, hay conflictos de interés, pues el método de

producción más económico no es precisamente el más respetuoso con el

medioambiente ni tampoco tiene porque ser el más viable energéticamente. Y es

precisamente en este ámbito donde se deben centrar las investigaciones para que

el vehículo de hidrógeno resulte más económico, y con menores impactos

energético y medioambiental.

ALTERNATIVES TO THE CONVENTIONAL CAR

Author: Ruiz-Jarabo Cavestany, Jaime

Director: Fernández-Daza, Francisco

Collaborating Organization: ICAI – Universidad Pontificia Comillas

ABSTRACT

Introduction

For several years, specially due to the increasing concern for the environment

and the current oil crisis, the support of seeking new alternatives to the

conventional automobile is turning into a priority. To do so, both time and

money are being spent in great quantities, but not only by those considered as

models in the automotive industry, but also by many other governments that

offer they economic support, with the aim of pushing forward this specific area.

These boosts of budget are deeply justified, since is the transport sector that

sends out more than the half of the contaminating substances to the atmosphere.

This being the main reason why this area has been pushed to take steps with the

aim of reducing these alarming levels of pollution. As a proof of this, the EURO

X norms have been created, which oblige the manufacturers to reduce the

emissions to the minimum. Some of them, choose to improve the efficiency of

the vehicles that work with a combustion engine, with measures such as the use

of lighter materials in order to lessen the vehicles mass, or the use of complex

systems of thermal recovery. In their own ways, they all look for new

alternatives to the vehicles with combustion engines.

Furthermore, the energy consumption of this area is huge, since it is the most

powerful area in most of the countries. This is the case of Spain, where not only

transport constitutes near 40% of the total energy consumed in the country, but

also almost all of the fuels used have their origin in components derived from

petroleum, which contributes highly to the excessive energetic dependency on

these components that Spain shows (near 80%) compared to the european

average (54%).

Henceforth, the research of alternatives to the internal combustion vehicles has

become necessary, with the aim of reducing the contaminant emissions as well

as the energy consumption, specially focusing on reducing the use of

components derived from petroleum, and with it, reducing as well the instability

that comes with the oil, also contributing to reduce other countries dependency

on the same area.

Another topic is the social concern. Although as a society we are more

concerned to look for alternatives that would not damage the environment and

that will reduce the amount of energy consumed, the economic factor stills of

great importante for most of the population nowadays. Therefore, both the

energetic and environmental impact will be studied for each kind of technology.

To sum up, nowadays it seems that we are reaching our knee point, where the

combustion vehicles will be loosing the main positions until reaching a

hypothetical disappearance. However, it is not that sure which will be the

alternative that will most develop in the future, and less we know about the

rhythm at which this development will replace the conventional automobile.

Methodology

First off, in this project it will be technically analyzed each of the alternatives to

the combustion vehicles: electric vehicles, hybrid vehicles and hydrogen

powered vehicles. In this regard, the actual state of each technology will be

contextualized, getting into the development process they go through from their

origin and discussing in a more technical way its basic functioning and their

principal components.

Once the development of each technology has been studied, the second part of

the project will be carried out: a study of the economic, energetic and

environmental impact of each of the three alternatives.

To start off with the economic research, the costs will be analyzed in great detail

for each alternative (expense on fuel, the maintenance service, taxes of both

circulation and registration, etc.), that will allow to work out the repayment

necessary for the buy of these kind of vehicles, versus the use of a conventional

one of an average client. However, to develop the economic study, it will be first

needed a market research where a representative model of each category will be

taken in order to make the calculations. These are the specific models that have

been chosen: e-Golf, as an electrical vehicle and Golf GTE as a hybrid vehicle

which are considered to have a great output in the technology market and they

also share similar combustion models that will make the comparative easier. To

what concerns to the hydrogen powered model, there is no such kind in the

Spanish market nowadays, so the study will be made just in a qualitative way,

taking the Toyota Mirai as a model.

Once the calculation of the total quantity of kilometers that an average client

should make to pay off the car has been made, the next step will be the

calculation for real cases. This is due to the limitations regarding the autonomy

and time of charge of the electric vehicle, which in this case makes it slightly

harder to work it out, as it does not adjust to the use of every user. In order to

make this possible, a little model of decision has been made, implemented in

Excel, where when introducing some pieces of information of the vehicles, and

of the particular conditions of each driver, the model can calculate the required

amount of kilometers for the amortization of the vehicle, the years needed for

that and the economic difference that would mean choosing one vehicle or

another in the same period of time. Automatically, the model will highlight the

best option of the four ones that are being compared.

In relation to the study on the economic impact, it will be analyzed whether the

different alternatives of the conventional automobile could contribute to reduce

the energy consumption in global terms and also to reduce the energetic

dependency, which seems much more reasonable beforehand since the high

performance offered by electrical engines. However, it is not at easy as it may

seem, because it should be taken into account not only the consumption of fuel

of each vehicle but also, the energetic consumption of the whole process, from

the origin of the initial energy until the final use of the car. In order to do this, it

is of fundamental importance the concept of EROEI (energy returned on energy

invested) which calculates precisely the quotient between the total energy that a

source of energy pays off, and the energy invested in exploiting, developing and

maintaining this source of energy. For the electric energy used to charge the

batteries of the electric and hybrid vehicles, a weighted EROEI is calculated

using the EROEI of each of the sources of energy that constitute the energetic

demand in Spain. When this calculation is finished, the real amount of energy

consummated will be calculated for each 100km that the vehicle will go through.

Finally, the environmental impact for each alternative will be worked out. To do

this, the real emissions of every vehicle will be analyzed taking also into

consideration the emissions of the production in the electrical energy used to

charge the batteries of both the electrical and the hybrid vehicles.

Results and Conclusions

The obtained results are in all ways possible positive in what refers to the

electrical and hybrid alternatives. From the economic point of view, both will

require considerably low periods of time to pay off which makes them viables

economically speaking. However, there are a series of technical impeachments

that cause that none of those technologies, but specially the electrical one, has

yet imposed on the market. These impeachments have to do with the batteries,

that with their reduced autonomies and high times of charge, oblige the electrical

vehicles to be for a more specific, and in consequence less popular in terms of

global, section of the market. These users do not use their vehicles for long

distances, their daily itinerary should be less tan the vehicles autonomy and also

have a big parking spot in order to instal a charging point.

When it comes to the energetic impact, the electric vehicles in order to go over

every kilometer require a lower energetic investment compared to the

combustion ones and the other alternatives. Specifically for the chosen models,

for each kilometer the electrical one requires 7, 18 and 21 times less amount of

energy than the required for each kilometer of the hybrid, diesel and gasoline

vehicles respectively. When it comes to the hybrid, it stills contribute to reduce

the energetic cost in a significant way in comparison to the models of

combustion.

Regarding the environmental aspects, the electric and the hybrid ones contribute

once again to a significant improvement, even though the emissions produced by

all the electricity that is being used. In this regard, it should be outlined the

reduction of local emissions, or its elimination in the case of the electric

vehicles, being these ones the most important aspects since these emissions go to

the city, where the impact is bigger. Furthermore, the emissions produced for the

generation of electricity are precisely originated where these sources are,

generally far away from big cities.

On the one hand, when it comes to hydrogen powered vehicles, the lack of

information on the area has made impossible to evaluate in detail this kind of

technology. However, it is safe to say that it may constitute an evolution of the

electric vehicle as it shows very similar or event improved characteristics, that

solve many of the issues regarding autonomy and time of charge that were a

great impeachment for the electrical vehicles. Moreover, it remains the zero

local emissions of those and eliminates the memory effect of the batteries of

these kind of vehicles. To all of this, should be added the whole pack of

advantages of an electrical engine such as a high performance. However, it

shows nowadays two important disadvantages that make it an unable possibility:

its high price of purchase and the reduced infrastructure for refueling with

hydrogen.

On the other hand, this alternative shows a great dependency when it comes to

the way of obtaining and storing the hydrogen, regardless of the chosen

alternative. In this regard, there are conflict of interests most of the times, since

the cheaper method of production it is neither the safer method for the

environment nor necessarily the most viable energetically speaking. It is

precisely in this field of study where the research should be carried out so the

hydrogen powered vehicle becomes not only more economic but also less

harmful for the environment.

Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI)

Alternativas al Automóvil Convencional

1

Índice de Contenido

1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................................... 11

1.1 Motivación del proyecto ................................................................................................... 11

1.2 Movilidad Sostenible ..................................................................................................... 11

1.3 El consumo de energía ...................................................................................................... 12

1.4 Contaminación atmosférica .............................................................................................. 15

1.4.1 La reacción de combustión y sus productos .............................................................. 15

1.4.2 Ruido .......................................................................................................................... 17

1.4.3 Evolución de la normativa anticontaminación ........................................................... 17

2. VEHÍCULO ELÉCTRICO .......................................................................................................... 21

2.1 Historia del coche eléctrico ........................................................................................... 21

2.2 Funcionamiento básico .................................................................................................. 33

2.3 Componentes principales .............................................................................................. 34

2.3.1 Baterías ................................................................................................................... 34

2.3.1.1 Generalidades ...................................................................................................... 35

2.3.1.2 Parámetros fundamentales ................................................................................. 36

2.3.1.3 Baterías de plomo-ácido ...................................................................................... 38

Historia ........................................................................................................... 38

Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas ..................................... 40

Características, ventajas y limitaciones .......................................................... 44

Aplicación en coches eléctricos ...................................................................... 47

2.3.1.4 Baterías basadas en el níquel .............................................................................. 48

a) Baterías de níquel-cadmio ...................................................................... 49

Historia ................................................................................................... 49

Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas .............................. 51

Características, ventajas y limitaciones ................................................... 52

Aplicación en coches eléctricos ............................................................... 55

b) Baterías de níquel-hidruro metálico ....................................................... 56

Historia ................................................................................................... 56

Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas ............................. 56

Características, ventajas y limitaciones ................................................... 59



2

Aplicación en coches eléctricos ............................................................... 61

2.3.1.5 Baterías de ion-litio .............................................................................................. 62

Historia ........................................................................................................... 62

Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas ..................................... 63

Características, ventajas y limitaciones .......................................................... 65

Aplicación en coches eléctricos ...................................................................... 67

2.3.1.6 Baterías de metal-aire ......................................................................................... 68

a) Baterías de aluminio-aire ........................................................................ 71

b) Baterías de zinc-aire ............................................................................... 73

c) Baterías de litio-aire ................................................................................ 74

Resumen y conclusiones de las baterías de metal-aire .................................. 76

2.3.1.7 Baterías de base Sodio ......................................................................................... 77

a) Baterías de sulfuro de sodio ................................................................... 77

b) Baterías ZEBRA ........................................................................................ 79

2.3.1.8 Supercondensadores ........................................................................................... 80

2.3.1.9 Comparativa y conclusiones ................................................................................ 83

2.3.2 Motor eléctrico ....................................................................................................... 84

2.3.2.1 Breve historia del motor eléctrico ....................................................................... 85

2.3.2.2 Elementos básicos de los motores eléctricos ...................................................... 91

2.3.2.3 Tipos de motores eléctricos ................................................................................. 93

2.3.2.4 Comparación con motores de combustión interna ............................................. 97

2.3.3 Electrónica de potencia ........................................................................................ 103

Conversor ..................................................................................................... 103

Inversor ......................................................................................................... 104

Resumen y conclusiones ............................................................................... 105

2.3.4 Sistemas de recuperación de energía ................................................................... 107

2.3.4.1 Sistema de frenada regenerativa ...................................................................... 108

2.3.4.1 Sistema de suspensión regenerativa ................................................................. 110

3. VEHÍCULO HÍBRIDO ............................................................................................................ 111

3.1 Historia del coche híbrido ............................................................................................ 111

3.2 Clasificación de los híbridos ......................................................................................... 120

3.2.1 Tipos de híbridos .................................................................................................. 120

3.2.2 Configuraciones de híbridos ................................................................................. 122



3

3.3 Componentes principales ............................................................................................ 125

3.3.1 Baterías ................................................................................................................. 126

3.3.2 Motor eléctrico ..................................................................................................... 127

3.3.3 Electrónica de potencia ........................................................................................ 127

3.3.4 Sistemas de recuperación de energía ................................................................... 128

3.3.5 Motor de combustión interna .............................................................................. 128

4. VEHÍCULOS DE HIDRÓGENO .............................................................................................. 131

4.1 Historia del vehículo de hidrógeno .............................................................................. 131

4.2 Tipos de vehículos de hidrógeno ................................................................................. 134

4.2.1 Vehículos con motor de combustión de hidrógeno ............................................. 134

4.2.2 Vehículos de hidrógeno de pilas de combustible ................................................. 135

4.3 Producción y almacenamiento de hidrógeno .............................................................. 136

4.3.1 Producción de hidrógeno ..................................................................................... 137

4.3.2 Almacenamiento de hidrógeno ............................................................................ 138

4.3.3 Transporte de hidrógeno ...................................................................................... 141

4.3.4 Hidrógeno y seguridad .......................................................................................... 141

4.3.5 Conclusiones ......................................................................................................... 142

4.4 Componentes principales ............................................................................................ 143

4.4.1 Pila de combustible .............................................................................................. 143

4.4.2 Depósito de hidrógeno ......................................................................................... 146

4.4.3 Motor eléctrico ..................................................................................................... 147

4.4.4 Batería................................................................................................................... 147

5. ESTUDIO DEL IMPACTO ECONÓMICO, ENÉRGÉTICO Y MEDIOAMBIENTAL ...................... 149

5.1 Vehículo eléctrico ............................................................................................................ 150

5.1.1 Estudio de mercado .............................................................................................. 150

5.1.2 Modelo representativo ......................................................................................... 150

5.1.3 Comparativa con el modelo de combustión ......................................................... 151

5.1.4 Estudio económico ............................................................................................... 155

5.1.5 Estudio del impacto energético ............................................................................ 159

5.1.6 Estudio del impacto medioambiental................................................................... 164

5.2 Vehículo híbrido .............................................................................................................. 166





4

5.2.3 Comparativa con el modelo de combustión ......................................................... 168

5.2.4 Estudio económico ............................................................................................... 170

5.2.5 Estudio del impacto energético ............................................................................ 174

5.2.6 Estudio del impacto medioambiental................................................................... 175

5.3 Vehículo de hidrógeno .................................................................................................... 176



5.3.3 Comparativa con las otras alternativas ................................................................ 178

5.3.4 Estudio del impacto económico, energético y medioambiental .......................... 179

5.4 Modelo de decisión ......................................................................................................... 180

5.4.1 Funcionamiento .................................................................................................... 181

5.4.2 Análisis de casos reales ......................................................................................... 183

6. Estudios futuros ................................................................................................................. 195

6.1 Baterías ............................................................................................................................ 195

6.2 Infraestructura de recarga. Baterías intercambiables .................................................... 197

6.3 Mejora en las prestaciones dinámicas ............................................................................ 199

7. Conclusiones ...................................................................................................................... 201

8. Referencias ........................................................................................................................ 203



5

Índice de Figuras

FIGURA 1.1.1. DEPENDENCIA ENERGÉTICA EN ESPAÑA Y UE27. .............................................................. 13

FIGURA 1.1.2. EVOLUCIÓN DEL PRECIO DEL PETRÓLEO. .......................................................................... 14

FIGURA 1.1.3. REACCIÓN DE COMBUSTIÓN REAL Y SUS POSIBLES PRODUCTOS CONTAMINANTES. .................. 15

FIGURA 1.1.4. COMPOSICIÓN APROXIMADA DE LOS GASES DE ESCAPE EN MOTORES DE GASOLINA Y DIÉSEL. ... 16

FIGURA 2.1. PRIMER COCHE ELÉCTRICO, THOMAS DAVENPORT (1834). ................................................... 21

FIGURA 2.2. PRIMER COCHE ELÉCTRICO FUNCIONAL, ROBERT ANDERSON (1832-1839) ............................. 22

FIGURA 2.3. . HENRY G. MORRIS Y PEDRO G. SALOM EN SU ELECTROBAT (1894) ..................................... 23

FIGURA 2.4. DIBUJO DE “LA JAMAIS CONTENTE” (1899) ....................................................................... 24

FIGURA 2.5. CADENA DE PRODUCCIÓN DEL FORD T (1908) .................................................................... 25

FIGURA 2.6. CARTEL PUBLICITARIO DE LA SOCIÉTÉ DES VÉHICULES ELECTRIQUES, DE SOVEL (1925) .............. 26

FIGURA 2.7. CGE TUDOR (1941) ...................................................................................................... 27

FIGURA 2.8. HENNEY KILOWATT (1959) ............................................................................................. 28

FIGURA 2.9. FORD COMUTA (1967) .................................................................................................. 29

FIGURA 2.10. CITICAR (1974) .......................................................................................................... 30

FIGURA 2.11. GENERAL MOTORS EV1 (1996-1999) ........................................................................... 31

FIGURA 2.12. TESLA ROADSTER (2006) .............................................................................................. 32

FIGURA 2.13. COCHE ELÉCTRICO MÁS VENDIDO DE LA HISTORIA, NISSAN LEAF (2010) .............................. 33

FIGURA 2.14. ESQUEMA GENERAL DE UNA CELDA O ELEMENTO DE UNA BATERÍA ....................................... 36

FIGURA 2.15. BATERÍA PB-ÁCIDO DE GASTON PLANTÉ (1859) ............................................................... 39

FIGURA 2.16. BATERÍA PB-ÁCIDO, MOSTRANDO LA GEOMETRÍA EN ESPIRAL DE SUS COMPONENTES .............. 40

FIGURA 2.17. ESQUEMA DE UNA BATERÍA DE PB-ÁCIDO TRADICIONAL ...................................................... 41

FIGURA 2.18. REACCIONES ELECTROQUÍMICAS EN LA CARGA DE LAS BATERÍAS PB-ÁCIDO ............................. 41

FIGURA 2.19. REACCIONES ELECTROQUÍMICAS EN LA DESCARGA DE LAS BATERÍAS PB-ÁCIDO ........................ 42

FIGURA 2.20. REACCIONES AL SOBRECALENTAR UNA CELDA DE PB-ÁCIDO. ................................................ 43

FIGURA 2.21. COCHE ELÉCTRICO REVAI, CON BATERÍAS DE PB-ÁCIDO (2009) .......................................... 48

FIGURA 2.22. PRIMERA BATERÍA DE NICD, INVENTADA POR WALDMAR JUNGNER EN 1899 ........................ 49

FIGURA 2.23. BATERÍA DE NICD EN DISPOSICIÓN DE "JELLY ROLL" ........................................................... 50

FIGURA 2.24. REACCIONES ELECTROQUÍMICAS EN LA DESCARGA DE LAS BATERÍAS DE NICD ......................... 51

FIGURA 2.25. FORD TH!NK (2002) .................................................................................................... 55

FIGURA 2.26. ESQUEMA DE BATERÍA DE NIMH DE DISPOSICIÓN CILÍNDRICA .............................................. 57

FIGURA 2.27. REACCIONES DURANTE LA DESCARGA DE LAS BATERÍAS DE NIMH. ........................................ 57



6

FIGURA 2.28. BATERÍA COMERCIAL DE NIMH CON VENTILADORES. ......................................................... 60

FIGURA 2.29. FORD RANGER EV (1997 - 2002) .................................................................................. 61

FIGURA 2.30. BATERÍA DE NIMH DE UN TOYOTA PRIUS (2008) ............................................................. 62

FIGURA 2.31. FLUJO DE LOS IONES EN LAS BATERÍAS DE ION-LITIO............................................................ 64

FIGURA 2.32. PARTES Y FUNCIONAMIENTO DE UNA BATERÍA DE ION-LITIO DE FORMA CILÍNDRICA. ................ 65

FIGURA 2.33. VALORES NOMINALES DE LAS BATERÍAS DE ION-LITIO .......................................................... 65

FIGURA 2.34. “ACCIONA 100% ECOPOWERED”, PRIMER COCHE ELÉCTRICO EN PARTICIPAR EN UN DAKAR

(2015) .................................................................................................................................. 68

FIGURA 2.35. ESQUEMA GENERAL DE LAS BATERÍAS DE METAL-AIRE ......................................................... 69

FIGURA 2.36. ESQUEMA DE REACCIONES ELECTROQUÍMICAS PARA BATERÍAS METAL-AIRE............................ 70

FIGURA 2.37. ESQUEMA GENERAL DE LAS BATERÍAS DE ALUMINIO-AIRE. ................................................... 71

FIGURA 2.38. COCHE ELÉCTRICO DE PHINERGY ..................................................................................... 72

FIGURA 2.39. ESQUEMA DE UNA BATERÍA DE ZINC-AIRE ......................................................................... 73

FIGURA 2.40. ESQUEMA GENERAL DE LAS BATERÍAS DE LITIO-METAL ........................................................ 74

FIGURA 2.41. ESQUEMA DE BATERÍAS DE LITIO-AIRE MIXTAS. .................................................................. 75

FIGURA 2.42. ESQUEMA DE BATERÍAS DE LITIO-AIRE CON ELECTROLITO POLIMÉRICO CERÁMICO.................... 76

FIGURA 2.43. ESQUEMA DE LAS BATERÍAS DE SODIO-AZUFRE .................................................................. 78

FIGURA 2.44. ESQUEMA DE LAS BATERÍAS ZEBRA (NA-NICL2) ............................................................... 80

FIGURA 2.45. DISEÑO Y FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE UN SUPERCAPACITOR ............................................. 81

FIGURA 2.46. ESTRUCTURA DEL GRAFENO ........................................................................................... 82

FIGURA 2.47. GRAFICA COMPARATIVA DE LAS BATERÍAS UTILIZADAS EN LOS VEHÍCULOS ELÉCTRICOS ............. 84

FIGURA 2.48. ROTOR ELECTROMAGNÉTICO DE FARADAY (1821) ............................................................ 85

FIGURA 2.49. RUEDA DE BARLOW (1823) .......................................................................................... 86

FIGURA 2.50. MOTOR ELÉCTRICO DE DAL NEGRO (1830) ...................................................................... 86

FIGURA 2.51. MOTOR ELÉCTRICO DE THOMAS DAVENPORT (1831) ........................................................ 87

FIGURA 2.52. MOTOR ELÉCTRICO ROTATIVO DE JACOBI (1834) .............................................................. 87

FIGURA 2.53. PRIMER MOTOR DE CHARLES G. PAGE (1838) .................................................................. 88

FIGURA 2.54. ESQUEMA DEL PRIMER MOTOR DE INDUCCIÓN DE CORRIENTE ALTERNA DE FERRARIS (1885) .... 89

FIGURA 2.55. MOTOR SÍNCRONO DE HASELWANDER (1887) ................................................................. 90

FIGURA 2.56. PRIMER MOTOR TRIFÁSICO DE DOLIVO-DOBROWOLSKY (1890) .......................................... 91

FIGURA 2.57. SECCIÓN GENERAL DE MOTOR ELÉCTRICO ......................................................................... 92

FIGURA 2.58. TIPOS DE MOTORES ...................................................................................................... 93



7

FIGURA 2.59. ESQUEMA DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN (IZQ.) Y UNO SÍNCRONO DE IMÁN PERMANENTE (DCHA.)

............................................................................................................................................. 95

FIGURA 2.60. MOTOR DE IMANES PERMANENTES DE CORRIENTE ALTERNA ................................................ 96

FIGURA 2.61. MOTOR DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA ................................................................... 97

FIGURA 2.62. GRÁFICAS DE PAR-VELOCIDAD Y POTENCIA-VELOCIDAD ....................................................... 98

FIGURA 2.63. ESQUEMA CONJUNTO MOTOR ELÉCTRICO EN UN VEHÍCULO ELÉCTRICO ................................ 100

FIGURA 2.64. MAPA DE EFICIENCIA DE UN MOTOR ELÉCTRICO............................................................... 102

FIGURA 2.65. CONVERSOR Y SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO .......................................................... 103

FIGURA 2.66. INVERSOR Y SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ............................................................. 104

FIGURA 2.67. ESQUEMA BÁSICO DE UN CONVERTIDOR BOOST .............................................................. 105

FIGURA 2.68. ESQUEMA BÁSICO DE UN SISTEMA DE ELECTRÓNICA DE ..................................................... 106

FIGURA 2.69. ESQUEMA BÁSICO DE UN SISTEMA DE ELECTRÓNICA DE ..................................................... 106

FIGURA 2.70. FUNCIONAMIENTO SISTEMA DE FRENADA REGENERATIVA ................................................. 109

FIGURA 2.71. SISTEMA DE SUSPENSIÓN REGENERATIVO DE INTERTRONIC GRESSER GMBH......................... 110

FIGURA 3.1. COMPAÑÍA ARNOLD 1896 ............................................................................................ 111

FIGURA 3.2. VOITURETTE DISEÑADA POR LOS HERMANOS PIEPER (1899) ............................................... 112

FIGURA 3.3. VEHÍCULO HÍBRIDO LOHNER-PORSCHE (1899) ................................................................. 113

FIGURA 3.4. LOHNER-PORSCHE CON TRACCIÓN A LAS 4 RUEDAS (1903) ................................................ 114

FIGURA 3.5. VEHÍCULO HIBRIDO DE GENERAL MOTORS, GM512 (1969) .............................................. 115

FIGURA 3.6. ANUNCIO DE OPEL KADETT STIR-LEC I (1969) .................................................................. 116

FIGURA 3.7. PRIMER AUDI HÍBRIDO, AUDI DUO (1989) ...................................................................... 117

FIGURA 3.8. TOYOTA PRIUS DE LA FLOTA DE TAXIS DE MADRID (2009 - PRESENTE) .................................. 119

FIGURA 3.9. SUPERDEPORTIVO HÍBRIDO: PORSCHE 918 SPYDER ........................................................... 119

FIGURA 3.10. ESQUEMA DE CONFIGURACIÓN HÍBRIDA EN PARALELO ...................................................... 123

FIGURA 3.11. ESQUEMA DE CONFIGURACIÓN HÍBRIDA EN SERIE ............................................................ 124

FIGURA 3.12. ESQUEMA DE CONFIGURACIÓN HÍBRIDA COMBINADA ....................................................... 124

FIGURA 3.13. RATIO DE USO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN Y EL ELÉCTRICO PARA CADA CONFIGURACIÓN. .... 125

FIGURA 3.14. ESQUEMA DE UN SISTEMA DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA DE UNA HÍBRIDO ENCHUFABLE ....... 127

FIGURA 4.1. PRIMER VEHÍCULO DE COMBUSTIÓN INTERNA DE HIDRÓGENO Y DE LA HISTORIA ..................... 132

FIGURA 4.2. CONFIGURACIÓN DE LA PILA DE COMBUSTIBLE DE WILLIAM R. GROOVE ................................ 132

FIGURA 4.3. DISEÑO DE BMW DE UN VEHÍCULO CON MOTOR DE COMBUSTIÓN DE HIDRÓGENO ................. 135

FIGURA 4.4. DISEÑO DEL VEHÍCULO BASADO EN PILA DE COMBUSTIBLE, MERCEDES-BENZ CLASE B F CELL. .. 136

FIGURA 4.5. COMPONENTES PRINCIPALES VEHÍCULO DE PILA DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO .................. 143



8

FIGURA 4.6. ESQUEMA DEL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO 144

FIGURA 4.7. EXTERIOR DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE EN SU APLICACIÓN PARA VEHÍCULOS (NISSAN) .......... 145

FIGURA 4.8. ESQUEMA TANQUE DE HIDRÓGENO COMPRIMIDO ............................................................. 146

FIGURA 5.1. COMPARATIVA DE CARACTERÍSTICAS Y PRESTACIONES DE LOS VEHÍCULOS ELÉCTRICOS VS

COMBUSTIÓN ........................................................................................................................ 154

FIGURA 5.2. CAPTURA DE PANTALLA DE LOS DATOS DE LOS VEHÍCULOS EN EL MODELO DE DECISIÓN (EXCEL) . 182

FIGURA 5.3. CAPTURA DE PANTALLA DE LOS CÁLCULOS Y RESULTADOS EN EL MODELO DE DECISIÓN (EXCEL) . 183

FIGURA 5.4. CAPTURA DE PANTALLA DE LOS CÁLCULOS Y RESULTADOS EN EL MODELO DE DECISIÓN PARA EL

CASO 1 ................................................................................................................................. 184


CASO 2 ................................................................................................................................. 186


CASO 3 ................................................................................................................................. 188


CASO 4 ................................................................................................................................. 189


CASO 5 ................................................................................................................................. 191

FIGURA 6.1. EVOLUCIÓN DEL PRECIO DE LAS BATERÍAS DE ION-LITIO DE LOS COCHES ................................. 196

FIGURA 6.2. MAPA DE LAS ESTACIONES DE RECARGA EN LA ZONA AL SUR DE MADRID ............................... 198



9

Índice de Tablas

TABLA 1.1. EVOLUCIÓN DE LAS NORMAS EURO PARA TURISMOS CON MOTORES GASOLINA ......................... 18

TABLA 1.2. EVOLUCIÓN DE LAS NORMAS EURO PARA TURISMOS CON MOTORES DIÉSEL .............................. 18

TABLA 1.3. IMPUESTOS DE MATRICULACIÓN EN ESPAÑA. ....................................................................... 19

TABLA 2.1. VALORES NOMINALES DE LAS BATERÍAS DE PB-ÁCIDO ............................................................. 44

TABLA 2.2. VALORES NOMINALES DE LAS BATERÍAS DE NICD ................................................................... 53

TABLA 2.3. VALORES NOMINALES DE LAS BATERÍAS DE NIMH ................................................................. 59

TABLA 2.4. DIFERENTES CONFIGURACIONES DE BATERÍAS DE ION-LITIO SEGÚN EL MATERIAL ACTIVO DEL

CÁTODO ................................................................................................................................. 63

TABLA 2.5. COMPARATIVA DE LAS DIFERENTES TECNOLOGÍAS DE BATERÍAS METAL-AIRE .............................. 70

TABLA 2.6. RESUMEN BATERÍAS DE METAL-AIRE MÁS IMPORTANTES ........................................................ 76

TABLA 2.7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE LOS MOTORES ELÉCTRICOS DE C.A Y DE C.C. ........................... 94

TABLA 2.8. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS PRINCIPALES MOTORES ELÉCTRICOS. ................................... 95

TABLA 2.9. RESUMEN DE LAS PRINCIPALES TÉCNICAS DE RECUPERACIÓN DE ENERGÍA. ............................... 108

TABLA 4.1. EFICIENCIAS VOLUMÉTRICAS Y MÁSICAS DE DIFERENTES TECNOLOGÍAS DE ALMACENAMIENTO DE

HIDRÓGENO .......................................................................................................................... 139

TABLA 5.1. FICHA TÉCNICA VOLKSWAGEN E-GOLF............................................................................... 151

TABLA 5.2. FICHA TÉCNICA VOLKSWAGEN GOLF 1.6 TDI BMT ............................................................. 152

TABLA 5.4. FICHA TÉCNICA TOYOTA MIRAI ........................................................................................ 177



10


Alternativas al Automóvil Convencional – Introducción

11

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Motivación del proyecto

Desde hace algunos años, especialmente con la creciente preocupación

por el medio ambiente y las recientes crisis del petróleo, la apuesta por

buscar alternativas al automóvil convencional se está volviendo una

prioridad. Por ello se está invirtiendo mucho tiempo y dinero, no solo los

grandes referentes en la industria del automóvil, sino también los gobiernos

de muchos países que ofrecen ayudas económicas, con el fin de dar un

empujón definitivo a este sector.

Hoy en día, parece que se está a punto de llegar a un punto de inflexión,

en el que está claro que los vehículos de combustión interna irán perdiendo

protagonismo progresivamente hasta una hipotética desaparición. Lo que

no resulta tan evidente es que alternativas serán las que tengan más

desarrollo en un futuro, y mucho menos aún el ritmo al que se irá

desplazando al vehículo convencional.

Otro tema es que, aunque la sociedad se preocupe cada vez más por

buscar alternativas que cuiden el medio ambiente, para la mayoría de la

población todavía tiene más peso el factor económico, en especial en estos

tiempos de crisis. Con este fin, se abordarán estas alternativas al vehículo

de combustión interna con dos vertientes bien diferentes: Por un lado, se

estudiará de una manera más técnica las alternativas principales,

explicando los conceptos básicos de cada tecnología; y por otro, se hará un

estudio económico de detalle de cada alternativa, con un estudio del

mercado actual, para un cliente tipo y haciendo especial hincapié en la

amortización que requeriría la compra de estos vehículos, frente al uso del

convencional. Además, se harán estudios de tanto el impacto energético

como del impacto medioambiental para cada tecnología.

1.2 Movilidad Sostenible

Hay un concepto que destaca para la contextualización de este

proyecto: La movilidad sostenible. Este término viene del de sostenibilidad



12

o desarrollo sostenible, cuya primera definición y más relevante aparece en

la Comisión Mundial de Medio Ambiente y Desarrollo de 1987, más

conocido como Informe Brundtland: “El desarrollo que satisface las

necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las

posibilidades de las generaciones futuras para satisfacer sus propias

necesidades.”

Por tanto no se refiere únicamente a una dimensión medioambiental,

sino que también se refiere a cuestiones sociales y económicas. Aplicado al

ámbito que nos ocupa, la movilidad sostenible tiene que proteger el medio

ambiente, respondiendo también a las necesidades económicas y sociales.

Según la Ley 9/2003 de la Movilidad: “Movilidad sostenible es la movilidad

que se satisface en un tiempo y con unos costes razonables y que minimiza

los efectos negativos sobre el entorno y la calidad de vida de las personas”.

Las alternativas al vehículo de combustión interna son por tanto, una

necesidad para poder llegar a la movilidad sostenible, ya que solucionarían

total o parcialmente los grandes problemas del transporte de hoy en día,

como el excesivo consumo de energía, la contaminación del aire y los

peligrosos efectos sobre la salud de los ciudadanos.

1.3 El consumo de energía

Según datos de 2010 proporcionados por el Instituto para la

Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), en España el sector del

transporte lleva siendo el mayor consumidor de energía mucho tiempo,

muy por encima de la industria, comercio o del sector residencial, como se

observa en la Figura 1.1. El transporte directo supone cerca del 40% del

consumo de energía nacional final, siendo un 80 % de este consumo

provocado por el transporte por carretera. Eso sin tener en cuenta el coste

de mantenimiento y de fabricación de vehículos y carreteras, llegando la

energía acumulada a configurar alrededor del 50 % del total.

No sólo eso, sino que además prácticamente la totalidad de los

combustibles usados para el transporte tienen su origen en los derivados

del petróleo. Esto contribuye enormemente a que la dependencia

energética en España, una de las más grandes de Europa, esté próxima al



13

80%, muy por encima del 54% de la media europea. Todo ello se observa en

la Figura 1.2.

Figura 1.1 Evolución estructura sectorial de la demanda de energía final. Fuente: MITYC/IDAE.

Figura 1.1.1. Dependencia energética en España y UE27. Fuente: EUROSTAT (2009)/ MITYC (2010)

Otro factor a tener en cuenta, es que esta dependencia energética en

los derivados del petróleo, provoca inestabilidad por varias razones. Por un

lado, se trata de un recurso cuyas grandes reservas están en países con

gobiernos inestables, con las condiciones de inseguridad que esto provoca



14

para el resto de gobiernos y consumidores. Esto, sumado a que se trata de

un recurso cada vez más escaso, y no renovable a corto plazo, y la gran

fluctuación de sus precios (Figura 1.3), provoca una tremenda

incertidumbre en el sector del transporte.

En la cotización del petróleo intervienen varios factores como la relación

de consumo y demanda y otros factores económicos, la especulación,

factores geopolíticos-militares y factores tecnológicos. Sin embargo, la gran

controladora del precio del petróleo es la OPEP (Organización de Países

Exportadores de Petróleo), al controlar aproximadamente la mitad de la

producción mundial de petróleo y el más del 80% de las reservas.

La OPEP tiene especial influencia si decide aumentar o limitar su nivel

de producción, siendo esta una de las principales razones de la caída de los

precios en 2014, al anunciar la decisión de limitar su producción a 30

millones de barriles por día. Además, seguramente otra razón haya sido por

la guerra de precios entre la OPEP y Estados Unidos, que gracias al boom de

la producción no convencional, fundamentalmente tight oil y shale gas, ha

aumentado su producción de crudo reduciendo en casi un 20% su

importación. De lo que no cabe duda es que volverán a subir los precios,

pues este desplome del precio del petróleo no es novedoso, en 2008 sin ir

más lejos. En aquella ocasión a los pocos meses se volvieron a alcanzar los

precios altos, prueba de la gran oscilación de los precios y de la inestabilidad

del petróleo como fuente de energía a corto y largo plazo.

Figura 1.1.2. Evolución del precio del petróleo. Fuente: Bloomberg



15

Por las razones explicadas anteriormente, en este sector es fácil ver de

nuevo la necesidad de buscar alternativas al vehículo de combustión

interna, con el fin de reducir el consumo de energía, en especial reduciendo

el consumo de derivados del petróleo, y con ello los problemas que conlleva

el petróleo, y así además reducir la dependencia energética de España.

1.4 Contaminación atmosférica

El amplio uso de motores de combustión interna en el transporte, es

uno de los principales emisores de contaminantes a la atmosfera. Por ello se

estudia brevemente a continuación el proceso de combustión y sus efectos.

1.4.1 La reacción de combustión y sus productos

Ya no parece albergarse ninguna duda de la relación entre las emisiones

de dióxido de carbono (CO2) con el efecto invernadero y calentamiento

global, siendo los vehículos de combustión interna una de las principales

causas de dichas emisiones. No solo eso, sino que además en estos

vehículos la combustión no es ideal, pudiéndose encontrar otras sustancias

en los gases de escape, como representa la Figura 1.4:

Figura 1.1.3. Reacción de combustión real y sus posibles productos contaminantes. Fuente: Motores Térmicos y sus s istemas auxi l iares. David González Cal le ja. Paraninfo, 2013.



16

A parte del dióxido de carbono (CO2) y del agua (H2O), otros posibles

productos contaminantes pueden ser el nitrógeno (N2), el monóxido de

carbono (CO), óxidos nítricos (NOX), plomo (Pb), dióxido de azufre (SO2),

hidrocarburos (HC) y material particulado (MP). Todas ellas son sustancias

tóxicas que contribuyen a diferentes problemas medioambientales como la

lluvia ácida o la niebla contaminante (smog fotoquímico), a parte del ya

mencionado calentamiento global. A su vez, algunas de estas sustancias son

extremadamente peligrosas para la salud del ser humano, por ejemplo una

proporción del 0,4% de CO en el aire puede ser mortal en menos de una

hora, el NOX irrita los órganos respiratorios pudiendo destruir tejido

pulmonar, y el MP puede producir asma, cáncer de pulmón, problemas

cardiovasculares y muerte prematura.

Las emisiones de gases tóxicos (CO, NOX, SO2, Pb, HC y MP) no

representan más que una mínima parte de la composición total de los gases

de escape, tanto para motores gasolina como diésel, representada en la

Figura 1.5.

Figura 1.1.4. Composición aproximada de los gases de escape en motores de gasolina y diésel. Fuente: Motores Térmicos y sus s istemas auxi l iares. David González Cal le ja. Paraninfo, 2013.

A pesar de ello, la gran cantidad de estos motores que hay circulando

hace que haya una gran cantidad total de sustancias tóxicas muy peligrosa

para el medio ambiente y el ser humano.



17

1.4.2 Ruido

Otro contaminante, y probablemente uno de los más molestos, es el

ruido. Si bien no se trata de una contaminación que se acumule, traslade o

mantenga en el tiempo como otras, la contaminación acústica o sonora

repercute directamente en la calidad de vida de las ciudades. Según

estudios llevados a cabo en las ciudades de España, el 85% de la población

está sometida a un ruido superior a 70 decibelios, límite superior deseable

según un informe de la OMS (Organización Mundial de la Salud). Además

España en concreto, es el segundo país más ruidoso del mundo tras Japón, y

por tanto el primero de Europa.

El ruido no solo interfiere con las actividades más básicas de los seres

humanos, como dormir, comunicarse o estudiar. Además puede llegar a ser

muy peligroso para el ser humano, y dependiendo de su intensidad puede

producir efectos fisiológicos (pérdida total o parcial de la audición, aumento

de la presión arterial y dolor de cabeza, aumento del colesterol y de los

triglicéridos con los consiguientes riesgos de problemas de corazón, infartos

a personas con previos problemas cardiovasculares, etc.) y psicológicos

(incapacidad, insomnio, estrés, depresión, irritabilidad y agresividad, etc.).

Con la introducción de alternativas a vehículos de combustión interna,

se puede llegar a reducir totalmente la principal fuente de ruido en el

tráfico urbano: la parte mecánica del vehículo, básicamente el procedente

del motor y del escape. Otras fuentes de ruidos como lo son el de rodadura,

producido por el rozamiento de los neumáticos, y el aerodinámico

permanecen igual que con los vehículos convencionales, pendientes de

nuevos avances en sus ámbitos.

1.4.3 Evolución de la normativa anticontaminación

Estudios medioambientales llevados a partir de 1970 revelaron que,

como se ha explicado en apartados anteriores, la atmósfera está altamente

contaminada causado en gran parte por el uso de motores de combustión

interna, y en concreto por el uso de éstos en vehículos. Ante esto los

gobiernos reaccionaron, la Unión Europea dictó leyes que regulaban las

emisiones de los gases de escape de combustión de los vehículos. En las



18

tablas a continuación se observa la evolución de las diferentes normas

EURO que surgieron para regular las contaminaciones que emiten todo tipo

de vehículos en función del tipo de vehículo y de motor, en concreto se

muestran la de los turismos tanto con motores de gasolina y motores diésel

en las tablas 1.1 y 1.2 respectivamente:

Tabla 1.1. Evolución de las normas EURO para turismos con motores gasolina Fuente: Motores Térmicos y sus s istemas auxi l iares. David González Cal le ja. Paraninfo, 2013.

Tabla 1.2. Evolución de las normas EURO para turismos con motores diésel Fuente: Motores Térmicos y sus s istemas auxi l iares. David González Cal le ja. Paraninfo, 2013.

Un caso especial, es el del CO2. La regulación de las emisiones de este

gas contaminante no está reflejado en las normas EURO. Esto no significa

que no se hayan producido acuerdos internacionales, como por ejemplo en

el Protocolo de Kioto, con el objetivo de disminuir las emisiones de los gases

de efecto invernadero y con especial énfasis en el CO2.

Además sus límites de emisiones están regulados a partir de 2009, por

una normativa europea (EC, No 443/2009), que marca como límite 130

gramos de CO2 por kilómetro, siendo el objetivo para 2020 de 95 g/km de

CO2. Cabe destacar que este valor límite no se aplica individualmente a cada

vehículo fabricado, sino a la media de toda la flota de vehículos fabricados

por un fabricante en un año. Hay pequeñas variaciones en el valor límite de



19

emisiones de CO2 para cada fabricante, según el peso medio de todos los

vehículos de dicho fabricante en cada año.

A partir de 2012, los fabricantes que no vayan cumpliendo con este

valor límite, deberán pagar una “prima por exceso de emisiones”. Esta

sanción va ascendiendo gradualmente hasta alcanzar el máximo en 2015 de

95 € por cada vehículo del fabricante.

Por otro lado, en la mayoría de los países, no solo de la Unión Europea,

se vinculan las emisiones de CO2 con determinados impuestos relacionados

con los vehículos, como el de matriculación o el de circulación. Por ejemplo,

en España los impuestos de matriculación según las emisiones de CO2, con

excepciones de alguna Comunidad Autónoma que haya realizado alguna

modificación, son los mostrados en la Tabla 1.3:

Para poder cumplir con las normativas de emisiones, cada vez más y

más estrictas, muchos fabricantes coinciden en que habrá un momento que

con mejorar los sistemas anticontaminación de los motores de combustión

interna no será suficiente.

Tabla 1.3. Impuestos de matriculación en España. Fuente: Agencia Tr ibutaria

Estos sistemas de anticontaminación, cada vez más caros, tratan las

emisiones contaminantes sobre todo los vapores de aceite, vapores de

gasolina y gases de escape. Para ello emplean válvulas, filtros, catalizadores

y sondas lambda, sistemas de recirculación de los gases de escape EGR,

unidades de control y diagnóstico, etc.

Con el complicado futuro de los motores de combustión interna con las

normativas, paralelamente a la mejora del rendimiento de estos motores y

de sus sistemas de anticontaminación, los fabricantes comienzan a apostar

seriamente por la introducción de propulsiones alternativas que evitarán



20

todos los problemas de emisiones mencionados. Es cierto que resolvería el

problema de los fabricantes, que principalmente se preocupan por cumplir

la normativa, pero además se cuidaría el medio ambiente y con ello la salud

de los seres humanos, que no es otra cosa que el objetivo de los gobiernos

al imponer estas normativas.


Alternativas al Automóvil Convencional – Vehículo Eléctrico

21

2. VEHÍCULO ELÉCTRICO

2.1 Historia del coche eléctrico

Es de creencia general, que la aparición de los coches eléctricos es algo

novedoso, del siglo XXI. Sin embargo, hay que remontarse casi dos siglos

para encontrar los primeros, antes incluso que la aparición de los de

gasolina. En concreto, en su comienzo hubo épocas en los que los coches

eléctricos superaban diez a uno a los modelos de combustión interna.

Desde entonces ha ido teniendo altibajos, y a partir de comienzos del siglo

XX ha sido siempre superado por el de gasolina. A diferencia de entonces,

las condiciones actuales de la tecnología junto con la situación social son

idóneas, y todo parece indicar a que esta vez no será solo una moda de

unos años, sino que parece que han llegado para quedarse. El motor de

combustión interna será sustituido muy probablemente por otro sistema de

propulsión, y muy posiblemente se trate del eléctrico.

Todo comenzó tras grandes avances en el campo del

electromagnetismo, a principio del siglo XIX, que permitieron que en 1834

Thomas Davenport, un herrero norteamericano, fabricase lo que por

algunos se considera el primer coche eléctrico (Figura 2.1). Se trataba de un

pequeño motor eléctrico con una batería no recargable, que recorría entre

15 y 30 kilómetros sobre una trayectoria electrificada fija. Esta idea tuvo

gran éxito durante la segunda mitad del siglo, ya que fue la precursora de la

electrificación de los tranvías.

Figura 2.1. Primer coche eléctrico, Thomas Davenport (1834). Fuente:Motorpasión



22

Por otro lado, al tratarse el experimento de Davenport de un proyecto a

escala siguiendo una trayectoria circular sobre vías electrificadas, se

considera que el verdadero primer vehículo eléctrico funcional lo construyó

entre 1832 y 1839 el escocés Robert Anderson.

Figura 2.2. Primer coche eléctrico funcional, Robert Anderson (1832-1839) Fuente: Ecointel igencia

1859 fue un año clave para el desarrollo del coche eléctrico, año en el

que el físico francés Gaston Planté realizó, analizó y dio a conocer las

baterías de plomo-ácido, mejorando lo que había demostrado Wilhelm J.

Sinsteden en 1854. La principal innovación de este tipo de baterías, que

sirvieron de base a las que se utilizan hoy en día, es que se trataban de unas

baterías reutilizables, lo que implicó una revolución total para los coches

eléctricos. Hubo que esperar hasta 1881, para que Camille Alphonse Faure,

otro científico francés, mejorará las prestaciones de estas baterías

aumentando su capacidad y por tanto, despegase por completo el potencial

de los coches eléctricos a baterías.

A finales de siglo XIX, tras la aparición de las baterías recargables,

comienzan a aparecer cada vez más y más modelos de coches eléctricos. Así

surge en 1894, el primer vehículo eléctrico que tuvo éxito, el Electrobat

(Figura 2.2) diseñado y construido en Filadelfia por el ingeniero Henry G.

Morris y el químico Pedro G. Salom.

La primera versión de este modelo era lento, pesado y poco práctico,

pues para poder soportar el inmenso peso de la enorme batería de plomo-

ácido, tenía ruedas de acero. Versiones posteriores de este modelo,

pesaban menos y tenían ruedas neumáticas, alcanzaban autonomías de 40

km a una velocidad de 32 km/h.



23

Figura 2.3. . Henry G. Morris y Pedro G. Salom en su Electrobat (1894) The Outing Magazine, Volumen 51, Página 210 (1908)

A finales del siglo XIX y principios del XX, coexistieron los vehículos

eléctricos y los basados en motores de combustión interna. El coche

eléctrico se impuso en estas fechas al de gasolina, pues presentaba

numerosas ventajas sobre su competidor. Eran limpios y suaves de

conducir, además no generaban ruidos, malos olores, vibraciones ni eran

tan caros de mantener o de conseguir combustible, cualidades

características de los modelos de gasolina. Así mismo, el arranque era

mucho más sencillo y limpio, ya que el de los motores de gasolina se

realizaba con una manivela que además requería cierta fuerza, lo cual

limitaba más aún su uso. Otra ventaja del coche eléctrico se encontraba en

el cambio de marchas: mientras que los de combustión presentaban una

gran dificultad en el cambio o, si se hacían con una única relación de

marchas, precisaban de un alto tiempo de calentamiento antes de poner a

funcionar el vehículo, en los motores eléctricos se trataba de un proceso

inexistente. Otro gran problema de los modelos de gasolina era la necesidad

de cambiar el agua de refrigeración cada pocos kilómetros, mucho antes

que a los eléctricos, lo que le daba al vehículo eléctrico un mayor rango de

conducción.

Por tanto, a principios del siglo XX los coches eléctricos todavía

predominaban sobre los de combustión. Su llegada a las ciudades fue

progresiva, pues se fabricaron modelos para personalidades importantes, y



24

además presentaban un coste razonable para las clases altas. Por otro lado,

llegaron a la ciudad de la mano de compañías de taxis, primero en Inglaterra

y más adelante en Francia y Estados Unidos.

Todo parecía ir sobre ruedas, nunca mejor dicho, para los vehículos

eléctricos. Es más en 1899, le daba otro impulso Camille Jenatzy a esta

tecnología al superar con “La Jamais Contente" la barrera de los 100 km/h,

batiendo el record de velocidad vigente hasta entonces.

Figura 2.4. Dibujo de “La Jamais Contente” (1899) Fuente: Wikimedia

Pero según pasaban los primeros años del siglo XX, las cosas empezaron

a cambiar y pronto de produjo un renacimiento de los motores de

combustión interna por varias razones. Por un lado, el invento del motor de

arranque en 1911 por Charles F. Kettering, que se instaló en coches con

motores de combustión, resolvió el problema del incómodo y complicado

arranque con manivela. Además nuevas reservas petrolíferas fueron

descubiertas, con lo que la gasolina quedó mucho más barata y accesible,

además de tratarse de un repostaje mucho más rápido. Pero lo que

realmente desequilibró la balanza y precipitó la caída de los eléctricos, fue

la aparición del Ford T en 1908. Fue el resultado de la aplicación de las

teorías de Taylor sobre la producción en cadena y la perfecta combinación

de hombre y máquina, por parte de Henry Ford, a la industria del automóvil

y en concreto a los vehículos de combustión interna. Así se redujeron

radicalmente los precios de adquisición de estos vehículos, mientras que los

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ea/Jamais_contente.jpg



25

eléctricos, no aptos para la producción en cadena, seguían presentando

precios no accesibles para la clase media.

Figura 2.5. Cadena de producción del Ford T (1908) Fuente: S i lodrome

Además, surge la necesidad de aumentar la autonomía, pues la mejora

de la infraestructura de carreteras interestatales, sobretodo en Estados

Unidos, abre la posibilidad de hacer viajes largos. Esto benefició a los

vehículos de gasolina, ya que a pesar de los elevados consumos de

combustible que manejaban los coches por aquel entonces, el problema se

resolvía con depósitos grandes y una buena infraestructura de repostaje,

mientras que la autonomía de los eléctricos estaban muy limitados por la

tecnología de las baterías.

Este declive de los eléctricos no se adjudica únicamente a los cambios

económicos y tecnológicos, sino que había un trasfondo social. Según el

historiador francés Mathieu Flonneau: “Para ciertos sectores de la población

el coche eléctrico carecía de virilidad. No era lo suficientemente potente, era

demasiado silencioso y por encima de todo, era muy apreciado por las

mujeres. En una sociedad machista como la de la época, el motor térmico

con sus ruidos y sus escapes humeantes se veía como algo más

impresionante y exclusivo. De hecho, su complejidad mecánica hacía que las

mujeres quedarán excluidas en las tareas de reparación y convertía al motor

de combustión en un objeto decididamente masculino.” Influyera esto o no,

http://cdn.silodrome.com/wp-content/uploads/2012/08/ford-model-t-assembly-line.jpg



26

los modelos de gasolina ganaron la partida a los eléctricos, quedando éstos

olvidados, sin llegar a desaparecer por completo, pero pasaron a un

segundo plano durante gran parte del siglo XX. Se mantuvieron en la

sombra, como un método de propulsión alternativa con un gran potencial

sin explotar. Tuvo poca continuidad, se caracterizó por los altibajos de esta

tecnología y en general estuvo necesitado de épocas especiales como

guerras o crisis para volver a tomar protagonismo.

La primera reaparición de los eléctricos fue en 1920, cuando desde

Francia se le dio un gran impulso, al buscar reducir su dependencia en el

exterior ya que, entre otras, contaba con una amplia red eléctrica. Así, tras

unos años en los que revolucionaron el transporte público a través de esta

tecnología con los tranvías y el metro, en 1925 George Levy funda la Société

des Véhicules Electriques. En asociación con compañías especializadas, y

bajo las marcas Sovel y Vetra, llegó a fabricar anualmente cientos de

vehículos eléctricos comerciales en Francia. Seguramente por sus limitadas

prestaciones, 30 km de autonomía y 15 km/h, esta tendencia no se trasladó

lo esperado por Europa y sobre todo a Estados Unidos, y además no llegó a

los vehículos particulares, que seguían apostando por los vehículos de

combustión interna.

Figura 2.6. Cartel publicitario de la Société des Véhicules Electriques, de Sovel (1925) Fuente: Wikimedia

Durante la Segunda Guerra Mundial, la dificultad de conseguir gasolina

planteó la idea de buscar propulsiones alternativas, lo que impulso de



27

nuevo a los coches eléctricos. En esta ocasión, no solo con la aparición de

nuevos modelos, si no que muchos acondicionaron su coche para poder

equiparlo con motores eléctricos. Sin embargo, los vehículos eléctricos

también sufrieron la Guerra, ya que conseguir materiales como plomo o

cobre para las baterías era muy complicado. El modelo desarrollado en

1941 por el ingeniero francés Jean-Albert Grégorie, el C.G.E. Tudor (Figura

2.7), fue seguramente el más destacado al recorrer unos 250 km, la

distancia entre París y Tours, a 42 km/h con una sola carga de batería.

Figura 2.7. CGE Tudor (1941) Fuente: Wikimedia

Por lo que, a pesar de los problemas de suministro de la Guerra, fue una

buena época para la reaparición de los eléctricos, aunque fuese a pequeña

escala, que concluyó para Francia en 1942 con el decreto que prohibía la

electrificación de los vehículos.

Por entonces surgieron varios modelos, principalmente Peugeot VLV

(Voiture Légère de Ville) un coche urbano ligero en 1941 y la Tama Electric

una furgoneta eléctrica de Nissan y la Tokyo Electric Cars Company en 1947,

pero ninguno tuvo mucha repercusión.

Hay que avanzar hasta finales de los 50 y comienzos de los 60, para

encontrar el siguiente envite por parte de los eléctricos. En aquel momento,

la industria automovilística se había convertido en un pilar para el

desarrollo económico, y los coches un producto de masas tanto en Europa

como en Estados Unidos. Pero este progreso dejó también consecuencias



28

negativas, los coches se relacionaban con el peligro, los accidentes, los

atascos y la contaminación, lo que volvió a abrir las puertas de los

fabricantes y centros de investigación al vehículo eléctrico. En un mundo en

el que el coche cada vez más se consideraba un problema, surgen iniciativas

en muchos países a favor del eléctrico, se ponen de moda los minicoches

eléctricos y las scooters eléctricas. No se producen en grandes

proporciones, pero son representativos de un período en el que se

buscaban alternativas.

Así aparece, en 1959 en Estados Unidos, de la mano de Renault y Eureka

Williams, el Henney Kilowatt el primer vehículo eléctrico regulado por

transistores (Figura 2.8). Fue el precursor de muchos modelos eléctricos y

de la tecnología que se usaría en los sistemas híbridos de propulsión. Se

continuó con esta iniciativa en varios países, como en Italia donde Fiat

construyó también su prototipo, apoyado en el Fiat 1100.

Figura 2.8. Henney Kilowatt (1959) Fuente: Wikimedia

Y unos años más tarde, se presenta en el Salón de Ginebra de 1967, el

primer Ford eléctrico, el Ford Comuta (Figura 2.9), que con sus pequeñas

dimensiones, poco más de dos metros de largo, tenía la intención de

instalar el eléctrico en Estados Unidos para el transporte urbano, como

solución para los problemas de tráfico de las grandes ciudades.



29

Figura 2.9. Ford Comuta (1967) Fuente: Carsty ling

Hasta mediados de la década de los 70, desde que el vehículo de

gasolina le robase el protagonismo a principios del siglo XX, el vehículo

eléctrico no había sufrido más que pequeños empujones que hacía que a los

pocos años se olvidasen de ellos. No fue hasta la primera crisis del petróleo,

la crisis del petróleo de 1973, cuando la idea de retomar esta tecnología se

plantease como una seria alternativa. Y es que, la decisión de la

Organización de Países Árabes Exportadores de Petróleo de no exportar

petróleo a los aliados de Israel en la guerra de Yom Kippur, puso a los países

aliados (Estados Unidos y a gran parte de Europa Occidental) en jaque. Los

precios se dispararon, en apenas dos meses, de octubre a diciembre de

1973, el precio del petróleo se multiplicó por 4, lo que sumado a la gran

dependencia al petróleo del mundo industrializado, provocó una fuerte

inflación y tuvo fuertes consecuencias en la economía de los países

afectados.

Por tanto, surgió la necesidad de buscar alternativas al petróleo, y

muchos pensaron en el eléctrico. Con ello aparecen organizaciones como la

“Electric Vehicle Council” (Consejo del Vehículo Eléctrico) en Estados Unidos,

la “Tokyo Electric Power Co.” (Compañía de Energía Eléctrica de Tokio) en

Japón o “The Electricity Council” (Consejo de Electricidad) en Inglaterra, que

perseguían este fin.

Así los fabricantes empezaron a diseñar nuevos modelos eléctricos,

como por ejemplo el CitiCar (Figura 2.10), que empezó su producción en

1974 por la compañía estadounidense Sebring-Vanguard. Fue el primer



30

coche eléctrico producido en serie, fabricándose hasta 2000 unidades en 3

años.

Figura 2.10. CitiCar (1974) Fuente: Wikipedia

En 1980, Peugeot y Renault también presentaron sus modelos con la

variante eléctrica, el Peugeot 205 y el Renault Express, ambos equipados

con baterías de níquel-hierro y prestaciones muy similares, velocidad

máxima de entorno 100 km/h y autonomía de 140 km. Toyota y Mercedes-

Benz también hicieron sus prototipos, experimentando con baterías de zinc-

bromo y de sal fundida y de sulfuro de sodio respectivamente, obteniendo

resultados menos exitosos.

Por tanto, en las décadas de los 70 y 80, muchas compañías estuvieron

muy involucradas en establecer al vehículo eléctrico como la alternativa al

vehículo de combustión interna. Sin embargo, y pese a sus aspiraciones, se

encontraron con una tecnología aún limitada, que era incapaz de competir

en prestaciones con los modelos de combustión. Esto, unido que al principio

de los 90 el precio del petróleo se encontraba a niveles bajísimos, hizo

olvidar la crisis de 1973 y con ello, la razón por la que estaban buscando

alternativas a los coches de gasolina.

No obstante, a finales de los 90, estudios medioambientales mostraron

los peligros de la contaminación producida por los coches. En concreto, el

principal estudio fue el Protocolo de Kioto en 1997, que establecía la

relación entre las emisiones de CO2 por parte de los vehículos de



31

combustión interna, y su serio riesgo ambiental y para la salud. Estos

estudios, reavivaron la necesidad de buscar alternativas, y así surgió el GM

EV1 (Figura 2.11) un modelo cuya intención era revolucionar el mercado y la

industria del automóvil por parte de General Motors, uno de los coches

eléctricos más famosos de la historia. Resultó ser un fracaso, se vendieron

poco más de mil unidades, antes de que en 1999 se interrumpiera su

producción y años más tarde se retirasen todos estos vehículos de las

carreteras.

Fue una gran decepción para el vehículo eléctrico, que todavía no podía

competir con el bajo precio de la gasolina, a pesar del intento de

popularizar el coche eléctrico con algunas iniciativas legislativas, como la

Zero Emission Mandate en el estado de California. Así, además del General

Motors EV 1, aparecieron por parte de otros grandes fabricantes mundiales

modelos como el Toyota RAV4 EV, el Ford Th!nk y el Ford Ranger EV, el

Nissan Altra EV o el Honda EV Plus. Casi todos estos fueron modelos

eléctricos de versiones de gasolina ya existentes, en esta época se

desarrollaron muy pocos expresamente para modelos eléctricos.

Figura 2.11. General Motors EV1 (1996-1999) Fuente: Carnewscafe

El último escalón en la historia del vehículo eléctrico se da con la llegada

del siglo XXI, y con él, las baterías de litio que si bien estaban inventadas ya

en 1970, no se introdujeron hasta el comienzo del siglo XXI en los coches

eléctricos. Provenían del sector de la electrónica, y dieron mucho aire a los

coches eléctricos, ya que eran más estables y seguras, más ligeras y con

mayor capacidad energética y resistencia a la descarga que las utilizadas

hasta entonces. Permitieron a los eléctricos aumentar considerablemente



32

su autonomía, a la vez que con el poco efecto memoria1 que sufrían,

aumentaban la calidad y la vida útil de las baterías.

Además había una creciente preocupación por cuidar el planeta, tras

nuevos estudios medioambientales, por el agotamiento de las reservas

naturales de fuentes de energía no renovables, como petróleo o el carbón, y

por reducir la dependencia energética del exterior. Todo esto volvió a

disparar la necesidad de encontrar alternativas al petróleo, donde volvió a

aparecer entre otras opciones el petróleo. Esta vez, la mejora de la

autonomía de los coches con la introducción de las nuevas baterías y los

progresos en el terreno de la electrónica de potencia, ponen al eléctrico

como principal alternativa a los de combustión y parece que va a quedarse

para ser su sustituto.

En este desarrollo del coche eléctrico en el siglo XXI fue decisiva la

aparición de Tesla Motors, que en 2006 presentó el deportivo Tesla

Roadster, que incorporaba baterías de ion-litio y que no solo era eficiente y

capaz, sobretodo, era codiciado. Tesla, competía en prestaciones con los

mejores deportivos del mercado y lo que es más importante, cambio por

completo la percepción del vehículo eléctrico de cara a los consumidores.

Figura 2.12. Tesla Roadster (2006) Fuente: Superfuturecars

1 Efecto memoria: Fenómeno que reduce la capacidad de las baterías, provocando

que tras el primer ciclo de carga, la batería nunca llegue a poder almacenar la misma

energía que al comienzo de su vida útil.



33

En 2010 se lanza al mercado el Nissan LEAF (“Leading, Environmentally

Friendly, Affordable, Family Car” o automóvil líder, ambientalmente

amigable, asequible y familiar), se trata del vehículo eléctrico apto para

carretera más vendido de la historia, con más de 150.000 unidades vendidas

a fecha de finales de 2014.

Figura 2.13. Coche eléctrico más vendido de la historia, Nissan LEAF (2010) Fuente: Extremetech

2.2 Funcionamiento básico

El funcionamiento de un vehículo eléctrico tiene un gran parecido al del

de un vehículo convencional. La mayoría de los componentes mecánicos y

elementos del vehículo son prácticamente los mismos, residiendo la

principal diferencia en el sistema de propulsión.

El principio de funcionamiento de un vehículo eléctrico es sencillo, pero

para poder comprenderlo, antes es necesario saber sus componentes

principales, que se desarrollarán más adelante. Un vehículo eléctrico lo

componen básicamente una batería, un motor eléctrico, un sistema de

electrónica de potencia (un conversor y un inversor) y por último

generalmente, dispositivos recuperadores de energía (como sistemas de

frenado regenerativos o pequeños generadores solares).

Para empezar el proceso de funcionamiento, la batería debe de estar

cargada. Lo que normalmente, para una fuente alimentación externa de

características similares a las de la red doméstica, lleva entre 4 y 8 horas



34

según la capacidad de la batería. Sin embargo, esta energía que suministra

la red es de corriente alterna monofásica por lo que hay que procesarla

previamente, ya que la batería para almacenar energía eléctrica requiere

ser alimentada con corriente continua. Para ello se utiliza el conversor

(también conocido como cargador), uno de los dos elementos básicos del

sistema de electrónica de potencia, que convierte precisamente la corriente

alterna en continua pudiéndose llevar así a cabo la recarga de la batería.

Una vez cargada la batería y desconectada la fuente de energía externa,

se pone en funcionamiento el motor, proviniendo el flujo de energía

necesario de la batería cargada. Por la aplicación en la que se le está dando

uso, el motor eléctrico se trata en la mayoría de los casos de un motor

trifásico de corriente alterna. Curiosamente, para cargar las baterías se

convirtió la alterna de la red en continua, y ahora se necesita precisamente

alterna para alimentar el motor. Con esta función, aparece otro elemento

del sistema de potencia: el inversor, que no será necesario para el caso de

los motores eléctricos de corriente continua.

Así la energía almacenada en las baterías por la fuente de energía

externa llega al motor eléctrico, que a su vez este la transmite en forma de

energía mecánica a las ruedas, poniéndose el vehículo en movimiento.

Lo único restante que difiere, y no tanto, en el funcionamiento del

vehículo eléctrico con respecto al de combustión, es la inclusión de sistemas

de recuperación de energía para minimizar perdidas innecesarias y

aumentar el rendimiento, además cargando la batería mientras el coche

está en funcionamiento y así prolongar la autonomía. Son medidas como la

recuperación de energía en la frenada o generadores solares, que casi todos

los modelos eléctricos del mercado llevan equipados de serie.

2.3 Componentes principales

2.3.1 Baterías

Las baterías son sin duda el elemento clave del coche eléctrico, y se

puede afirmar que de la evolución de ellas dependerá el futuro de este

modelo de propulsión. Además, las principales características de todo



35

vehículo eléctrico (autonomía, coste, tiempo de recarga, velocidad máxima,

etc.) vienen fuertemente determinadas por este elemento en particular.

Las baterías son por tanto el componente primordial de los vehículos

eléctricos, del que dependen sus prestaciones y su porvenir. A continuación

se analizan este fundamental elemento a conciencia.

2.3.1.1 Generalidades

Una batería recargable o secundaria, también denominada acumulador,

es aquel dispositivo que a través de reacciones electroquímicas de

oxidación/reducción, es capaz de almacenar energía eléctrica. Es por tanto

un sistema de almacenamiento de energía, y en concreto es el que más se

adapta a las condiciones del coche eléctrico. Las baterías entran entonces

en la categoría de generadores secundarios, solo pudiendo funcionar si

antes se les ha suministrado energía eléctrica mediante el llamado proceso

de carga.

Una batería consiste en dos o más celdas electroquímicas, son las

unidades básicas de las baterías, también llamadas elementos. Estas celdas

consisten en 2 electrodos, positivo y negativo, separados por un electrolito.

Es precisamente la reacción química entre los electrodos y electrolitos la

que genera la electricidad.

En la mayoría de las baterías comerciales, los electrodos son de

materiales compuestos (composite) y están formados por 3 partes: el

material activo, un conductor que se utiliza para cerciorar la transferencia

de electrones por parte del material activo, y un polímero encargado de

mejorar las propiedades mecánicas del composite. El material activo es el

elemento de donde procede la energía química que se transforma, de

manera directa y espontanea a través de reacciones de reducción-

oxidación, en energía eléctrica. Para que esto sea posible, se instala en el

electrodo positivo o cátodo el compuesto activo con mayor potencial red-ox

y en el electrodo negativo o ánodo el material con menor potencial.



36

Figura 2.14. Esquema general de una celda o elemento de una batería Fuente:Wikipedia

Con respecto al electrolito, generalmente se trata de un líquido con dos

propiedades fundamentales, que tenga elevada conductividad iónica y que

sea aislante eléctrico. Para enclaustrar el electrolito en las celdas, éste se

encierra en un separador, así evitando además el contacto directo entre el

cátodo y el ánodo.

Por tanto las celdas son la parte fundamental de las baterías, donde se

está convirtiendo energía química en energía eléctrica. Para mejorar

características fundamentales de las baterías como el voltaje o la capacidad,

se juntan celdas entre sí, pudiéndose conectar en serie, en paralelo o en

una mezcla de las dos maneras.

2.3.1.2 Parámetros fundamentales

Como se ha explicado en el apartado anterior, de las baterías, y por

tanto de las celdas de las que están compuestas las baterías, van a

depender la mayoría de las prestaciones de un vehículo eléctrico. Los

parámetros electroquímicos más utilizados para definir una batería o una

celda son:

Fuerza electromotriz, voltaje o potencial (E). Es la diferencia de

potencial red-ox que hay entre los materiales activos del cátodo

y del ánodo. Es importante que las celdas dispongan de un

potencial alto y así reducir el número de celdas conectadas en



37

serie necesarias para alcanzar el voltaje nominal deseado para

las baterías. Esta fuerza electromotriz, tanto de las baterías

como de las celdas, se mide en voltios [V].

Capacidad específica (Q). La capacidad es la medida que

muestra la cantidad total de carga eléctrica que la batería puede

almacenar. Se utiliza por lo general el amperio-hora [Ah] como

unidad para este parámetro. A la hora de comparar diferentes

tecnologías de baterías, es muy interesante utilizar lo que se

conoce como unidades de medidas específicas, esto es por

unidad de masa. En este caso se utiliza la capacidad específica, o

capacidad por kilogramo [Ahkg-1]. También es frecuente

encontrarse con capacidad por volumen [Ahl-1]. Ambas

normalizaciones son especialmente útiles en el ámbito del

eléctrico, ya que el peso y el volumen son dos magnitudes a

tener en cuenta e intentar optimizar, a la hora de diseñar y

fabricar los coches eléctricos.

Energía específica (W). Es el parámetro que muestra la cantidad

total de energía eléctrica que la batería es capaz de almacenar.

La energía específica se calcula como:

𝑊 =𝐸 · 𝑄

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎

Como se puede ver, es un parámetro que se mide en [Whkg-1], y

que reúne a los dos anteriores, por lo cobra especial importancia

a la hora de cuantificar las características electroquímicas de una

batería.

Igual que para la capacidad específica, es frecuente encontrar

también la energía normalizada para el volumen de la batería,

midiéndose en Whl-1 y expresándose:

𝑊 =𝐸 · 𝑄

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎

Ciclos de vida. Se considera como los ciclo de vida de una

batería, como la cantidad de periodos de carga/descarga que

una batería aguanta hasta perder un 20% de capacidad, es decir,

hasta que la máxima carga eléctrica almacenable en la batería



38

sea del 80% de la nominal. No es otra medida que la de la vida

útil de la batería. Hoy en día se valora que el número mínimo de

ciclos de vida para que una tecnología utilizada para baterías sea

adecuada para el uso en vehículos eléctricos tiene que estar en

torno a los 500 ciclos.

Los fabricantes, ante esta pérdida de eficacia y de la vida útil de

las baterías, especialmente en climas cálidos, suelen compensar

aumentando el tamaño de las baterías permitiendo así un nivel

de degradación mayor sin que esta afecte así a la vida útil.

Conviene señalar que los parámetros expuestos anteriormente son los

que se consideran fundamentales, sin embargo hay muchos otros factores

que influyen en los fabricantes a la hora de decidir que tecnología de

baterías aplicar para el diseño de coches eléctricos. Algunos de estos

factores son el impacto ambiental, que las baterías sean cómodamente

reciclables, el coste económico, la seguridad, la profundidad de descarga o

el rendimiento.

2.3.1.3 Baterías de plomo-ácido

Historia

Como se comentó brevemente en la historia del vehículo eléctrico,

Gaston Planté fue el principal artífice de la evolución de las baterías y por

tanto, uno de los hombres claves en el desarrollo del coche eléctrico. Este

físico francés realizó en 1859, una sucesión de experimentos e

investigaciones que le permitió desarrollar y dar a conocer las baterías de

plomo-ácido, mejorando lo que había demostrado Wilhelm J. Sinsteden en

1854, ya que se trataban de baterías reutilizables.

La primera celda que montó la constituían dos láminas de plomo con un

tejido separándolas, que posteriormente se enrollaban y sumergían en

ácido sulfúrico al 10%. La primera batería completa la presentó un año más

tarde en la Academia de Francia, y estaba compuesta por 10 de estas

celdas. Fue la primera batería de Pb-ácido de 10 celdas, con una tecnología

que tras más de 150 años de desarrollo sigue siendo sorprendentemente

similar a la actual.



39

Figura 2.15. Batería Pb-ácido de Gaston Planté (1859) Fuente:Wikimedia

Hubo que esperar hasta 1881, para que Camille A. Faure, otro científico

francés, mejorará las baterías de Planté, que requerían un lento y laborioso

proceso de carga. Mejoró además las prestaciones de estas baterías,

aumentando su capacidad e hizo despegar por completo el potencial de los

coches eléctricos en esa época. Esta innovación demuestra que la energía

puede ser almacenada para luego ser redistribuida, lo que generó una

enorme expectación. No obstante desde entonces, y por los problemas que

tuvieron los eléctricos desde comienzos del siglo XX, no se realizaron

mejoras importantes en esta tecnología. Fue a partir de 1960, cuando se

fueron introduciendo mejoras hasta llegar a la batería de Pb-ácido actual.

Estas mejoras incluyen por ejemplo: la técnica de preparación de la parte de

los electrodos de material activo, la constitución y geometría de los

colectores de corriente o la colocación de los electrodos y electrolitos en las

celdas.

A día de hoy, el diseño más evolucionado de este tipo de baterías se

conoce como “Spiral Wound Valve-Regulated Lead-Acid (VRLA) batteries”.

Este diseño sustituye la disposición habitual del interior de las celdas, en la

que los electrodos se situaban como placas paralelas y el electrolito en

medio de ellas, por una colocación en espiral. De esta forma se enrollan los

electrodos y electrolito en forma de espiral, curiosamente con una



40

disposición de gran parecido a como lo hizo Gaston Planté en 1859, hace

más de 150 años. Las ventajas con respecto a la colocación tradicional son

numerosas, de las que destacan un aumento considerablemente de la

potencia de la batería, y un incremento del número de ciclos de vida.

Figura 2.16. Batería Pb-ácido, mostrando la geometría en espiral de sus componentes Fuente: Wikimedia

Otro diseño de una batería Pb-ácido a destacar es el de una compañía

de Texas, que ha desarrollado la batería Horizonte. Se trata de una batería

de ciclo profundo que supondrá una revolución total en esta tecnología. Los

electrodos se unen a través de una fibra de vidrio, que reduce tanto la

resistencia interna, como el tiempo de carga y descarga. De esta forma se

espera aumentar la autonomía del vehículo eléctrico con este tipo de

baterías hasta un 35%.

Fundamentos básicos y reacciones electroquímicas

Se trata de las baterías más conocidas han sido históricamente las más

utilizadas para vehículos eléctricos. Aunque no se trate exactamente de las

mismas baterías, la misma tecnología de Pb-ácido se usa para los motores

de combustión interna, siendo fundamentales para estos.



41

Figura 2.17. Esquema de una batería de Pb-ácido tradicional Fuente:Wikimedia

Para poder comprender este procedimiento, antes de comentar todas

las reacciones que aparecen en los ciclos de carga y descarga, hay que

entender que cuando se fabrican las baterías, se utilizan compuestos en su

forma descargada (en el caso de las baterías Pb-ácido, el sulfato de plomo

PbSO4). Por ello, para su correcto funcionamiento es necesario cargar las

baterías antes de ser utilizadas.

Las reacciones de oxidación y reducción que se llevan a cabo en cada

elemento de estas baterías para los ciclos de carga y descarga son:

Carga:

Figura 2.18. Reacciones electroquímicas en la carga de las baterías Pb-ácido Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.



42

Como se puede apreciar en la figura 2.14, durante el inicio de la etapa

de carga, en el electrodo positivo se lleva a cabo la oxidación del Pb2+

perteneciente al sulfato de plomo (Pb(2+)SO4) a Pb4+ en el dióxido de plomo

(Pb(+4)O2) y con la consiguiente cesión de dos electrones. Precisamente

estos electrones reducen, en el electrodo negativo, el Pb2+ provenientes del

sulfato de plomo resultando Pb0 también conocido como plomo metálico.

Así al final de la etapa de carga a través de las reacciones red-ox se han

formado PbO2 y Pb0, en los electrodos positivos y negativos

respectivamente.

Estos compuestos son los que realmente se consideran como los

materiales electroquímicamente activos de este tipo de baterías. En

relación al electrolito, éste se trata de una serie de reacciones cuyo

resultado es una disolución acuosa al 37% en peso de ácido sulfúrico.

Descarga:

Figura 2.19. Reacciones electroquímicas en la descarga de las baterías Pb-ácido Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.

Cuando la batería está funcionando, la batería se encuentra en la etapa

de descarga. En esta fase, se produce en el electrodo negativo una

oxidación espontánea del plomo metálico, que se había formado en la etapa

de carga también en el ánodo, al catión Pb2+ cediendo a su vez 2 electrones.

Este catión se precipita instantáneamente en presencia de los iones sulfato

existentes en el electrolito. Se forma así el electrodo el sulfato de plomo

que había antes de iniciarse el proceso de carga. Lo mismo sucede en el



43

electrodo positivo volviendo en los 3 elementos de cada celda a la

composición inicial.

Desafortunadamente las reacciones que hay en las baterías de Pb-ácido,

no son solo las descritas en las Figuras 2.14 y 2.15. Además hay unas no

deseadas, provocadas por la inestabilidad del plomo y del dióxido de plomo

en el ácido sulfúrico, que inducen en una lenta descomposición de estos

compuestos. Esto se expresa con las reacciones:

La descomposición a través de esas reacciones provoca que las baterías

de Pb-ácido tengan una autodescarga, es decir, que la batería se vaya

descargando de forma paulatina pero sin estar en funcionamiento. El ritmo

a la que esta reacción se produce depende de varios factores, de los que

destacan la temperatura, a mayor temperatura más rapidez y la pureza y

calidad de los componentes. Sin embargo, se aproxima que esta descarga

de las baterías en este tipo concreto de tecnología, en general implica una

pérdida que puede llegar al 2% de batería al día.

Otras reacciones con efectos negativos sobre las baterías se producen

cuando la batería se está cargando hasta niveles altos. En esta situación, hay

algunas celdas tienen que tolerar que se sobrecarguen, para que otras

puedan cargarse por completo. Las reacciones que aparecen cuando se

sobrecargan estas celdas se muestran en la Figura 2.16:

Figura 2.20. Reacciones al sobrecalentar una celda de Pb-ácido. Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.



44

Frente a estas reacciones que provocan la gasificación del agua, y la

consiguiente formación de oxígeno e hidrógeno en los electrodos, los

fabricantes desarrollan baterías cerradas, para intentar evitar la fuga de

estos gases y así obligarlos con el paso del tiempo a recombinarse en agua.

Características, ventajas y limitaciones

Las características nominales de las baterías de Pb-ácido se muestran a

continuación:

Tabla 2.1. Valores nominales de las baterías de Pb-ácido Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.

Las baterías de Pb-ácido tienen como toda tecnología en este sector sus

ventajas y limitaciones, que hacen que sea una buena o mala elección. Estas

baterías están bien establecidas comercialmente, con un fuerte apoyo de la

industria, se muestran a continuación sus ventajas más significativas:

Bajo precio. No hay duda de que la ventaja más importante de

estas baterías es su coste. Actualmente, se tratan de las baterías

recargables más baratas del mercado en KWh, y sin duda

permanecerá así en un futuro cercano.

Alto voltaje. El voltaje nominal de estas baterías es de hasta 2,0

V. Se trata del mayor voltaje nominal de todas las baterías

fundamentadas en electrolitos acuosos.



45

Elevada potencia. Las baterías de plomo tienen una propiedad

que provoca que la reacción en los electrodos sea muy rápida.

Esta propiedad implica que tengan la habilidad de transmitir una

enorme intensidad de corriente y, como consecuencia, una

elevada potencia. Esta ventaja de este tipo de baterías es

especialmente útil en su aplicación a vehículos eléctricos, siendo

muy provechoso para las etapas de aceleración.

Tecnología madura y fácil de fabricar. Como se comentó en el

apartado de historia de estas baterías, Pb-ácido es la primera

técnica que surge en el desarrollo de las baterías. Las baterías de

Pb-ácido son por tanto una tecnología madura, con más de 150

años de historia, muy destacada y trabajada. Además su

fabricación e implementación es sencilla, ya que por ejemplo

ambos electrodos se fabrican con el mismo compuesto inicial

(PbO·H2SO4) o que a los materiales electroquímicamente activos

de los mismos (Pb, PbO2) no hace falta añadirles ningún material

extra para mejorar su conductividad, pues es ya muy elevada. De

esta manera, la fabricación de las baterías Pb-ácido está ya muy

automatizada.

Fácilmente reciclable. Un punto clave para muchos, a pesar de

que como se verá estas baterías tienen un fuerte impacto

ambiental. Sus componentes son fácilmente reciclables, y hay

una tecnología muy desarrollada para ello. Prueba de ello es que

en España se reciclan por encima del 95 % del total de estas

baterías.

Sin embargo, no todo son ventajas para las baterías de Pb-ácido, que

tienen una serie de limitaciones:

Baja densidad de energía y baja energía específica. Este es el

principal problema de estas baterías, debido principalmente al

gran peso de los componentes. Es por esto, que es difícil

encontrar vehículos eléctricos diseñados para mucha autonomía

con estas baterías, pues necesitarían un paquete de baterías

muy grande y pesado.

Impacto medioambiental. Los compuestos de plomo utilizados

en su fabricación son altamente contaminantes. Además del



46

plomo, muchas baterías incorporan para la rejilla del colector de

corriente, materiales como el antimonio y arsénico que pueden

formar compuestos de fuerte carácter contaminante, como la

estibina y arsina respectivamente. Todo esto hace que las

baterías de Plomo-ácido presenten un fuerte impacto

medioambiental, que paradójicamente es uno de los puntos

claves del eléctrico.

Vida útil moderada. Estas baterías tienen un número de ciclos

de vida moderado comparado con el resto de las tecnologías.

Este número de ciclos se ve reducida en el caso de descargas

profundas, normalmente entre 400 y 800 ciclos de

carga/descarga. Por ello, es recomendable para las baterías Pb-

ácido evitar consumir más del 80% de su capacidad, lo que se

conoce como profundidad clasificada de descarga (DOD). Es

decir, cuando se está en la etapa de funcionamiento

descargando la batería, tener cuidado de no pasar el nivel del

20% de la capacidad nominal de la batería.

Reacciones electroquímicas no deseadas. Se producen

principalmente en la etapa de carga: Por un lado, la sobrecarga

de algunas celdas, provocando una auto descarga de la batería, y

por otro en la gasificación del agua, provocando un

desprendimiento de gases, hidrógeno y oxígeno. Es

especialmente peligrosa la del hidrógeno, por tratarse de un gas

inflamable.

Electrolito acuoso. La mayoría de las baterías Pb-ácido se

caracterizan por tener el electrolito acuoso, con el posible riesgo

de que en caso de accidente se derrame. Además, por culpa de

este electrolito, tienen la complicación de tener que ser

ensambladas en una posición especial. Hay que mencionar que

también existen, y que cada vez se usan más sobretodo para los

vehículos eléctricos, baterías con el mismo principio de

funcionamiento pero con el electrolito ácido en forma de gel,

evitándose así esos problemas.



47

Aplicación en coches eléctricos

Desde la invención de las baterías Pb-ácido por Gaston Planté en 1859

hasta la actualidad, cabe destacar dos modelos de eléctricos con estas

baterías: el GM EV1 y el REVAi. Ambos modelos son relativamente

recientes, y han ocupado puestos importantes en la historia del automóvil

eléctrico.

Empezando por el modelo de General Motors, el EV1 (Figura 2.11), se

lanzó al mercado como una revolución que debía cambiar el rumbo de los

eléctricos. La verdad es que resultó ser un fracaso con poco más de mil

unidades vendidas, pero es uno de los coches más importantes en la

historia del coche eléctrico.

Los ingenieros de GM para este coche eligieron las baterías de Plomo-

ácido básicamente por su bajo coste y su madura tecnología. Montaron un

sistema de 26 acumuladores, consiguiendo una capacidad de

almacenamiento total de 16,3 KWh. Las prestaciones de este vehículo,

gracias al completo sistema de baterías y a su buena aerodinámica, eran

notablemente buenas: 130 km/h de velocidad máxima y 140 km de

autonomía. En general, fue un coche que se adelantó a su época y que, a

pesar de sus prestaciones, fue retirada del mercado a los pocos años

dejando una atmósfera de polémica.

Unos años más tarde, en 2001 se inicia la producción del REVAi (Figura

2.21), diseñado y comercializado para ser utilizado como vehículo urbano,

con baterías de Pb-ácido, por el fabricante indio Reva Electric Car Co. Fue el

coche eléctrico más vendido del mundo hasta 2009, con un total de 4600

unidades hasta que se cerró su producción en 2012.



48

Figura 2.21. Coche eléctrico REVAi, con baterías de Pb-ácido (2009) Fuente: RevaNorge

Fue ideado de pequeñas dimensiones para cubrir trayectos urbanos,

para situaciones de tráfico y reducidas velocidades. Se componía de un

sistema de 8 baterías de Pb-ácido, y disponía de una autonomía hasta de 80

km, por su reducida energía específica, que no llegaba a 10 KWh. A pesar de

ello, se consideraba más que suficiente para trayectos urbanos de la

mayoría de la gente.

2.3.1.4 Baterías basadas en el níquel

A partir del trabajo de Edison a finales del siglo XIX, se han desarrollado

baterías usando níquel en el electrodo positivo. Estas baterías incluyen las

de níquel-cadmio (NiCd), níquel-hidruro metálico (NiMH), níquel-hierro y

níquel-zinc. De estas baterías, las de hidruro metálico son las más

importantes, seguidas de las de cadmio. Las de zinc tienen unas

características muy razonables, pero son muy difíciles de encontrar por sus

escasos 300 ciclos de vida. Las de hierro tienen también un uso muy

limitado. Por todo esto, se analizarán más detenidamente las de níquel-

hidruro metálico, y más por encima las de níquel-cadmio, sin entrar en los

otros dos tipos.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e3/Reva_i_silver.jpg



49

a) Baterías de níquel-cadmio

Historia

Las baterías de níquel-cadmio fueron desarrolladas en 1899 por el

inventor sueco Waldmar Jungner, y a pesar de que ofrecían varias ventajas

respecto a las de plomo-ácido, tuvieron un difícil arranque por el elevado

coste de sus materiales.

No se dieron evoluciones en estas baterías hasta 1932, cuando hubo

varios intentos de depositar el material activo en un electrodo de níquel

poroso. Y 15 años más tarde, en 1947, cuando se desarrolló un sistema con

la intención de absorber los gases generados durante la carga, lo que

desembocó en las baterías selladas de hoy en día.

Figura 2.22. Primera batería de NiCd, inventada por Waldmar Jungner en 1899 Fuente: Old Picz – The Evolut ion of the Battery

Se hicieron más progresos en estas baterías en los 80, resultando

baterías con más material activo y más superficie, con lo que se consiguió

reducir la resistencia interna de estas baterías. Además en toda la segunda



50

mitad del siglo XX se fue reduciendo el coste de fabricación de estas

baterías. Las baterías de NiCd entonces ocupaban una excelente posición en

el mercado, entre otros, con una gran mayoría hasta 1990 en el mercado de

la electrónica.

Las baterías de níquel-cadmio, estaban destinadas a ser la competencia

para las baterías de Pb-ácido, y con la ventaja de poseer casi el doble de

energía específica de las de plomo. Pero como se comentará, no se dieron

mucho uso en los vehículos eléctricos, y por varias razones se usan cada vez

menos en favor de las de níquel-hidruro metálico.

En la actualidad, la totalidad de las baterías de NiCd tienen un diseño en

forma de “Jelly roll” o “Swiss roll”, una disposición cilíndrica de las capas de

materiales activos (Figura 2.23). Se reduce con ella la resistencia interna, al

aumentar considerablemente el área en contacto de estos materiales

activos con los electrodos.

Figura 2.23. Batería de NiCd en disposición de "Jelly roll" Fuente: Encyclopaedia Bri tannica, Inc.



51


Estas baterías de NiCd, tienen en el electrodo positivo oxihidróxido de

níquel (NiOOH) y en el negativo cadmio metálico (Cd), mientras que el

electrolito es hidróxido potásico (KOH). La energía se obtiene tras una serie

de reacciones de oxidación y reducción, que se muestran en la Figura 2.24 y

que puede ayudar además a ver el funcionamiento de la batería. En esta

figura se enseñan las reacciones en cada electrodo y de donde vienen los

electrones necesarios para ellas.

Figura 2.24. Reacciones electroquímicas en la descarga de las baterías de NiCd Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.

Aunque como se puede observar, las reacciones de la imagen son para

la etapa de descarga, se trata de un proceso reversible por lo que las

reacciones se revierten para la carga. Observar que en la etapa de descarga

el electrolito pierde agua volviéndose más concentrado cuanto más se

descarga, totalmente lo contrario que pasaban con las de Pb-ácido.

Las reacciones totales a partir de las cuales se obtiene energía, las del

conjunto de la batería se pueden unificar como:

Además, igual que para las baterías de plomo-ácido, se producen

reacciones que provocan la auto descarga de la batería, si bien hay que

matizar que a un ritmo mucho más lento. Y es que, las baterías de NiCd



52

tienen una manera muy inteligente de tratar con la sobrecarga. Las celdas

están diseñadas de tal forma que haya una cantidad extra de hidróxido de

cadmio, Cd(OH)2 en el electrodo negativo, lo que implica que el electrodo

positivo se cargue siempre por completo primero. La corriente de carga

acaba desembocando en una generación de oxígeno en el electrodo

positivo a través de la reacción:

Como se observa en la reacción 2.5, el oxígeno libre se une, en el

electrodo negativo con el cadmio, y empleando el agua resultante de la

reacción 2.4, produce hidróxido de cadmio:

A la par que estas reacciones, se sigue produciendo la carga normal de

la batería con los electrones provenientes de la reacción 2.4 y con ello la

reacción en este electrodo:

Comparando las tres reacciones anteriores, si se hace un balance entre

ellas resulta que se trata de un sistema perfectamente sostenible. El ratio

de producción del hidróxido de cadmio en la reacción 2.5 es igual que el de

su reconversión en cadmio. El conjunto de las tres reacciones no tiene por

tanto ningún efecto, y por ello la situación de sobrecarga puede continuar

indefinidamente.


Las características nominales de las baterías de NiCd se muestran a

continuación:



53

Tabla 2.2. Valores nominales de las baterías de NiCd Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.

Las baterías de níquel-cadmio presentan las siguientes ventajas con

respecto a otras tecnologías:

Considerable energía específica. Tiene una energía específica

mucho mayor que las de Pb-ácido, pero sin llegar al nivel de

nuevas tecnologías.

Alto número de ciclos de vida. Llega hasta los 2500 ciclos de

vida, muy por encima de la mayoría de las baterías.

Rango de temperaturas. Puede llegar a operar en un abanico

muy amplio de temperaturas, normalmente pueden llegar a

funcionar entre los -40 °C y los +80 °C. Sin embargo, pierden

eficacia a partir de los +35 °C, lo que no debería afectar a su

aplicación a vehículos eléctricos.

Buena reacción a la sobrecarga. Ya se ha explicado que tiene

una muy inteligente forma de tratar con la sobrecarga, que

mediante una serie de reacciones, puede manejar la sobrecarga

indefinidamente. Así, la sobrecarga de algunas celdas es

inofensiva para estas baterías, pero no deja de ser un gasto de

energía necesario si queremos que todas ellas se carguen a su

máximo nivel.

Robustez. Se tratan de unas baterías muy resistentes tanto

mecánica como eléctricamente.



54

Carga rápida. En comparación con el resto de baterías, las de

NiCd tienen una carga muy rápida. En una hora la recarga se

puede completar, y en nada más que 20 minutos recargar hasta

el 60 % de la capacidad de la batería.

Pero como era de esperar, no todo son ventajas, y más si como se había

comentado no es una de las baterías más usadas hoy en día. Sus

limitaciones principales son:

Complicado adaptación para vehículos eléctricos. Aunque las

baterías de NiCd pueden ser adquiridas en varias formas y

tamaños, resulta especialmente complicado obtener estas

baterías en tamaños grandes, requeridos para vehículos

eléctricos.

Bajo voltaje. Tiene un potencial nominal aproximadamente de

unos 1,2 V, muy bajos frente a los 2,0 V de los de plomo-ácido.

Esto quiere decir, que por ejemplo para hacer una batería de 12

V de voltaje nominal, se requeriría un sistema de 10 celdas de

NiCd en serie mientras solo serían necesarias 6 de plomo.

Alto coste. Principalmente debido a que el precio del cadmio es

varias veces superior al del plomo u otros materiales de

electrodos, algo que no tiene pinta de que vaya a cambiar.

Seguramente el elevado coste de estas baterías este también

muy relacionado con lo comentado anteriormente del bajo

voltaje, pues encima de ser más caro el material, se necesitan

muchas más celdas de NiCd para conseguir iguales voltajes

nominales de las baterías que con otras tecnologías. A pesar de

lo anterior, se considera que esta batería es la más barata en

términos de coste por ciclo.

Fuerte impacto medioambiental del cadmio. Es un material que

puede hacer mucho daño. Por un lado es muy contaminante al

medioambiente, y encima se trata de un material cancerígeno.

Elevado efecto memoria. Como se comentó anteriormente, se

trata de un fenómeno que reduce la capacidad de las baterías.

Provoca que con el uso de la batería, esta nunca llegue a poder



55

almacenar la misma energía que al comienzo de su vida útil. Las

baterías de níquel-cadmio sufren mucho más este fenómeno que

por ejemplo las de ion-litio o las de plomo-ácido.


Por todas las limitaciones anteriores, pero en especial por la dificultad

de hacer baterías grandes, su principal campo de aplicación son

herramientas portables y equipo electrónico, muy lejos de los vehículos

eléctricos.

No obstante, a lo largo de la historia han sido utilizados con cierto éxito

en varios coches. Principalmente en versiones eléctricas de coches como el

Peugeot 106, el Citroën AX y el Renault Clío, pero también en el Ford Th!nk

mostrado en la Figura 2.23.

Figura 2.25. Ford Th!nk (2002) Fuente: Los Ángeles Auto Show (2002)



56

b) Baterías de níquel-hidruro metálico

Historia

La historia de estas baterías es bastante más reciente que las anteriores,

eso sí teniendo en cuenta que son, a casi todos los efectos, una evolución

de una tecnología que surgió a finales del siglo XIX, las baterías de NiCd.

Se considera que el desarrollo de las baterías de níquel-hidruro metálico

comienza en 1967, cuando Lewis publicó una serie de datos que en 1970

sirvieron para que Junty y col. desarrollaran el primer electrodo de hidruro

metálico. Sin embargo, las inestabilidades con el hidruro metálico llevaron a

los investigadores a desarrollar las baterías de níquel-hidrogeno (NiH) en

vez de las de NiMH. Así hubo que esperar hasta la década de los 90 para

encontrar la primera batería NiMH que se comercializó. Desde entonces,

evolucionó mucho la tecnología, llegando a doblar su energía específica y

aumentando considerablemente sus ciclos de vida. Estas mejoras se

debieron principalmente a las investigaciones sobre el electrodo de hidruro

metálico.

Se ensayaron varias aleaciones de metales para el electrodo del hidruro

metálico, y tras toda la investigación han sido dos aleaciones las más

utilizadas: las denominadas clases AB2 y AB5. La ventaja de la aleación AB2

es una capacidad específica superior (440 Ahkg-1 del AB2 por 300 Ahkg-1 del

AB5), pero sin embargo presentan un coste mucho mayor que la AB5, lo que

hace que esta aleación sea menos utilizada en las baterías comerciales. Este

campo sigue siendo el clave para el desarrollo de estas baterías, por lo que

sigue siendo fundamental continuar con la investigación para así optimizar

las baterías de NiMH, a través de los electrodos de hidruro metálico.


Como se ha comentado, estas baterías se consideran la evolución

mejorada de las de NiCd, y por tanto tiene en común con ellas algunas

cosas. Ambas tecnologías usan el mismo electrolito, hidróxido potásico

(KOH), y las dos tienen oxihidróxido de níquel (NiOOH) como material activo

en el electrodo positivo. Sin embargo, y la propiedad más novedosa es la



57

incorporación de una aleación metálica en el electrodo negativo, capaz de

introducir de manera reversible hidrógeno electroquímicamente,

sustituyendo al cadmio de las de NiCd.

Figura 2.26. Esquema de batería de NiMH de disposición cilíndrica Fuente: Robocup

Las reacciones electroquímicas que tienen lugar durante la descarga en

cada electrodo de estas baterías se pueden observar en la Figura 2.27.

Cuando se cargan, las reacciones son las mismas pero reversibles.

Figura 2.27. Reacciones durante la descarga de las baterías de NiMH. Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry .



58

Las reacciones en el electrodo es exactamente la misma que para las

baterías de NiCd; el oxihidróxido de níquel reacciona para convertirse en

hidróxido de níquel durante la descarga. En cambio, en el electrodo

negativo, se libera hidrógeno del metal al que estaba momentáneamente

adjunto y reacciona para producir agua y electrones libres. El metal usado,

son aleaciones, cuyo funcionamiento básico es una reacción reversible que

el metal absorbe y se fusiona con el hidrógeno, para luego devolverlo como

hidrógeno libre cuando sea necesario.

Mencionar que durante es las reacciones, tanto en las de carga como en

las de descarga, el agua es creada exactamente al mismo ritmo que al que

es usada, y por tanto el electrolito no se ve afectado. Además así, tanto la

resistencia interna como el voltaje del circuito abierto de las celdas son

mucho más constantes.

La reacción total que se produce en estas baterías, y según la cual se

produce energía es:

Otras reacciones se producen, y estas no con efecto positivo. Las

baterías de NiMH tiene una auto descarga mucho mayor que las de NiCd.

Esto se debe a que las moléculas de hidrógeno son muy pequeñas, y pueden

con una relativa facilidad difundirse a través del electrolito y llegar al

electrodo positivo, donde reaccionan según la siguiente expresión:

Como resultado, hidrógeno se pierde del electrodo negativo e hidróxido

de níquel se forma en el positivo, sufriendo así la batería una rápida auto

descarga.

Igual que como sucedía con las baterías de NiCd, estas baterías están

sometidas a la sobrecarga de algunas celdas con el fin de conseguir que la

batería se cargue por completo. Si bien es cierto, que con alguna

complicación más que las de NiCd, pero son capaces de tratar con la

sobrecarga hasta un límite de corriente de carga.



59


Las características nominales de las baterías de NiMH se muestran a

continuación:

Tabla 2.3. Valores nominales de las baterías de NiMH Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowr y.

A la hora de analizar las ventajas y limitaciones de una de estas

tecnologías de baterías es importante también tener en cuenta que otras

tecnologías estaban presentes en su época de introducción. En el caso de

las baterías de níquel-hidruro metálico, la primera batería que se

comercializó fue a finales de los 80 principios de los 90, y para entonces

existían las baterías de Pb-ácido y sus predecesoras las de NiCd. Teniendo

en cuenta esto, sus principales ventajas son:

Mayor energía específica. Sin duda, esta es su mayor ventaja

respecto a las baterías que existían por entonces. Se caracterizan

por tener una energía específica entre 60 y 80 Whkg-1 frente a

los 10-40 Whkg-1 de las de Pb-ácido o hasta los 60 Whkg-1 de las

de NiCd.

Respetuoso con el medioambiente. Estas baterías tiene un

menor impacto sobre el medioambiente que las anteriores,

principalmente por la desaparición del cadmio y el plomo. A

cambio, se introducen los hidruros metálicos que reducen

significativamente la huella ecológica de la batería. Además sus

componentes son fácilmente reciclables.



60

Rápida recarga. Su recarga es muy rápida, la recarga completa

puede llevar entre hasta 1 hora, algo más rápido que la de NiCd.

Incluso, que la recarga sea tan rápida sumado a que la reacción

de unión del hidrógeno con el metal es fuertemente exotérmica,

pueden producir problemas de calentamiento de la batería, y

por ello muchas de estas baterías llevan ventiladores acoplados

(Figura 2.28).

Figura 2.28. Batería comercial de NiMH con ventiladores. Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.

Mantenimiento nulo. Prácticamente no requieren ningún

mantenimiento.

En cuanto a las limitaciones de las baterías de NiMH, las más relevantes

son:

Menor número de ciclos de vida. Las baterías de níquel-hidruro

metálico apenas aguantan entre 300 y 600 ciclos de vida. La

razón principal para este discreto número de ciclos de vida es la

corrosión de los hidruros metálicos que se produce en el

electrolito.



61

Coste elevado. A pesar de que el precio se ha reducido una vez

que empezó la producción en serie de estas baterías, sigue

siendo unas 3 o 4 veces superior a la de plomo-ácido.

Auto descarga considerable. Aunque menor que las de Pb-ácido,

sufre este efecto. Se puede reducir con aditivos químicos, con el

precio de perder capacidad.

Efecto memoria. Las baterías de NiMH sufren menos el efecto

memoria que por ejemplo las baterías de NiCd, pero aun así sigue

siendo una limitación considerable. Algunas investigaciones apuntan a

que se debe a cambios en la estructura del oxihidróxido de níquel en el

electrodo positivo durante la sobrecarga de la batería.


La gran aplicación de las baterías de níquel-hidruro metálico es en la

electrónica de consumo. No obstante, la aplicación de este tipo de baterías

para los vehículos eléctricos ha sido bastante común desde su

comercialización a finales de los 80. Destacan los modelos como la tercera

generación del General Motors EV1, el Honda EV Plus, o el Ford Ranger EV

(Figura 2.29).

Figura 2.29. Ford Ranger EV (1997 - 2002) Fuente: Aust in EV



62

Sin embargo su aplicación ha sido mucho más destacada para los

vehículos híbridos, destacando el Toyota Prius, primer vehículo híbrido

producido en serie, y el más representativo de este tipo de modelo de

propulsión. Se comenta sobre ello más adelante.

Figura 2.30. Batería de NiMH de un Toyota Prius (2008) Fuente: Wikimedia

2.3.1.4 Baterías de ion-litio

Historia

El litio es el metal más ligero de todos, el que tiene un potencial

electroquímico mayor y el que dispone de la mayor energía específica. Las

baterías de litio recargables tienen hoy en día unas características

impresionantes pero sin embargo, no tuvieron un comienzo sencillo.

La aplicación del litio como tecnología para las baterías empezó en 1912

por G. N. Lewis, si bien hasta la década de los 70 no estuvieron disponibles

las primeras baterías no recargables. Fue entonces cuando M.S.

Whittingham cuando trabajando para Exxon, desarrollo una batería usando

sulfuro de titanio (IV) y litio metal como electrodos. Estas baterías tenían un

problema, los electrodos de litio metal presentaban problemas de

seguridad, pues eran altamente reactivos, incluso en condiciones

atmosféricas, en presencia de agua y oxígeno.

Durante la década de los 80 se intentó desarrollar las baterías

recargables de litio, pero se volvieron a encontrar con el mismo problema:

la inestabilidad del litio metal utilizado en el electrodo negativo. Ante este

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ef/Ni-MH_Battery_01.JPG



63

problema, surgieron las baterías de ion-litio, al decidirse a sustituir el litio

metal por una tecnología capaz de insertar y desinsertar iones de litio. Las

primeras baterías de Li-Ion fueron desarrolladas por parte de Sony en 1991.

Estas baterías estaban compuestas de grafito en el electrodo negativo, y

oxido laminar de litio y cobalto (LiCoO2) en el positivo. Esta configuración,

denominada C//LiCoO2, es actualmente la más utilizada para las baterías de

iones de litio comerciales.

Por otro lado, en el siglo XXI se están investigando con muchas otras

variantes de baterías de ion-litio, como por ejemplo las de LiMn2O4 o las de

LiFePO4. Estas dos opciones en concreto, presentan varias ventajas con

respecto a las de LiCoO2 fundamentalmente un menor coste y un menor

impacto ecológico. Son las más investigadas y están consideradas como las

principales candidatas a tomar el relevo en las baterías de iones de litio.


Como se ha comentado, estas baterías tienen como materiales activos

de los dos electrodos compuestos con la habilidad de poder realizar los

denominados procesos de inserción y desinserción de iones de litio (Li+) y

además reversiblemente. Para ello, uno de los dos electrodos debe tener

como material activo algún compuesto que cuente con algo de litio en su

constitución inicial. Entre estos materiales usados para el cátodo de las

baterías comerciales, destacan el LiCoO2, LiMn2O4 y LiFePO4.

Tabla 2.4. Diferentes configuraciones de baterías de ion-litio según el material activo del cátodo Fuente: Sostenib il idad Técnica, económica y ambiental de f lotas comerciales de vehículos

eléctricos . S i lv ia Cestau Cubero (2014). Universitat Poli tècnica de Catalunya.



64

Figura 2.31. Flujo de los iones en las baterías de ion-litio Fuente: Battery Univers ity

En cuanto al electrolito, puede tratarse de una disolución líquida

orgánica o de un polímero sólido. En general, el más usado es una

disolución de sal de litio con disolvente orgánico, y una de estas es la

disolución 1M de LiPF6. Esta presenta una composición estequiométrica

(1:1 en peso) de carbonatos de etileno (EC) y de dimetilo (DMC).

El funcionamiento de estas baterías es relativamente sencillo, y parecido

en cierta manera a las anteriores. En las celdas, durante el proceso de carga,

gracias a la aportación de energía del exterior los iones se desplazan entre

el electrodo positivo y el negativo, permaneciendo ahí hasta el comienzo de

la etapa de descarga. En ese momento el proceso se revierte, los iones

llevan el camino opuesto y se libera así energía. La reacción general total de

producción de energía en estas baterías es:

Estas baterías pueden adoptar diferentes formas y tamaños, desde

formas cilíndricas a prismáticas.



65

Figura 2.32. Partes y funcionamiento de una batería de ion-litio de forma cilíndrica. Fuente: Battery Univers ity


Las características nominales de las baterías de ion-litio se muestran a

continuación:

Figura 2.33. Valores nominales de las baterías de ion-litio Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry .

Las baterías de ion-litio presentan numerosas ventajas frente al resto,

son consideradas como las baterías más avanzadas.

Alta energía específica y densidad de energía. Una de las

principales ventajas de las baterías de ion-litio es que posee una

energía específica muy elevada, debido esencialmente a su

reducido peso. No solo presentan una excelente energía por

unidad de masa (80 - 170 Whkg-1), sino también por unidad de

volumen (170 - 450 Whl-1). Son valores en torno a dos veces



66

mayores que los valores nominales de las baterías de níquel-

hidruro metálico y 4 veces mayores que los de las baterías de

plomo-ácido.

Voltaje muy elevado. Las baterías de Lion son las que más

potencial nominal poseen. Generalmente, dependiendo de la

capacidad de descarga, oscilan entre los valores de 3 y 4 voltios,

que puede llegar a ser 3 veces superiores a los de NiMH, las otras

baterías más utilizadas. Una de las razones principales de que

estas baterías lleguen a alcanzar este valor de potencial tan

elevado, es la utilización de un electrolito no acuoso.

Auto descarga muy baja. Presentan niveles de auto descarga

muy inferiores a las baterías de NiCd y NiMH.

Efecto memoria nulo. Estas baterías no sufren apenas efecto

memoria, y no necesitan ningún tratamiento especial, como ser

completamente descargadas deliberadamente de vez en cuando,

para conservar la capacidad nominal de la batería. Esta es una

ventaja muy importante frente a las baterías de níquel.

Excelente número de ciclos de vida. Muy relacionado con la

anterior, estas baterías en todas sus configuraciones posibles

presentan muy buena recargabilidad. Estudios por parte del

CSIC, muestran que tras más de 1000 ciclos de vida la batería de

ion-litio mantiene más del 90% de su capacidad.

Impacto medioambiental comedido. Estas baterías, igual que las

de NiMH, están exentas de materiales altamente contaminantes

como el cadmio o el plomo. Además, en prácticamente la

totalidad de estas baterías, más del 95% de la batería es

reciclable. En conjunto su impacto se considera entre moderado

y bajo.

No necesitan mantenimiento.



67

Con respecto a las limitaciones de las baterías de ion-litio, las más

relevantes son:

Alto coste. Sin duda el punto débil de esta tecnología es su

elevado coste, que llegaron a alcanzar los 800 €/kWh, muy por

encima del resto de tecnologías de baterías. No obstante, este

precio ha ido cayendo considerablemente hasta precios todavía

más altos que los del resto de baterías, pero más razonables.

Esta caída de los precios seguirá, entre otras razones, debido a la

introducción de materiales para el cátodo alternativos al LiCoO2,

como el LiMn2O4 y el LiFePO4.

Degradación y seguridad. Las baterías de ion-litio sufren una

fuerte degradación a altas temperaturas y cuando se almacena

mucho tiempo con un voltaje alto. Además, en el caso de altas

temperaturas (superiores a 50 °C), las baterías muestran una

pérdida importante de prestaciones como consecuencia de la

pérdida de parte de sus propiedades electroquímicas.

Por otro lado las baterías sufren una fuerte degradación cuando

son sometidas a sobrecargas o sobredescargas, perdiendo

capacidad la batería en estas situaciones.

También las baterías de ion litio pueden sufrir procesos de lo que

se conoce como “thermal runaway” o calentamiento

descontrolado. En casos extremos puede provocar problemas de

seguridad, pues puede inducir en la inflamación de la batería. Se

han dado varios casos de estas inflamaciones y explosiones,

desde 2008 en varios modelos de coches eléctricos.

Carga complicada. Estas baterías requieren un circuito de

protección para limitar la corriente y el voltaje durante la carga.

Además no dispone de carga rápida a bajas temperaturas, por

debajo de 0 °C.


La aplicación de estas baterías a coches eléctricos está muy

evolucionada, de hecho casi la totalidad de los vehículos eléctricos que se



68

diseñan a día de hoy, llevan baterías de ion-litio. Cabe destacar dos modelos

en particular, en primer lugar el Tesla Roadster (Figura 2.12) que fue

presentado en 2006 por Tesla Motors, y que con su batería de ion-litio y sus

prestaciones competía con los deportivos de entonces. Y en segundo lugar,

el Nissan LEAF (Figura 2.13), el coche eléctrico más vendido de la historia.

Otra aplicación que indica la importancia de estas baterías, ha sido la

participación en el Dakar por primera vez de un coche eléctrico, el

“ACCIONA 100% EcoPowered”, Figura 2.33. Es significativo que para el

diseño de este coche, alimentado íntegramente por 4 baterías extraíbles,

Acciona escogiese precisamente la tecnología de las baterías de ion-litio.

Figura 2.34. “ACCIONA 100% EcoPowered”, primer coche eléctrico en participar en un Dakar (2015) Fuente: Acciona Dakar

2.3.1.5 Baterías de metal-aire


Esta familia de baterías se caracteriza por tener sus celdas compuestas

por un metal puro en el ánodo, aire ambiente para el cátodo (cátodo

externo) y habitualmente una solución acuosa para el electrolito, como por

ejemplo un concretado de hidróxido de potasio. Son por tanto, baterías con

sistemas abiertos, siendo esta su principal diferencia con las baterías

tradicionales.



69

Figura 2.35. Esquema general de las baterías de metal-aire Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)

Dentro de este tipo de tecnología, la primera pila comercial surge en

1930. Se trataba de una pila de Zn-aire, y se utilizó en sistemas señalización

ferroviaria y navegación. Desde entonces, la tecnología ha evolucionado

notablemente y es considerada fuertemente por muchos fabricantes como

el fututo sistema de almacenamiento para los coches eléctricos. La realidad

es que a día de hoy no es más que un candidato a ello. Esto se debe

principalmente a que se tratan de baterías primarias, esto es, baterías no

recargables. Sin esta propiedad se puede afirmar que estas baterías no

tienen futuro posible en su aplicación al vehículo eléctrico. Es precisamente

este su reto primordial, conseguir la recargabilidad eléctrica, para poder

aprovechar así sus ventajas sobre las baterías convencionales, como lo son

una capacidad de almacenamiento superior y un menor peso al usar el

oxígeno como reactivo.

La reacción electroquímica general, a través de la cual una batería de

metal-aire con electrolito acuoso produce energía es:

Siendo M el metal del que está hecho el ánodo (Zn, Al, Mg, Fe, Ca,…). El

esquema general de esta reacción se observa en la Figura 2.36a.

Otra opción de las baterías metal-aire es con electrolitos no acuosos. En

este caso el electrolito no participa en las reacciones electroquímicas de

estas baterías. Por ejemplo para la de Litio-aire de electrolito no acuoso:



70

El esquema de esta reacción para las baterías de Li-aire con electrolito

no acuoso se muestra a continuación, en la Figura 2.36b.

Figura 2.36. Esquema de reacciones electroquímicas para baterías metal-aire Fuente: Handbook of Battery Materials, Vol 1. Claus Daniel and

Jürgen O.Besenhard. Wi ley -VCH, 2011.

Existen numerosas variantes de esta tecnología, a continuación se

muestra una tabla con sus reacciones electroquímicas y los valores

nominales de la mayoría de ellas:

Tabla 2.5. Comparativa de las diferentes tecnologías de baterías metal-aire Fuente: Paci fic Northwest National Laboratory



71

De todas las anteriores, que destacan tres tipos de baterías: La de litio-

aire, la de aluminio-aire y la de zinc-aire. Estas tres baterías son la de más

interés actualmente, y por ello se comentan con más detalle:

a) Baterías de aluminio-aire

Estas baterías presentan la configuración típica de las baterías metal-

aire. En el electrodo negativo está el aluminio metal, que si bien tiene

típicamente un grosor inicial de 1 cm, va disminuyendo más y más según la

reacción transcurre. En el positivo, el cátodo de aire, es una estructura

porosa consistente de una malla con una capa de carbón catalítico. Una fina

capa de PTFE (Politetrafloruroetileno) le da la porosidad necesaria para

dejar pasar oxígeno, pero sin dejar pasar al electrolito. Este electrolito suele

ser una solución alcalina, generalmente hidróxido de potasio.

Figura 2.37. Esquema general de las baterías de aluminio-aire. Fuente: E lectric Vehicle Technology Explained. James Larminie, John Lowry.

La reacción electroquímica de las baterías de aluminio-aire es la misma

que la genérica explicada anteriormente. En este caso es el Aluminio el que

se combina con el oxígeno del aire y con agua, para formar hidróxido de

aluminio, liberando energía eléctrica en el proceso. Esta reacción es

irreversible, y es la siguiente:

Esta batería, no se considera recargable, pues la reacción es irreversible.

Su particular forma de “recargar” las baterías, algo bastante común en las

baterías metal-aire, se realiza al remplazar los electrodos negativos una vez

usados. El electrolito se suele cambiar también, al estar contaminado por el

hidróxido de aluminio.



72

Estas baterías tienen algunas propiedades muy buenas, como una alta

energía específica o un alto número de ciclos de vida. Sin embargo, tiene

una limitación muy importante, una potencia específica extremadamente

pequeña, lo que complica enormemente la vida a estas baterías sobre todo

de cara a su posible utilización en vehículos eléctricos.

No obstante, hay empresas que están experimentando con las baterías

de aluminio-aire, no solo con el objetivo de diseñar vehículos eléctricos con

solo estás baterías, sino también con el objetivo de que estas baterías se

combinen con otras tecnologías para aumentar las prestaciones del coche

eléctrico. En este contexto, destaca la empresa israelí Phinergy, que fue

fundada por Aviv Tzidon en 2008, aunque ya se desarrollaba su tecnología

desde el año 2000. Trabajan en colaboración con la empresa canadiense

Alcoa Canadá, y actualmente se concentran en las baterías de metal-aire, y

en concreto en las de aluminio-aire y zinc-aire. Esta empresa, mediante un

sistema de baterías hibrido, combinando una batería de ion-litio con una

batería de aluminio-aire, han conseguido diseñar y fabricar un coche

eléctrico, actualmente todavía en pruebas, con una autonomía de más de

1700 kilómetros.

Figura 2.38. Coche eléctrico de Phinergy Fuente: Phinergy



73

b) Baterías de zinc-aire

Las baterías de zinc-aire son muy similares a las anteriores, en especial a

las baterías de aluminio aire, eso sí con unas mejores prestaciones y en

particular en cuanto a la potencia específica, que es en torno a 10 veces

superior. La estructura es muy similar, tiene un electrodo positivo en el

cátodo en el cual el electrolito reacciona con el oxígeno, en el electrodo

negativo está el zinc metal, y el electrolito se trata de una solución alcalina.

Figura 2.39. Esquema de una batería de zinc-aire Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)

El proceso de producción de energía es muy parecido a las reacciones

generales expuestas anteriormente para las baterías de metal-aire.

Básicamente consiste en la oxidación del zinc a través de los iones que se

producen al reaccionar con el oxígeno proveniente del aire, con ayuda del

catalizador, liberando así electrones y produciendo energía eléctrica. Se

trata de un proceso normalmente irreversible, con la excepción de algunos

fabricantes que afirman haber producido baterías eléctricamente

recargables invirtiendo el proceso, aunque con muy pocos ciclos de vida. La

forma normal de “recargar” estas baterías es remplazar los electrodos

negativos mecánicamente, igual que en las baterías de aluminio-aire y la

mayoría de las baterías de metal-aire. Igual que sucedía antes, también se

suele remplazar el electrolito, en este caso contaminado por óxido o

hidróxido de zinc.

La aplicación de las baterías zinc-aire ha sido durante muchos años

donde su alta densidad de energía los hacía especialmente útiles, por



74

ejemplo para audífonos. Aparatos que están todo el tiempo virtualmente

encendidos, y que por tanto su alta auto descarga no es un problema tan

grande. En cambio, las baterías de zinc-aire tiene muy poca presencia en la

aplicación en baterías de gran tamaño, ya sea con baterías recargables

mecánicamente o las nuevas, escasas y poco efectivas baterías recargables

eléctricamente. Algo que parece que va a cambiar, pues se está apostando

fuerte por estas baterías y se consideran de gran potencial de cara al futuro.

c) Baterías de litio-aire

Las baterías de litio-aire, son de las pocas baterías metal-aire que puede

funcionar tanto con electrolitos acuosos como no acuosos. En ambos casos,

en el ánodo se sitúa el Li metal, en el electrolito un conductor del ion Li+,

normalmente una sal de litio, y el cátodo de aire. Generalmente es

imprescindible el uso de un catalizador en el cátodo de aire con base de

carbón composite.

Figura 2.40. Esquema general de las baterías de litio-metal Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)

Para el caso de un electrolito no acuoso, la reacción electroquímica es la

que se ha utilizado de ejemplo para representar los tipos de baterías-metal



75

aire con electrolito no acuoso (Ecuación 2.11 y 2.12), y el esquema de estas

reacciones, el de la figura 2.36b. Este electrolito no acuoso, está compuesto

de una sal de litio y disolventes orgánicos. En el caso de un electrolito

acuoso, suele ser una sal se litio en disolución acuosa. Ambas presentan

estructuras muy similares.

También existen otras dos configuraciones de estas baterías, cada una

con sus ventajas e inconvenientes. La tercera opción para estas baterías de

litio-aire es con el electrolito mixto. Estas se desarrollaron para mejorar las

limitaciones de las anteriores, y presentan la siguiente forma:

Como se puede observar, se caracterizan por tener una membrana

conductora separando los dos electrolitos, el acuoso y el no acuoso. De esta

forma, el electrodo negativo (el de litio metal) está en contacto nada más

que con el electrolito no acuoso, mientras que el positivo (el de carbón

poroso) solo está conectado con el electrolito acuoso.

La última opción es con un electrolito de polímero cerámico, lo que

reduce considerablemente las limitaciones de estas baterías, impidiendo la

formación de dendritas en el Li metal, aportando mayor estabilidad térmica,

eso sí, con una menor conductividad de iones.

Figura 2.41. Esquema de baterías de litio-aire mixtas. Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)



76

Figura 2.42. Esquema de baterías de litio-aire con electrolito polimérico cerámico Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)

Resumen y conclusiones de las baterías de metal-aire

Los tres tipos de baterías de metal-aire expuestas anteriormente son las

más utilizadas y las que se consideran como grandes tecnologías de cara al

futuro. La tabla a continuación, presenta un resumen de estas baterías:

Tabla 2.6. Resumen baterías de metal-aire más importantes Fuente: A lbufera Energy Storage (2015)



77

En conclusión, estas baterías de metal aire son potencialmente las

baterías más compactas y económicas. Además, no tienen apenas impacto

para el medioambiente, y gran parte de sus componentes son reciclables.

Sin embargo, presentan una desventaja que les hace no poder competir con

el resto de las baterías: la recargabilidad eléctrica. Muy pocas baterías

metal-aire poseen esta propiedad, y las que lo poseen todavía tienen

mucho que mejorar, por su pobre rendimiento. Su recarga, generalmente se

realiza mecánicamente remplazando el electrodo negativo y muchas veces

el electrolito también., acción de gran complejidad.

2.3.1.6 Baterías de base Sodio

Son un tipo de baterías de sal fundida, y unas relativamente recientes,

pues se desarrollaron a partir de la década de 1980. Presentan una

importante diferencia con respecto al resto de baterías, necesitan trabajar a

temperaturas muy altas, generalmente por encima de los 300 °C. Esta

diferencia supone una limitación considerable a la aplicación de estas

baterías en diferentes sectores. Destacan dos modelos de esta tecnología:

las baterías de sulfuro de sodio o de sodio-azufre, y las baterías de cloruro

metálico de sodio, más conocidas como baterías ZEBRA.

a) Baterías de sulfuro de sodio

Estas baterías se componen habitualmente de sodio fundido en el

electrodo negativo, de polisulfitos de azufre fundidos en el electrodo

positivo, y un cerámico de beta-alúmina como electrolito. Este electrolito es

sólido, lo que a temperatura ambiente impide el proceso de carga y

descarga, requiriendo altas temperaturas para poder funcionar. La inmensa

mayoría de las baterías de sulfuro de sodio, tienen forma tubular, según la

siguiente figura:



78

Figura 2.43. Esquema de las baterías de sodio-azufre Fuente: NASA John Glenn Research Center

La reacción electroquímica básica que se lleva a cabo en las baterías de

sulfuro de sodio es:

Las baterías de sodio-azufre presentan numerosas ventajas como una

elevada energía específica (alrededor de 110 Wh/kg) y densidad de energía,

un elevado número de ciclos y un efecto memoria nulo. Sin embargo,

también presenta numerosas desventajas, como la necesidad de trabajar a

temperaturas entre 300 y 350 °C y lo que ello implica. Esta propiedad hace

que sea imprescindible un contenedor que aísle las celdas, lo que además

de elevar considerablemente el coste, reduce las prestaciones de las

baterías por su elevado peso, como por ejemplo la energía específica.

Además, antes de usarlas precisan un lento precalentamiento hasta

su temperatura de trabajo, y en caso de dejarlas de usar más de un día,

requieren calentadores para mantenerlas a una cierta temperatura. A esto

hay que añadir la exigencia de materiales estructurales que soporten estas

altas temperaturas.

Por otro lado, las baterías de sulfuro de sodio sufren bastantes

problemas de inestabilidad por la reactividad de los materiales, lo que ha

desembocado ya en varios incendios de estas baterías. Además, los



79

aislantes manifestaron importantes problemas de corrosión en ese

perjudicial ambiente químico, lo que pagaban los electrodos al volverse

conductores y aumentar la auto descarga de la batería. Estos problemas en

las baterías de sulfuro de sodio, sumado al problema de crecimiento

dendrítico del sodio llevó a desarrollar unas baterías de sodio alternativas:

las baterías ZEBRA.

b) Baterías ZEBRA

Las baterías ZEBRA o Baterías de Na-NiCl2, fueron desarrolladas en 1985

por el grupo Zeolite Battery Research Africa Proyect (ZEBRA), de ahí el

nombre es esta batería. Se trata de una batería recargable que utiliza

cloruro de níquel para el electrodo positivo, sodio líquido para el negativo, y

en cuanto al electrolito se trata de un electrolito doble. Esto es, trabaja en

estado sólido en el lado del electrodo positivo estando esta parte formada

por cerámica beta (Na - β”- Al2O3), mientras que el electrolito en contacto

con el electrodo negativo es un cloruro de sodio-aluminio líquido (NaAlCl4).

En cuanto a la reacción electroquímica global de la batería, a través de la

cual se realiza el proceso de carga y descarga es la siguiente reacción

reversible:

Las baterías ZEBRA reúnen todas las ventajas de las baterías de sulfuro

de sodio y eliminan prácticamente la totalidad de sus limitaciones y

problemas de seguridad. No obstante, la elevada temperatura de trabajo

sigue dando algún que otro problema. De estas complicaciones destacan las

pérdidas térmicas que tiene lugar cuando la batería no se está usando. Por

ello es preferible mantener la batería bajo carga incluso cuando el vehículo

este apagado, quedando así además a disposición para cuando se necesite.

Mientras que si se deja enfriar, el electrolito solidifica y luego puede llegar a

tardar hasta dos días en volver a alcanzar la temperatura necesaria para su

funcionamiento.



80

Figura 2.44. Esquema de las baterías ZEBRA (Na-NiCl2) Fuente: UPS Battery Center

De todas formas, presentan numerosas ventajas como su bajo peso, el

uso de materiales con una disponibilidad mundial y con poco impacto

medioambiental (sodio, cloro y aluminio), alta densidad de energía y

potencia, una gran durabilidad y baja auto descarga, que predominan sobre

sus inconvenientes, y hacen que se traten de una de las baterías que más

prometen de cara al futuro. De hecho, ya ha habido alguna que otra

aplicación de las baterías ZEBRA a vehículos eléctricos, destacando

sobretodo en autobuses y camiones eléctricos, y también en algunos

modelos del Th!nk City (Figura 2.25).

2.3.1.7 Supercondensadores

Los supercondensadores o condensadores electroquímicos de doble

capa (Electric double-layer capacitor, EDLC), son dispositivos

electroquímicos que disponen de una densidad de energía increíblemente

alta en comparación con los condensadores tradicionales. También son

conocidos como ultracondesadores, supercapacitores o ultracapacitores,

entre otras formas.



81

Su historia se remonta a 1957, cuando se realizó la primera patente de

un supercondensador, por parte de H.E. Becker, un ingeniero eléctrico. Se

basada en una mejora de los condensadores convencionales, fundamentada

en un aumento del área de las placas y con ello un aumento de la

capacidad. Lo hizo sustituyendo el material entre las placas, el material

cerámico o polimérico se reemplazó por uno poroso de carbono disuelto en

un electrolito, generalmente hidróxidos de sodio o de potasio.

Su diseño básico consiste en dos electrodos separados por una

membrana o separador permeable de iones, y un electrolito que conecta

iónicamente ambos electrodos. Cuando los electrodos estén polarizados

con el voltaje aplicado, los iones del electrolito forman una doble capa

eléctrica de la polaridad opuesta a la de cada electrodo. Todo esto se

observa en la Figura 2.43.

Figura 2.45. Diseño y funcionamiento básico de un supercapacitor Fuente: Tosaka

Este tipo de dispositivos se muestran como una excelente combinación

entre las baterías electroquímicas y los condensadores normales. Gracias a

ello, los supercapacitores de hoy en día presentan numerosas ventajas:

Elevado número de ciclos. Aguantan un número de cargas y

descargas muy superior a cualquier batería en el mercado.

Capacidad. Presentan una capacidad muy elevada, comparable

con la de las baterías de ion-litio.

Recarga rápida. Son capaces de absorber energía en pocos

segundos, frente a las lentas recargas de las baterías. Esto



82

además es una gran ventaja en su aplicación a vehículos

eléctricos, ya que esta cualidad es perfecta para el sistema de

frenado regenerativo.

Gran rendimiento. En torno al 98% de rendimiento energético.

Buena energía específica y densidad de energía. Actualmente

no están a la altura de los últimos diseños de baterías, pero no

por ello dejan de tener características muy buenas.

No presentan efecto memoria.

Desde que se desarrollaron los supercapacitores hasta la actualidad, han

sufrido una enorme evolución debido principalmente a la investigación de

nuevos materiales. Este es el caso de la última innovación, la aplicación del

considerado material del futuro, el grafeno.

Figura 2.46. Estructura del grafeno Fuente:Wikimedia

Este material descubierto en 2004 y famoso a partir de que por su

investigación sobre él recibiesen en 2010 el premio Nobel de Física Andréy

Gueim y Konstantín Novosiólov, no es más que carbón puro con una

distribución en patrón regular hexagonal (Figura 2.44). Se lleva estudiando

la aplicación del grafeno a supercondensadores desde hace algunos años, y

han llegado a crear modelos de estos dispositivos capaces de cargarse en

apenas 16 segundos. No solo tienen esta habilidad de cargarse y



83

descargarse tan rápidamente, si no que presentan una capacidad muy

aceptable y no sufren apenas desgaste con el número de ciclos.

Todas estas ventajas, unidas a que tendrían un precio

considerablemente menor, hacen que se plantee la aplicación de los

supercondensadores en vehículos eléctricos o híbridos. También cabe

mencionar su posible aplicación como almacenador intermedio entre la

carga y la batería. Así se conseguirían sistemas más resistentes y flexibles,

prolongando la vida de las baterías al estabilizar las demandas de energía

instantáneas por parte del sistema de propulsión.

2.3.1.8 Comparativa y conclusiones

Los fabricantes se enfrentan a la importante decisión de tener que elegir

sistema de almacenamiento para sus vehículos eléctricos. A día de hoy, la

totalidad de estos fabricantes apuestan por una de las tecnologías de

baterías comentadas anteriormente. Más adelante se muestra una gráfica

en la que se comparan estas baterías.

De todas las tecnologías disponibles, no hay ninguna opción claramente

mejor que el resto en todos los aspectos, siendo necesaria encontrar una

relación de compromiso entre estos. A día de hoy, la opción por la que

optan la mayoría de los fabricantes son las baterías de litio.

Sin embargo, todavía existe mucho margen de mejora en todas las

tecnologías, y otras nuevas que puedan aparecer. Un ejemplo de estos son

los ultracondesadores, que también serán un factor a tener en cuenta y no

en un futuro muy lejano. Además, su tecnología avanza más rápido que la

de las baterías, lo que deja entrever una posible sustitución en el sistema de

almacenamiento no solo en el vehículo eléctrico, si no a escala mundial.



84

Figura 2.47. Grafica comparativa de las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos Fuente: Wikimedia

2.3.2 Motor eléctrico

Los motores son un dispositivo capaz de transformar cualquier tipo de

energía en energía mecánica, que permite realizar un trabajo. En el caso de

los motores de automóviles, esta energía mecánica es transmitida a las

ruedas produciendo así el movimiento de los vehículos.

De esta forma, se puede decir que los vehículos eléctricos tienen un

sistema de propulsión similar a los vehículos convencionales, desde el punto

de vista que es a través de un motor con lo que hacen llegar la energía

mecánica a las ruedas, eso sí, se tratan de dos motores bien diferentes.

Mientras, los vehículos eléctricos transforman en energía mecánica la

energía eléctrica, generalmente almacenada en las baterías, a través de

motores eléctricos. Los vehículos convencionales utilizan motores térmicos,

que mediante un proceso adicional convierten precisamente la energía

térmica presente en un fluido compresible en energía mecánica. Lo hacen

mediante este proceso adicional, en el que transforman la energía química

almacenada en la materia en energía térmica, como es el caso del proceso

de combustión.



85

2.3.2.1 Breve historia del motor eléctrico

El principio de funcionamiento de un motor eléctrico, la transformación

de energía eléctrica en energía mecánica (rotación electromagnética), fue

formulado por primera vez en 1821 por Michael Faraday, famoso físico y

químico británico, a partir del principio teórico de André-Marie Ampère

conocido como la Ley de Ampère. La Figura 2.47 representa uno de los

experimentos de Faraday en 1821, estaba compuesto de conductores e

imanes sumergidos en mercurio, y se puede contemplar como el primer

diseño de un motor eléctrico.

Figura 2.48. Rotor electromagnético de Faraday (1821) Fuente: Exper imental Researches in Electrici ty, Volume 2. Michael Faraday (1844)

Cabe mencionar que el físico norteamericano Joseph Henry es

considerado codescubridor de la inducción electromagnética de manera

independiente a Faraday, y a ambos se les atribuye la construcción de los

primeros motores eléctricos experimentales. Los avances de Faraday y

Henry sirvieron de base para la construcción de los diferentes motores

eléctricos, en el periodo de 1822 a 1850. Entre ellos destaca en la historia

del motor eléctrico, el físico y matemático inglés Peter Barlow, que en 1823

con la aplicación de los descubrimientos de Faraday construyó un motor

con un disco giratorio, conocido como la rueda de Barlow. Se trataba de una

rueda de cobre situada entre los polos de un imán, que se ponía a girar al

comunicarle corriente continua como resultado de la interacción entre los

campos magnéticos creados por el imán y por la rueda.



86

En 1830, Dal Negro construyó una especie de péndulo eléctrico

considerado como un modelo de motor giratorio. En esta máquina, el imán

sufría una oscilación continua debida a la acción del campo producido por

una bobina.

Figura 2.49. Rueda de Barlow (1823) Fuente: The Progress of Invent ion in the Nineteenth Century. Edward W. Byrn (2012)

Figura 2.50. Motor eléctrico de Dal Negro (1830) Fuente: The Progress of Invent ion in the Nineteenth Century. Edward W. Byrn (2012)



87

El herrero norteamericano Thomas Davenport, en 1831 fabricó un

motor eléctrico que contenía la primera configuración de un conmutador,

cuyo concepto se usa en los eléctricos de hoy en día. Además recorría una

trayectoria electrificada fija, por lo que algunos lo consideran el primer

coche eléctrico de la historia (Figura 2.1).

Figura 2.51. Motor eléctrico de Thomas Davenport (1831) Fuente: The Progress of Invent ion in the Nineteenth Century. Edward W. Byrn (2012)

En 1834 el ingeniero y físico alemán Jacobi construyó un motor eléctrico

multipolar, con un rudimentario conmutador y sobretodo, el primero con

eje de rotación directa, Figura 2.51. El mismo motor que el mismo instalaría,

unos años más tarde (1838) en una barca en el río Neva, lo que es la

primera aplicación conocida de estos motores a buques.

Figura 2.52. Motor eléctrico rotativo de Jacobi (1834) Fuente: The Progress of Invent ion in the Nineteenth Century. Edward W. Byrn (2012)



88

Charles G. Page empezó en 1838 una larga vida dedicada a los motores

eléctricos. Su primer motor, fue una ingeniosa simulación del

funcionamiento de las máquinas de vapor (Figura 2.52). De esta forma el

movimiento alternativo estaba compuesta por un solenoide como cilindro y

una barra de hierro como pistón. Siguieron surgiendo diferentes motores y

mejoras, por parte de estos físicos y muchos otros como Robert Davidson

(Figura 2.2) o Wagner.

Figura 2.53. Primer motor de Charles G. Page (1838) Fuente: American Journal of Science, vol. 35, 1838.

En 1838, el principio de reciprocidad por el que una máquina eléctrica

puede funcionar como generador o como motor fue formulado por Lenz,

demostrando así la reversibilidad de la máquina eléctrica. Algo que no fue

comprobado experimentalmente hasta la Exposición Internacional de Viena

en 1873, cuando Fontaine y Gramme como un sistema de dos dinamos, en

el que la primera actuaba como generador y la segunda transformaba la

energía generada en energía mecánica. Fue un momento clave, que impulsó

a algunos fabricantes a apostar por la tracción eléctrica.

La máquina eléctrica siguió evolucionando con la aparición de celebres

científicos como Siemens o Maxwell. Por otro lado, en 1885 el físico e

ingeniero eléctrico italiano Galileo Ferraris descubrió el campo magnético



89

giratorio, para ello utilizó algo inédito en este terreno hasta entonces, la

corriente alterna. Lo hizo utilizando dos corrientes alternas independientes

de dos fases diferentes, ambas de igual frecuencia. Ferraris fue

imprescindible en la historia de las máquinas eléctricas de corriente alterna.

Es más, su teorema conocido como “Teorema de Ferraris” es todavía a día

de hoy la base del funcionamiento de toda máquina eléctrica de corriente

alterna. Es indudable que el resultado de este teorema es sorprendente:

“con tres devanados que cada uno de ellos produce un campo alternativo se

ha logrado, al combinarlos adecuadamente en el espacio y con corrientes

apropiadas en el tiempo, un campo magnético de amplitud constante

(circular) y que es giratorio, o de otro modo, el fenómeno es equivalente en

cierta manera a un imán permanente que se moviera a la velocidad de

sincronismo1”

Figura 2.54. Esquema del primer motor de inducción de corriente alterna de Ferraris (1885) Fuente: The invention of the e lectr ic motor. Insti tute of Electr ica l Engineer ing (ETI) .

El mismo descubrimiento lo realizó casi simultáneamente Nikola Tesla,

que en 1887 construyó y patentó el primer motor eléctrico de corriente

alterna, por lo que es considerado el inventor de estos. Se trataba de un

motor asíncrono o de inducción bifásico, de polos salientes en el estator,

con los dos devanados y las dos corrientes desfasadas 90° en el espacio y en

el tiempo respectivamente. George Westinghouse compra un total de 40

patentes en 1888, incluidas las patentes de Tesla, y contrató al propio Tesla

como consultor para su empresa. La empresa Westinghouse, con Tesla y la

ayuda de los ingenieros C.F. Scott y B. G. Lamme, logró desarrollar en 1892

un motor bifásico práctico con los devanados distribuidos en estator y rotor.

1 Máquinas eléctricas. Jesús Fraile Mora. Sexta edición. Mc Graw Hill.



90

En 1887, Friedrich August Haselwander fue el primero en llegar a la idea

de usar un sistema trifásico de tensión y corriente, en vez de bifásicos.

Construyó el primer motor síncrono trifásico con polos salientes, sin

embargo fue prohibido su funcionamiento por miedo a que perturbase las

líneas de telégrafo. Además, su aplicación de patente también falló.

Figura 2.55. Motor síncrono de Haselwander (1887) Fuente: The invention of the e lectr ic motor. Insti tute of Electr ica l Engineer ing (ETI).

Fue en Europa, Michael Dolivo-Dobrowolsky quien alrededor de 1890,

sugirió la dependencia de las tres corrientes para constituir un sistema

trifásico, mientras trabajaba para la empresa alemana Allgemeine

Elektricitäts-Gesellschaft (AEG). A este sistema lo denominó Drehstrom,

expresión alemana que significa corriente giratoria. Ya en 1893, el propio

Dolivo-Dobrowolsky fabricó motores asíncronos de doble jaula de ardilla, y

también había sugerido la construcción de varios motores como el de

inducción de rotor devanado o con anillos deslizantes.

Es importante destacar también a Maurice Leblanc por sus

investigaciones en el método de arranque de los motores síncronos de una

manera asíncrona, y en concreto por inventar las jaulas amortiguadoras en

los polos de los motores síncronos (1895). Además a finales del siglo XIX se

había alcanzado un alto grado de perfección en la faceta constructiva de los

motores de corriente alterna, principalmente gracias a las aportaciones de

Dolivo-Dobrowolsky, C. E. L. Brown y de Tesla.

Se continuaron investigando en motores eléctricos, tanto de corriente

alterna como de continua, hasta llegar a los de hoy en día, si bien es cierto



91

que el grueso de la teoría básica de estos motores ya estaba desarrollada a

fechas de 1930. No obstante, para hacerse una idea del desarrollo

tecnológico de estas máquinas, es muy significativo el dato comparativo de

que un motor de 100 CV de 2003 tiene el mismo volumen que uno de 7,5

CV diseñado en 1897.

Figura 2.56. Primer motor trifásico de Dolivo-Dobrowolsky (1890) Fuente: The invention of the e lectr ic motor. Insti tute of Electr ica l Engineer ing (ETI).

2.3.2.2 Elementos básicos de los motores eléctricos

En términos generales los motores eléctricos en cuestión, como toda

máquina eléctrica rotativa, se puede decir que están constituidos por dos

partes: el estator o parte fija de la máquina y el rotor o parte móvil de la

misma. El estator tiene forma cilíndrica, con una relación diámetro/longitud

que varía en función de la velocidad de la máquina, para altas velocidades la

longitud es relativamente larga comparada con su diámetro, al contrario

que para máquinas de velocidades pequeñas. En cuanto al rotor, se coloca

en la cavidad del estator y se acopla en un eje que reposa en dos cojinetes o

rodamientos. A su vez, estos rodamientos pueden, o bien apoyar en sendos

pedestales posados en la bancada, o bien formar parte de las tapas sujetas

a la carcasa del estator, también denominadas culatas.



92

Entre estator y rotor existe un espacio de aire, fundamental para el

funcionamiento de la máquina además de permitir el libre giro del rotor. Se

denomina entrehierro, y es precisamente el campo magnético en esta

holgura mecánica el medio para el acoplamiento de los sistemas eléctrico y

mecánico, siendo por tanto donde verdaderamente tiene lugar la

conversión electromecánica.

Los motores eléctricos en general, presentan el siguiente esquema:

Figura 2.57. Sección general de motor eléctrico Fuente: Instalaciones eléctr icas bás icas, Enrique Marrufo González, Juan Cast i l lo Pedrosa.

McGraw-Hil l Interamericana de España S.L. 2010

Normalmente, tanto en estator como en rotor existen devanados por

los que circulan corrientes entregadas o cedidas por un circuito exterior.

Estos devanados constituyen el sistema eléctrico de la máquina, y están

normalmente formados por conductores de cobre. Uno de estos

devanados, denominado inductor, es el encargado de crear un flujo en el

entrehierro. Este flujo lo recibe el otro devanado, induciéndose corrientes

en él por lo que es conocido como inducido. En teoría, es indiferente que

devanado se sitúe en que parte de la máquina, ya sea inductor en el rotor y

el inducido en el estator o viceversa. Pero en la práctica, suelen influenciar

diversos factores para escoger una u otra solución, como la facilidad de

construcción, aislamiento o refrigeración.



93

2.3.2.3 Tipos de motores eléctricos

Como se ha comentado anteriormente, los motores eléctricos son los

encargados de transformar la energía eléctrica almacenada en las baterías

en energía mecánica. Para ello, se introduce en la máquina una corriente a

través de una fuente de alimentación exterior, que interacciona con el

campo magnético inductor resultando un par que ocasiona el movimiento

de la propia máquina.

Figura 2.58. Tipos de motores Fuente: E laboración propia



94

Los motores eléctricos se clasifican principalmente en dos tipos, según

la energía eléctrica que se les suministra para que la transformen en

trabajo: motores de corriente continua (C.C.) y motores de corriente alterna

(C.A.).

Ambos motores son relativamente similares, cada uno con sus

características técnicas, pero en términos globales ninguno de los dos es

considerado mejor que el otro. Cada uno presenta una serie de ventajas y

desventajas sobre el otro, que se analizan en la tabla a continuación:

Tabla 2.7. Ventajas y desventajas entre los motores eléctricos de C.A y de C.C. Fuente: Perspect iva actual de la tecnología del coche eléctr ico. Anális is de los

cambios en los procesos de producción con la l legada del vehículo e léctrico .

Univers idad Pública de Navarra. Miguel Roig Estrada. (2012)

Tal y como se observa en la tabla, los motores eléctricos de corriente

alterna no precisan de caja de cambios, son más ligeros, más eficientes y

más económicos, pese a que requieren de un sistema de electrónica de

potencia (apartado 2.3.3) más complejo y caro que los motores eléctricos

de corriente continua. En general, los motores de C.A son los más utilizados

para aplicaciones domésticas y de maquinaria industrial, pues además son

más fiables y requieren un mantenimiento prácticamente nulo.

En cuanto a la elección de un tipo de motor específico para su aplicación

en vehículos eléctricos, no se ha establecido ningún tipo de motor eléctrico

más adecuado que el resto en términos absolutos. Esto se debe a que

influyen determinadas variables que deben considerarse antes de escoger

un tipo de motor sobre otro, como cuanta potencia y par se necesita, el

voltaje nominal de las baterías, el coste de fabricación límite que se desea,

el volumen que debe ocupar o el peso que debe tener. Aun con estas

decisiones que tomar, la mayoría de fabricantes se declinan por los motores

de corriente alterna, y en concreto cabe destacar tres tipos: los motores de



95

corriente continua, los motores de inducción y los motores de imanes

permanentes.

Figura 2.59. Esquema de un motor de inducción (izq.) y uno síncrono de imán permanente (dcha.)

Fuente: Bodine Electric Company

Tabla 2.8. Características técnicas de los principales motores eléctricos. Fuente: Perspect iva actual de la tecnología del coche eléctr ico. Anális is de los



De estos tres modelos, hoy en día los más utilizados son los motores

síncronos de imán permanente. Esto se debe a que ofrece unas

características que encajan a la perfección con las necesidades de los

vehículos eléctricos, como su excelente comportamiento, eficacia más alta,

además de proporcionar par y potencia más que suficientes. No obstante,



96

como también se observa en las tablas, estos motores precisan de un

sistema de control más caro y complejo. Aun así, esto es compensado por

su menor coste de fabricación lo que hace que en conjunto el motor resulte

incluso hasta más económico. Además, otra de las razones por la que estos

motores son los que mejor se adaptan a las necesidades del vehículo

eléctrico es que la utilización de imanes permanentes permite reducir el

tamaño del motor, aparte de tener unas condiciones de mantenimiento y

limpieza mejores.

Figura 2.60. Motor de imanes permanentes de corriente alterna Fuente: Introducción a la Electrónica de Potencia. Univers itat de Valencia

Por otro lado, los motores de inducción son los otros grandes preferidos

por los fabricantes, en concreto los modelos de jaula de ardilla. Esto se debe

a que se trata de una tecnología más madura que el resto de competidores

de motores de corriente alterna, y además presentan una gran fiabilidad,

solidez, precisan de un menor mantenimiento y pueden trabajar en

ambientes hostiles. A pesar de esto, hoy en día es menos usado que el

motor de imanes permanentes por que muestran un incremento

considerable de las pérdidas a grandes velocidades, y con ello una

reducción importante del rendimiento en ese régimen de funcionamiento.

También hay que destacar la apuesta de algunos fabricantes por el

motor eléctrico de inducción como el de los vehículos eléctricos del futuro.

De hecho, se está investigando por compañías como Tesla y Remy, que en

esta búsqueda de un motor de inducción de última generación se plantean



97

la introducción de materiales que sustituyan al aluminio, utilizado en los

convencionales. De esta manera, según unos estudios la introducción de

cobre en el rotor, reduciría las temperaturas de funcionamiento,

aumentarían la conductividad eléctrica y aumentarían la vida útil hasta un

50%.

Figura 2.61. Motor de inducción de jaula de ardilla Fuente: Motor Electr ics

En cuanto a otras alternativas, los motores de C.C. están cada vez más

en desuso en el sector de la tracción eléctrica, desde el crecimiento de los

motores de C.A. Esto se debe a que, entre otras cosas, su construcción

presenta serios problemas de mantenimiento.

2.3.2.4 Comparación con motores de combustión interna

Como uno se puede imaginar, los motores eléctricos obtienen su

energía de la electricidad, sin necesidad de quemar combustibles y todas las

consecuencias medioambientales que ello conlleva. Otra cosa es de donde

se obtenga esa electricidad en primera instancia, todo lo que se comentará

más adelante.



98

En concreto, ahora la comparación se refiere a las características

técnicas del motor eléctrico frente al de combustión interna. En cuanto a

esto, los motores eléctricos presentan unas características relativamente

similares a las de un motor de combustión equivalente, pero mucho más

compacto, ocupando un espacio físico mucho menor. Además, se tratan de

motores mucho más simples, con menos elementos mecánicos, por lo que

se reducen más que considerablemente los fallos mecánicos internos.

Asimismo, la desaparición de muchos de los elementos móviles de los

motores de combustión reducen las vibraciones que reciben el resto del

vehículo, funcionando el coche eléctrico de forma más suave y silenciosa,

desembocando en una conducción mucho más confortable y cómoda.

En lo referido al propio funcionamiento del motor, motores eléctricos y

de combustión interna presentan importantes diferencias. Probablemente

la más importante de estas diferencias está en el par y potencia de ambos

motores, y en concreto en las gráficas de par-velocidad y potencia-velocidad

que ofrecen. Aunque los motores de gasolina y los motores diésel

presentan entre si diferencias importantes en cuanto al funcionamiento del

motor, se considerarán como un conjunto (motores de combustión interna)

de cara a la comparación con el vehículo eléctrico.

A continuación se comentan estas diferencias, todas las que se pueden

observar en las siguientes gráficas de par-velocidad y potencia-velocidad

para un modelo eléctrico, el más que conocido Nissan Leaf, frente a un

modelo de combustión interna, y en concreto un gasolina 1.6 de Nissan

también. Ambos son de potencia equivalente, y con curvas típicas y

representativas de cada modelo, por lo que resultan idóneas como

referencia de este análisis.

Figura 2.62. Gráficas de par-velocidad y potencia-velocidad Fuente: Nissan



99

Empezando por los motores de combustión interna, como se puede ver

en la gráfica, el par máximo se alcanza para una determinada velocidad de

rotación del motor, a partir de la cual irá decreciendo. Según el par decrece,

se llegará al estado de máxima potencia (potencia es par por velocidad de

giro), siendo lo mejor mantener el motor en un rango de funcionamiento

entre estos dos puntos, el de par máximo y potencia máxima. De esta

forma, al trabajar en este rango de funcionamiento, una pérdida de

potencia en un momento dado, por ejemplo, en una pendiente de subida

con el descenso de la velocidad de giro, se compensa con un incremento del

par con la consiguiente recuperación del ritmo deseado.

Además, la particular forma de las curvas de estos motores en forma de

“montaña”, y con fuertes pendientes cuando nos alejamos de los valores

máximos, hace que sea imprescindible la incorporación de un sistema de

cambio de relación de velocidades, que permite el cambio de curva según

interese, ya sea a una curva superior o inferior.

Sin embargo, los motores eléctricos se caracterizan por ofrecer el par

máximo ya desde 0 rpm, es decir, se dispone del par máximo desde el

primer momento de funcionamiento. El par se mantiene constante en su

punto máximo durante un determinado rango de velocidad de giro, en

concreto hasta el punto en el que alcanza el punto de potencia máxima,

momento en el que el par empieza a decrecer a un ritmo proporcional al

que aumenta la velocidad de rotación. De esta forma, en esta etapa de

funcionamiento, el motor entrega potencia constante, ya que como es

conocido potencia es par por velocidad de giro y, precisamente en esta

etapa par y velocidad son inversamente proporcionales. El motor eléctrico

permanece en estas condiciones hasta alcanzar su velocidad de rotación

límite.

Por otro lado, en lo referido a los componentes esenciales del motor,

hay que destacar la ausencia en los vehículos eléctricos de caja de

transmisión. Este componente como se ha comentado, permite el cambio

de una curva a otra en los vehículos de combustión interna administrando la

relación de velocidades entre diferencial y cigüeñal. Esta adecuación de la

relación de velocidades según las necesidades de conducción de cada

momento mediante la caja de transmisión en los vehículos de combustión

interna, es un proceso mecánico que resultan en una mayor complejidad

mecánica, y por tanto mayores pérdidas mecánicas y una menor fiabilidad,

además de afectar a la percepción de los pasajeros de una conducción más



100

brusca y ruidosa. En cambio, en prácticamente la totalidad de los vehículos

eléctricos se reemplaza la caja de cambios, y es directamente el motor

eléctrico el que transmite la potencia al diferencial, generalmente a través

de un reductor con relación de reducción fija. Sin embargo, como se

comentará más adelante, se está estudiando la incorporación de un sistema

de caja de cambios también para los eléctricos, con el fin de mejorar la

eficiencia a costa de un movimiento menos armónico y tranquilo.

Figura 2.63. Esquema conjunto motor eléctrico en un vehículo eléctrico Fuente: Renault

Por todo lo anterior, del análisis de las gráficas de par-velocidad y

potencia-velocidad de los motores de combustión interna frente a los

motores eléctricos se sacan algunas conclusiones importantes. El hecho de

que los motores eléctricos ofrezcan el par máximo desde el comienzo, le

hace ofrecer una conducción con mucha más sensación de potencia, más

ágil y manejable. Además, por esto mismo, evitan problemas relacionados

con el ralentí, mientras que el de combustión interna es incapaz de

funcionar por debajo de este régimen (unas 700-800 rpm), al volverse

inestable y normalmente calarse. Asimismo, muy relacionado con lo

anterior, en los vehículos eléctricos el motor eléctrico no necesita estar

funcionando cuando el vehículo se encuentra parado, mejor que cualquier

sistema START/STOP que poseen los últimos vehículos de combustión

interna. Todo esto sumado a la ausencia de caja de cambios resulta en que

la conducción de un eléctrico sea una conducción con muchas ventajas,

entre otras una conducción sin sobresaltos, más cómoda y ágil.



101

Por último, es muy importante mencionar una característica de los

motores eléctricos que los de combustión es imposible que posean. Se trata

de la posibilidad del motor eléctrico de funcionar como generador. En esta

forma de funcionamiento, el proceso se invierte siendo el rotor el que

recibe la energía mecánica y generándose así en el rotor una corriente

eléctrica. Esta característica permite al vehículo recuperar gran parte de la

energía que de otra forma se desaprovecharía. Esta energía recuperada se

puede reutilizar, almacenándola en las baterías, incrementando la eficiencia

y autonomía del vehículo. El sistema de recuperación de energía más

conocido y utilizado se realiza a través del sistema de frenos. Este y otros

sistemas se comentarán más adelante.

Caja de cambio de varias velocidades

Según se ha comentado anteriormente al analizar las curvas de par y

potencia, y el comportamiento del motor eléctrico, éste era capaz de

ofrecer unas prestaciones muy satisfactorias a un amplio rango de velocidad

del motor y con un alto rendimiento con una única relación de velocidades.

Esta es una ventaja importante de estos vehículos frente a los de

combustión interna, ya la eliminación del cambio de marchas que supone

una comodidad extra a su conducción.

Sin embargo, la falta de marchas hace que el rendimiento del motor no

sea tan bueno como podría ser, y por lo tanto hay también un margen de

progreso en las autonomías de las baterías. Esto hace que hoy en día exista

una gran cantidad de estudios enfocados en el posible impacto que tendría

la sustitución de la caja de cambios con una única relación de velocidades

por una de varias velocidades.

Sin duda, esta incorporación de la caja de cambios de varias velocidades

mejorará las prestaciones del motor debido a que podrá trabajar en un

rango de velocidades en la que tenga un rendimiento elevado, tal y como se

observa en la gráfica a continuación:



102

Figura 2.64. Mapa de eficiencia de un motor eléctrico. Fuente: Perspect iva actual de la tecnología del coche eléc tr ico. Anális is de los



Dado que este rango es limitado, lo que interesa es estar siempre

dentro de el para mantener una alta eficiencia. Esto como los coches

eléctricos sería complicado teniendo una caja de cambios con una única

relación de velocidades puesto que suelen utilizarse por zonas urbanas y las

bajas velocidades van asociadas a un rendimiento más bajo. Pero al

incorporar más relaciones de velocidad, habría nuevas curvas par-velocidad

con las que se conseguiría mantener una alta eficiencia

independientemente de la velocidad de giro.

Gracias a este sistema, no solo se conseguiría aumentar la eficiencia del

motor (y por lo tanto aumentar la autonomía) sino que también se

mejoraría el funcionamiento de los frenos regenerativos. Además, se

podrían configurar los vehículos para diferentes perfiles de conducción lo

que aumentaría las posibilidades de venta de dichos vehículos. Estudios

realizados por algún fabricante, demuestran que con una caja de cambios

de dos marchas reduciría el consumo de energía entorno a un 10 %, que

podría aumentar más con cajas de cambios de 3 marchas.

En cambio, este sistema también presenta alguna desventaja. Por un

lado, la disminución de la comodidad de tener una única marcha. Pero por

otro lado, un aumento del coste de fabricación y del peso del vehículo. A

pesar de estos inconvenientes, el ahorro de energía parece más que

suficiente para que los fabricantes sigan estudiando su impacto y simulando

nuevos casos con más relaciones de velocidades.



103

2.6.1 Electrónica de potencia

Como se explicó en el funcionamiento básico del vehículo eléctrico, un

sistema de electrónica de potencia es fundamental para el funcionamiento

del eléctrico. Esto se debe a que cada elemento que interviene en el

funcionamiento del vehículo tiene sus propios requerimientos, y por tanto

hay que adecuar la forma y características de la energía eléctrica para

cumplir los requerimientos de cada componente. A continuación se

comentan los dos componentes básicos del sistema: el conversor y el

inversor.

Conversor

También conocido como cargador, dispositivo de carga o transformador

convertidor, es el encargado de transformar la energía suministrada por la

red, generalmente en forma de energía eléctrica alterna monofásica de 230

V, en energía eléctrica de corriente continua de 380 V que es la que

habitualmente necesita la batería para poder almacenar dicha energía.

Está compuesto básicamente de dos elementos: rectificador y

transformador. El rectificador es el encargado de transformar la corriente

alterna de la red en corriente continua, corriente que después el

transformador eleva su voltaje de los 230 V de la red hasta los 380 V que

necesita la batería.

Figura 2.65. Conversor y su principio de funcionamiento Fuente: Perspect iva actual de la tecnología del coche eléctr ico. Anális is de los





104

De forma análoga, cuando el motor está funcionando como generador

en la recuperación de energía, generalmente a través del sistema de frenos

regenerativos, será necesario poner un conversor que acondicione la

energía eléctrica a la llegada de la batería.

Inversor

El inversor es el otro elemento fundamental del sistema de electrónica

de potencia, el encargado de adecuar la energía eléctrica que proviene de la

batería de alto voltaje según los requerimientos del motor. Esto se debe a

que como se ha comentado más arriba, hoy en día la inmensa mayoría de

fabricantes optan por motores síncronos de imanes permanentes de

corriente alterna y, como ya se ha mencionado, las baterías trabajan con

corriente continua.

Figura 2.66. Inversor y su principio de funcionamiento Fuente: Perspect iva actual de la tecnología del coche eléctr ico. Anális is de los



Por tanto, el inversor convierte la corriente continua proveniente de la

batería en corriente trifásica alterna, y del voltaje requerido en cada

instante por el motor. Esto último se trata de una operación muy delicada,

ya que para que el motor ofrezca una respuesta adecuada a lo necesitado

en cada momento de la conducción, se le debe entregar al motor la



105

corriente justa (voltaje y energía). En general, los efectos del voltaje se

pueden simplificar en tanto que un aumento de este implica un incremento

de la velocidad de giro, y los efectos de la corriente, en tanto que un

aumento de esta se traduce en un crecimiento del par motor. Para el

adecuado control de esto, se complementa al inversor con una unidad de

control con el fin de asegurar una apropiada alimentación del motor. De

esta forma, además se contribuye a una administración más eficiente de la

energía, y con ello una mejor administración de la autonomía del vehículo.

También es habitual colocar un convertidor Boost (o convertidor DC a

DC) entre batería e inversor, con el fin de reducir las pérdidas disipadas en

forma de calor en el inversor, elevando la tensión continúa a la entrada del

propio inversor y disminuyendo así la corriente.

Lo habitual es que el convertidor Boost eleve la tensión de 380 V que

llega de la batería hasta 500 V, para que después sea adecuada a las

necesidades del motor en el inversor. El proceso de elevar tiene también

sus inconvenientes, ya que esta alta tensión puede presentar una serie de

peligros, como lo son la posibilidad de producirse explosión o cortocircuitos.

Por ello el inversor debe estar protegido y aislado, y así evitar posibles

daños.

Figura 2.67. Esquema básico de un convertidor Boost Fuente: Cyr i l BUTTAY

Resumen y conclusiones

A modo resumen se muestra el siguiente esquema básico de un sistema

de electrónica de potencia para un vehículo eléctrico habitual, en él se

pueden ver los diferentes componentes frecuentes de este sistema:



106

Figura 2.68. Esquema básico de un sistema de electrónica de potencia para un vehículo eléctrico

Fuente: Endesa

La siguiente figura muestra el caso particular del sistema de electrónica

de potencia de los vehículos eléctricos con motor eléctrico de corriente

continua. Como se puede observar, a diferencia del anterior, no tiene un

inversor DC/AC antes del motor eléctrico, debido a que de la batería la

energía ya viene con corriente continua. Se trata de un sistema de

electrónica de potencia mucho más simple y barato. Esta es una de las

razones por los que algún fabricante, prácticamente ninguno, optan por la

tracción con motores de CC.

Figura 2.69. Esquema básico de un sistema de electrónica de potencia para un vehículo eléctrico con motor CC.

Fuente: Endesa



107

Se puede concluir que el sistema de electrónica de potencia es de los

elementos más importantes del vehículo eléctrico. Sin ir más lejos, influye

directamente en tiempos de carga y descarga de las baterías, uno de los

principales puntos débiles de los eléctricos. Por ello, es muy necesario el

desarrollo en este sector para el avance del vehículo eléctrico. Teniendo en

cuenta que se trata de un campo reciente, que se desarrolla desde la

década de los 90, y dada la evolución de los últimos años, parece tener un

futuro prometedor.

2.6.2 Sistemas de recuperación de energía

Como se ha comentado en puntos anteriores, el principal problema del

vehículo eléctrico a día de hoy es la reducida autonomía que estos

presentan frente a los de combustión. A la hora de enfocar esta necesidad

de aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos y a la espera de la

mejora de las baterías, los fabricantes plantean dos posibles soluciones. La

primera consiste en una mejora de la eficiencia de diferentes partes del

vehículo como puede ser la evolución del motor eléctrico o de unos

neumáticos. La otra posible solución, y en concreto la que se comentará en

este apartado, es la incorporación de sistemas de recuperación de energía

que traten de optimizar la energía disponible, reduciendo pérdidas

innecesarias al máximo. Existen otras opciones de aumentar la autonomía

como por ejemplo con pequeños paneles solares, pero la dependencia en

las condiciones climáticas y su poco rendimiento, hacen que en estos

momentos no se contemplen como una opción real.

Los sistemas de recuperación de energía permiten precisamente

recuperar energía que de otra forma se perdería y transformarla en energía

útil, utilizándose para cargar las baterías mientras el coche está en

funcionamiento prolongando así la autonomía. Entre estos sistemas de

recuperación de energía, hoy en día el más utilizado es el sistema de frenos

regenerativos que viene equipado de serie en la mayoría de los vehículos

eléctricos. Por otro lado, se viene estudiando desde hace algunos años la

posibilidad de recuperar energía utilizando la suspensión del vehículo, pero

hay que tener en cuenta que todavía se encuentra en pruebas (*).

A continuación se muestra una tabla que resume las características de

estos sistemas:



108

Tabla 2.9. Resumen de las principales técnicas de recuperación de energía. Fuente: E laboración propia

A continuación procedemos a analizar el funcionamiento de estos

sistemas:

2.3.4.1 Sistema de frenada regenerativa

Este sistema permite transformar la energía cinética que lleva un

vehículo en energía eléctrica, cuando este decelera. De esta forma,

recupera parte de la energía que se disipaba por completo al frenar un

vehículo con frenos convencionales, por medio del rozamiento de las

zapatas en forma de calor.

Este sistema se basa en el funcionamiento del propio motor eléctrico del

vehículo como generador, de esta forma las ruedas mueven al generador,

que ofrece un par que va ralentizando el vehículo a la vez que genera

electricidad. Esa energía eléctrica llega a las baterías pasando previamente

por un conversor, donde se almacena aumentando así la autonomía del

vehículo.

Todo este proceso de funcionamiento se observa en el esquema a

continuación:



109

Figura 2.70. Funcionamiento sistema de frenada regenerativa Fuente: How Stuff Works

Sin embargo, este sistema de frenado hay que complementarlo con

unos frenos convencionales por varias razones. Por un lado el dispositivo

pierde eficacia a bajas velocidades, por lo que es imprescindible para

detener el vehículo por completo. Además, pueden ser necesarios también

en el caso de que la capacidad de almacenamiento de las baterías no sea

suficiente, siendo preciso disipar ese exceso de energía en forma de calor

con los frenos convencionales. Asimismo, son necesarios en caso de fallo

ocasional del sistema de frenada regenerativa.

Como se puede ver en la tabla 2.9, este sistema es capaz de recuperar

en torno al 33% de la energía que se pierde en una frenada convencional.

Además, para hacerse una idea de la energía total de frenado en un área

urbana es equivalente como valor general al 34 % de la energía de tracción,

pudiendo llegar al 80 % en grandes ciudades como Nueva York. Por tanto, el



110

uso del sistema de frenos regenerativos en estas ciudades puede llegar a

suponer un ahorro de energía superior al 25 %.

Por último, comentar que estos sistemas de frenada regenerativa eran

hasta hace poco algo exclusivo de los vehículos eléctricos e híbridos, no

obstante este sistema se está empezando a implantar en vehículos

convencionales, utilizándose en los nuevos modelos para arrancar el motor

equipado con el sistema “Start-Stop”. Sin embargo, este ahorro en energía

para los arranques representa una mínima parte de lo recuperado para los

vehículos eléctricos e híbridos.

2.3.4.1 Sistema de suspensión regenerativa

Este sistema se basa en la recuperación de energía por medio de la

suspensión de los vehículos, de forma que el movimiento vertical generado

en la suspensión se utiliza para generar energía.

Esta idea de aprovechar la energía de la suspensión no es nueva, sin

embargo recientemente la empresa Intertronic Gresser GmbH ha patentado

un nuevo sistema que asegura ser capaz de generar 15 kWh cada 100 km. Si

bien es cierto que todavía no se ha llevado a cabo, de comprobarse esto

sería un punto de inflexión para los vehículos eléctricos. Esto se debe a que

esos 15 kWh por cada 100km supondrían para muchos vehículos doblar su

autonomía actual.

Figura 2.71. Sistema de suspensión regenerativo de Intertronic Gresser GmbH Fuente: Intertronic Gresser GmbH


Alternativas al Automóvil Convencional – Vehículo Híbrido

111

3. VEHÍCULO HÍBRIDO

3.1 Historia del coche híbrido

A finales del siglos XIX y comienzos del siglo XX, el vehículo eléctrico

reinaba sobre cualquier otro sistema de propulsión, en especial sobre los

incomodos, ruidosos e ineficientes modelos de combustión interna.

Pero a su vez se estaban dando cuenta de que las cosas iban a cambiar,

por la poca autonomía, el elevado peso de las baterías y su lenta recarga, y

sobre todo la mejora de los modelos de combustión. Teniendo en cuenta

los inconvenientes del eléctrico y el progreso de los de combustión, surgió

la idea de combinar las dos formas de propulsión, naciendo así los híbridos.

Las primeras ideas sobre este concepto la tuvieron en 1896, los

británicos H.J. Dowsing y L. Epstein, se trataban de ideas sobre la

hibridación en paralelo que patentaron ese mismo año y que más adelante

se utilizaron en EE.UU para vehículos grandes. Precisamente Dowsing,

instaló en un Arnold una dinamo que además de constituir el primer

arranque automático para motores de gasolina, ayudaba a cargar las

baterías y asistía al vehículo en las subidas. Por ello, se le puede considerar

como el primer vehículo híbrido de la historia.

Figura 3.1. Compañía Arnold 1896 Fuente: Grace’s Guide. Bri t ish Industr ia l h istory



112

Más adelante, el siguiente modelo que destacó fue la Voiturette que

diseñaron en 1899 Nicolás Pieper y Henri Pieper. Estos hermanos belgas,

incluían bajo el asiento de este modelo un motor eléctrico, unido al motor

de gasolina. El motor eléctrico se utilizaba para dar potencia extra en

momentos en los que la conducción lo requería, normalmente en la

aceleración o en zonas con pendientes ascendentes. De esta forma, el

motor eléctrico en funcionamiento normal trabajaba como generador

eléctrico, almacenando energía eléctrica en las baterías, energía que luego

se suministraba al motor eléctrico para ayudar al vehículo en momentos

puntuales.

Figura 3.2. Voiturette diseñada por los hermanos Pieper (1899) Fuente: H istor ia del coche híbrido: los p ioneros. Motorpas ión

Pero sin duda, en los primeros años de historia de los vehículos híbridos

el personaje más importante fue Ferdinand Porsche, el que años más tarde

fundaría junto con su hijo, una de las empresas de automóviles deportivos

de referencia mundial, Porsche. Fue en el año 1899, cuando tenía 24 años y

trabajaba en Jacob Lohner & Co, cuando hizo su primer diseño de un

vehículo eléctrico lo que mostraba el potencial del que se convertiría en uno

de los ingenieros más importantes y conocidos de la historia de la

automoción.



113

Fue tal el impacto de la presentación del modelo eléctrico de Lohner-

Porsche en la EXPO de París del año 1900, que atrajo a numerosos

inversores. Lo que porvocó que un año más tarde se diseñase un modelo

que incorporaba un motor de combustión interna con la finalidad de alargar

la autonomía, el primer híbrido de Porsche.

Este modelo presentaba unas características muy peculiares y

avanzadas para esas fechas: se trataba de un motor de gasolina, que

girando a velocidad constante alimentaba una dinamo, que a su vez servía

para el arranque del propio motor de gasolina además de utilizarse para

cargar las baterías. De esta forma, la energía eléctrica iba directamente a los

motores eléctricos, situados por Porsche en las propias ruedas del eje

delantero por primera vez en la historia. Y era con la energía eléctrica que

sobraba de la alimentación de estos motores eléctricos con la que se iba

almacenando las baterías. Se considera por tanto, que Ferdinand Porsche no

diseño solo uno de los primeros híbridos de la historia sino también el

primer vehículo con tracción delantera, un sistema de transmisión que no

se utilizó para vehículos de producción masiva hasta el DKW F1 de 1931 o el

más conocido Citroën Traction Avant de 1934.

Figura 3.3. Vehículo híbrido Lohner-Porsche (1899) Fuente: H istor ia del coche híbrido: los p ioneros. Motorpas ión



114

En estos modelos, el motor de gasolina no estaba conectado a la

tracción del coche, solo a las baterías, siendo los motores eléctricos los que

transmitían directamente el par a las ruedas. De esta forma, no eran

necesarios sistemas de trasmisión entre el motor de combustión interna y

las ruedas, ni tampoco embrague ni otros elementos mecánicos. Todo ello

contribuía al excelente rendimiento de estos modelos, por encima del 80 %.

El sistema de Lohner-Porsche tuvo mucho éxito, y se crearon diferentes

modelos o versiones, de los que destaca el de tracción a las cuatro ruedas.

Esta idea fue patentada en 1893 por un ingeniero británico, pero sin

embargo, no fue puesta en práctica hasta el modelo diseñado por Porsche

en 1903. Éste incorporaba motores eléctricos acoplados a las cuatro ruedas,

con el mismo sistema de propulsión híbrida que sus modelos anteriores, y

es por ello considerado uno de los primeros vehículos (si no el primero) con

tracción total o integral.

Figura 3.4. Lohner-Porsche con tracción a las 4 ruedas (1903) Fuente: H istor ia del coche híbrido: los p ioneros. Motorpas ión

En total se vendieron por encima de 300 unidades de todos estos

modelos Lohner-Porsche, pero igual que los vehículos eléctricos, los

vehículos de propulsión híbrida se vieron superados por los precios y la

autonomía de los coches de combustión interna. Los Lohner-Porsche no

fueron una excepción de esta crisis de la propulsión electrica e híbrida, y se

abandonó su producción en 1906.



115

A partir de entonces, la historia de los modelos híbridos va muy ligada a

la de los eléctricos desde el punto de vista que necesitaron momentos

puntuales de la historia en los que se buscaban alternativas a la gasolina

(como alguna crisis del petróleo o alguna guerra) para reaparecer. Sin

embargo, presentaban una fuerte ventaja frente a los eléctricos ya que

estos dependían enormemente de la evolución de la tecnología de las

baterías, cuyas prestaciones eran muy pobres todavía durante todo el siglo

XX, los híbridos presentaban la alternativa a los de combustión más viable.

Así surgieron, sobre todo a partir de finales de los años 60, diferentes

modelos de vehículos híbridos en gran parte gracias al trabajo de los

investigadores: Dr. Baruch Berman, Dr. George H. Gelb y Dr. Neal A. Richard,

cuando trabajaban como ingenieros para TRW Automotive. De esta forma

surgen modelos como el GM512 (Figura 3.5) de General Motors en 1969,

que funcionaba con la combinación de un motor de gasolina de 2 cilindros

con uno eléctrico.

Figura 3.5. Vehículo hibrido de General Motors, GM512 (1969) Fuente: H istor ia del coche híbrido: la tecnología se perfecciona . Motorpas ión

También en 1969 se diseñó otro modelo a destacar el Opel Kadett Stir-

Lec I. En este caso, este coche presentaba unas características muy

peculiares ya que se trataba de un vehículo híbrido formado por un motor



116

Stirling (como motor térmico) y un motor eléctrico conectado solamente a

las ruedas traseras. Llama la atención el uso de un motor Stirling,

probablemente escogido por su mejor rendimiento, además de utilizar Helio

como combustible, sustituyendo a la gasolina. El par a las ruedas llegaba

únicamente a través del motor eléctrico, utilizándose el motor térmico

como si se tratase de un generador eléctrico para cargar las baterías.

El esquema de este vehículo tan distintivo se muestra a continuación en

este anuncio de 1969:

Figura 3.6. Anuncio de Opel Kadett Stir-Lec I (1969) Fuente: H istor ia del coche híbrido: la tecnología se perfecciona. Motorpas ión

Igual que sucedió con los vehículos eléctricos, la crisis del petróleo de

1973 dio otro gran impulso a la búsqueda de alternativas a los combustibles

fósiles, y con ello al sistema de propulsión hibrida. Así, se diseñaron nuevos

vehículos híbridos como el Volkswagen Taxi en 1973 entre otros, aunque el

desarrollo de la tecnología era todavía muy lento y no consiguieron cuajar

en el mercado.

Más adelante, a finales de los 80 aparece el primer modelo y prototipo

híbrido de Audi, uno de los fabricantes de automóviles referencia a nivel

mundial. Diseñado en 1989, el Audi Duo incorporaba un motor de gasolina



117

2.3 de cinco cilindros conectado con el eje delantero, y un motor eléctrico

de 9 KW para el eje trasero, usando un sistema de baterías de níquel-

cadmio.

Dos años más tarde, en 1991, se presenta una evolución de este

vehículo por parte de Audi, el Audi Duo II. Se trataba de otro prototipo, que

mejoraba las prestaciones del anterior, y entre otras cosas incorporaba el

conocido sistema Quattro de Audi, consiguiendo tracción a las cuatro

ruedas al funcionar ya fuese únicamente con el motor de gasolina o en

modo híbrido. Sin embargo, en su funcionamiento puramente eléctrico, el

eje delantero se desconectaba pasando a tracción trasera. Por otro lado,

este modelo integraba un sistema de baterías de sulfuro de sodio con las

que podía superar los 80 km de autonomía eléctrica, suponiendo una

mejora respecto a las baterías de níquel-cadmio de la primera versión del

Audi Duo.

Figura 3.7. Primer Audi híbrido, Audi Duo (1989) Fuente: H istor ia del coche híbrido: la tecnología se perfecciona. Motorpas ión

Por último, en su aventura con los híbridos, Audi lanzó una tercera

versión en 1997, el Audi Duo III esta vez con tracción delantera y en

configuración paralela. Este fue el único de los tres modelos de Audi que se

llevó a producción, siendo el primer fabricante europeo en vender un

híbrido, pero sin embargo solo se fabricaron 100 unidades. Como

consecuencia de este fracaso comercial, principalmente debido a su elevado

precio, Audi no volvería a experimentar con la propulsión híbrida hasta

2011.



118

Mucho más éxito tuvo Toyota, cuando también en 1997 inició la

producción y comercialización del Toyota Prius, convirtiéndose en el primer

vehículo híbrido de producción a gran escala del mundo. Tuvo tal éxito

desde el primer momento (el primer año ya se vendieron más de 18.000

unidades), que a día de hoy, además de haberse convertido sin duda en un

icono mundial representativo de este sistema de propulsión, es el vehículo

híbrido más vendido de la historia. Por ello, en la historia de los vehículos

híbridos Toyota se merece una mención especial, pues desde su aparición

ha aportado numerosas soluciones técnicas favoreciendo el crecimiento de

esta tecnología y convirtiéndose a la par en la gran referente a nivel global

de esta.

A raíz de este éxito de Toyota desde su primera aparición en 1997,

surgieron numerosos modelos híbridos por parte de importantes

fabricantes de los cuales destaca Honda, como modelos como el Honda

Insight y el Honda Civic IMA, y más adelante otros como Lexus o Ford.

En los últimos años, se ha acrecentado la necesidad de una búsqueda

de alternativas con las que rebajar el consumo de combustibles derivados

del petróleo y todos los problemas relacionados con su consumo, lo que

hace que sea difícil encontrar hoy en día algún fabricante que no incorpore

en su flota algún vehículo de estas alternativas al de combustión interna. En

concreto el más utilizado es el de propulsión híbrida, debido a que a día de

hoy es el que más se adapta a las condiciones de los usuarios.

Otra prueba del desarrollo de la tecnología de propulsión híbrida en la

actualidad, es su implantación en la flota de taxis de numerosas ciudades de

todo el mundo. Sin irse más lejos, Madrid es un buen ejemplo de ello con

más de un 40% de la cuota de mercado, donde el Toyota Prius vuelve a ser

el modelo más representativo.



119

Figura 3.8. Toyota Prius de la flota de Taxis de Madrid (2009 - presente) Fuente: Eco Tax i Madrid

Para acabar con esta breve historia de los híbridos, merece una mención

que en los últimos años está habiendo la tendencia entre los fabricantes de

superdeportivos de aplicar tecnología híbrida a sus últimos modelos. Hay

que especificar eso sí, que en general no solo trata de medidas para mejorar

eficiencia sino que también están fabricados con el fin de mejorar las

prestaciones. Es el caso por ejemplo de Porsche, que lanzó en 2013 el

Porsche 918 Spyder, un híbrido enchufable con unas prestaciones más que

impresionantes.

Figura 3.9. Superdeportivo híbrido: Porsche 918 Spyder Fuente: H ighsnobiety



120

3.2 Clasificación de los híbridos

Los vehículos híbridos en general son aquellos vehículos que combinan

dos formas cualesquiera de propulsión, sin embargo en este proyecto se

tratará con los vehículos híbridos eléctricos. Esto es, a partir de este

momento cuando se mencione un vehículo híbrido se entenderá como

únicamente aquel que combine un motor de combustión interna (ya sea

gasolina o diésel) con otro motor eléctrico alimentado por baterías.

Hay que distinguir entre los diferentes tipos de vehículos híbridos

eléctricos que existen, con las diferentes configuraciones que estos pueden

tener.

3.2.1 Tipos de híbridos

Existen varios tipos de vehículos híbridos, según su funcionamiento:

Michrohíbrido, Semihíbrido, Híbrido Puro, Híbrido Enchufable y Eléctrico de

Rango Extendido. Estas son sus características:

Microhíbrido: Aunque estrictamente no se pueda considerar

como tecnología híbrida, los microhíbridos contribuyen a un

menos consumo de combustible. Consiste en lo que

comúnmente se conoce como el sistema “Start-Stop”, esto es el

apagado del motor de combustión una vez que el vehículo se

detiene (por ejemplo en los semáforos) y su posterior puesta en

marcha cuando el conductor lo desee. El alternador es el

encargado de volver a arrancar el motor de manera instantánea,

y la batería la encargada de suministrar la energía a este. A su

vez, los vehículos suelen incorporar un sistema de frenada

regenerativa con el fin de cargar la batería para el arranque,

como se comentó en apartados anteriores.

Se estima que prácticamente la totalidad de los vehículos

llevarán incorporado este sistema, en un futuro relativamente

cercano. Hoy en día, ya es ampliamente incorporado por gran

parte de los fabricantes en sus modelos.



121

Semihíbrido o Mild-Hybrid: Este tipo de híbrido es aquel que

utiliza el motor eléctrico como asistencia al motor de

combustión interna, pudiendo funcionar habitualmente también

como generador como parte del sistema de frenada

regenerativa. El funcionamiento en forma eléctrica al 100% no es

posible, teniendo necesariamente que estar el motor de

combustión encendido.

Frente al híbrido puro presenta la ventaja de ser más sencillo, y

por tanto más económico y más ligero, pero con un ahorro de

combustible menor. Actualmente hay varios modelos de todo

tipo de fabricantes en el mercado, como por ejemplo de

Chevrolet, pasando por BMW o Mercedes, e incluso en

deportivos de alta gama como el Ferrari LaFerrari.

Híbrido puro o Full-Hybrid: Se tratan de los híbridos que cuentan

con el sistema más completo y sofisticado. Permiten circular solo

con el motor eléctrico, solo con el de combustión o con ambos,

seleccionándose de manera inteligente el sistema de propulsión

más adecuado en cada momento. En un funcionamiento normal,

tras el arranque y a bajas velocidades el motor eléctrico por si

solo impulsa al coche. En este tramo, generalmente urbano, se

disfruta por tanto de todas las ventajas del coche eléctrico: una

conducción silenciosa, sin consumir combustible ni contaminar.

A velocidades más altas, el motor de combustión releva al

eléctrico que pasa a un segundo plano, ayudando en momentos

puntuales aportando una potencia extra, mientras sigue

cargando las baterías con la potencia sobrante y durante la

frenada.

Por supuesto, que este tipo de híbrido es el que mejores

resultados consigue en cuanto a disminución de la

contaminación y ahorro de combustible, eso sí a coste de

presentar un precio más alto y una complejidad superior.

Híbrido enchufable o PHEV: También conocido como PHEV

(Plug-In Hybrid Electric Vehicle), este tipo de híbrido de un paso

más hacia la movilidad puramente eléctrica. Dispone de una

batería de alto voltaje con más capacidad que el resto de

híbridos, que es capaz de recargarse por fuentes de energía



122

externas. De esta forma, los primeros kilómetros hasta que la

batería se agote se hacen únicamente con el motor eléctrico, lo

que les da normalmente una autonomía eléctrica de unos 30 a

40 km. Una vez agotada la batería, pasa a funcionar como un

vehículo convencional, acabando así con la inseguridad de la

escasa autonomía de los eléctricos puros. Estos híbridos siguen

incorporando los sistemas de frenada regenerativa para cargar

las baterías durante el movimiento, y prolongar la autonomía

eléctrica.

Eléctrico de rango extendido o E-REV: También conocido como

E-REV (Extended-Range Electric Vehicle), es un tipo de híbridos

en el que el motor de combustión funciona como generador,

alimentando a las baterías o directamente al motor eléctrico. Es

por tanto, el motor eléctrico el que se utiliza únicamente para la

propulsión, y el motor de combustión se utiliza como motor

auxiliar. Con esta configuración, todo el tiempo se circula en

modo eléctrico, consiguiéndose además una mayor simplicidad

mecánica al no estar el motor de combustión encargado de la

propulsión.

A día de hoy, parece que hay una tendencia hacia los PHEV y E-

REV, ya que nos acercan a la movilidad puramente eléctrica,

quitándole protagonismo al motor de combustión, lográndose

unos consumos y unas emisiones mucho menores.

3.2.2 Configuraciones de híbridos

De acuerdo a la colocación de los diferentes elementos que componen

el sistema de propulsión, y ateniendo al principio de funcionamiento de los

vehículos híbridos, se pueden distinguir tres tipos de configuraciones de

híbridos:

Configuración híbrida en paralelo: En esta configuración, tanto

el motor de combustión como el eléctrico se utilizan para dar par

a las ruedas. El motor eléctrico funciona puntualmente como

generador eléctrico cuando sea necesario cargar las baterías,

dejando de haber tracción eléctrica en el vehículo, pues solo



123

tiene un motor. Es una configuración relativamente sencilla,

pero lejos de ser la más eficiente.

Configuración híbrida en serie: En este tipo de híbridos, el motor

de combustión interna funciona únicamente como generador

eléctrico, esto implica que no tiene conexión mecánica con las

ruedas. De esta forma, el motor de combustión es el encargado

de suministrar la energía para el funcionamiento del motor

eléctrico, ya sea de manera directa o almacenando previamente

la energía en las baterías. Es esta precisamente la configuración

de uno de los tipos de vehículos híbridos descritos

anteriormente, los eléctricos de rango extendido o E-REV.

Figura 3.10. Esquema de configuración híbrida en paralelo Fuente: Toyota Motor Company



124

Figura 3.11. Esquema de configuración híbrida en serie Fuente: Toyota Motor Company

Configuración híbrida combinada o en serie/paralelo. Esta

configuración es una combinación de las dos anteriores,

precisamente con el objetivo de combinar las ventajas de cada

una de las configuraciones. Trabaja con los dos motores, y usará

uno, otro o ambos en función de las condiciones puntuales de

conducción, con el fin de lograr el nivel de eficiencia más alto

posible.

Figura 3.12. Esquema de configuración híbrida combinada Fuente: Toyota Motor Company



125

Como resumen de las tres posibles configuraciones de híbridos, la

imagen siguiente muestra el ratio de uso del motor de combustión (Engine)

y el motor eléctrico (Motor):

Figura 3.13. Ratio de uso del motor de combustión y el eléctrico para cada configuración. Fuente: Toyota Motor Company

De todo lo expuesto anteriormente en la clasificación de los vehículos

híbridos, se puede concluir que la tecnología híbrida tiene muchas

variantes, cada una con sus ventajas e inconvenientes, que se adaptarán

mejor o peor a las condiciones demandadas por los usuarios. En cuanto a las

posibles configuraciones híbridas, actualmente es la combinada o

serie/paralelo la que ofrece unas mejores condiciones de ahorro de

combustible y de conducción.


Los componentes de los vehículos híbridos tienen mucho en común con

los de los vehículos eléctricos presentados anteriormente. De los

componentes principales coinciden con los de los vehículos eléctricos las

baterías, el motor eléctrico, el sistema de control de potencia y sistemas de

recuperación de energía, a lo que hay que añadir el motor de combustión



126

interna. Además tendrá un sistema de transmisión más o menos

complicado, en función de la configuración híbrida que tenga el vehículo.

A continuación se comentarán las especificaciones de cada elemento,

teniendo en cuenta lo ya comentado el apartado de componentes

principales de los vehículos eléctricos:

3.3.1 Baterías

A diferencia de lo que sucede con los vehículos eléctricos, en los que

debido a la necesidad de ganar autonomía las baterías son sin duda el

elemento clave, para los vehículos híbridos estas pierden relevancia ya que

entre otras razones tiene un medio de propulsión alternativo al eléctrico.

Esto no quiere decir ni mucho menos que no sean importantes, siendo

también de vital importancia su desarrollo en casi todos los aspectos del

vehículo híbrido. Este desarrollo de las baterías, por ejemplo, sería

transcendental en el tema económico para aumentar la vida útil de estas,

aumentando el número de ciclos de carga y descarga, y la resistencia a altas

temperaturas reduciendo las averías, y para también abaratar los precios de

las baterías, uno de los elementos más caros del coche. Además, por

ejemplo, la energía recuperada en la frenada o la autonomía inicial de los

híbridos enchufables dependen directamente de ellas.

En cuanto a las baterías que se usan hoy en día en los híbridos, no varían

mucho de los vehículos eléctricos ya que la mayoría de los fabricantes optan

también por las de ion-litio, sustituyendo la tendencia a usar las baterías de

Níquel-Hidruro Metálico (NiMH) que históricamente han sido las más

utilizadas con la tecnología híbrida. De esta forma se reduce peso y volumen

ocupado, a la par que se aumenta la capacidad de las baterías.

Se está estudiando con especial interés la aplicación de

supercondensadores en lugar de las baterías para vehículos híbridos,

porque presentan unas propiedades que permiten que la carga y descarga

de las mismas se lleve a cabo de una manera muy rápida, resultando ideal

para el funcionamiento de los vehículos híbridos en el que es constante la

demanda y el suministro de energía eléctrica por las baterías.



127


Se componen de uno o dos motores eléctricos, según las condiciones de

cada vehículo. Los motores eléctricos tendrán una función u otra en función

del tipo de vehículo híbrido y su configuración, pero en general estos

motores deberán poder funcionar siempre como generadores eléctricos, tal

y como se explicó anteriormente.

3.3.3 Electrónica de potencia

Los sistemas de electrónica de potencia de los vehículos híbridos

resultan bastante más complejos que los de los eléctricos. El esquema a

continuación muestra un ejemplo de un sistema de electrónica de potencia

de cierta complejidad, que corresponde a un vehículo híbrido enchufable

(PHEV).

Figura 3.14. Esquema de un sistema de electrónica de potencia de una híbrido enchufable Fuente: Perspect iva actual de la tecnolo gía del coche eléctr ico. Anális is de los

cambios en los procesos de producción con la l legada del vehículo eléctr ico .

Universidad Públ ica de Navarra. Miguel Roig Estrada. (2012)

Como se observa en el diagrama, este modelo incorpora dos máquinas

eléctricas. Por un lado un generador eléctrico conectado al motor de

combustión (es este caso un motor diésel) y un motor eléctrico que se



128

encarga de la propulsión del propio vehículo. Como se puede ver, todo flujo

de energía que llega al motor eléctrico, ya sea desde la batería o

directamente del generador, previamente pasa por el inversor. A su vez,

este está regulado por un controlador conectado con el motor diésel a

través del controlador principal. Por último la energía mecánica a la salida

del motor eléctrico pasa por la caja de cambios, normalmente de una única

relación de reducción, para ir de ahí al diferencial y luego a las ruedas para

mover el vehículo.

Como puede apreciarse, aunque descrito grosso modo, este proceso es

bastante más complejo y delicado que el de los eléctricos puros. El sistema,

a pesar de su enorme evolución en los últimos años, sigue presentando

ciertas deficiencias en la gestión de la energía eléctrica. Destaca el problema

a la hora de la recarga de las baterías, pues los largos tiempos de carga y

descarga son uno de los grandes puntos débiles de estos híbridos, sino la

más grande junto con la capacidad de las baterías. Eso sí, en este sentido los

híbridos en general sufren menos estas deficiencias que los eléctricos puros,

donde dependen exclusivamente de la propulsión eléctrica.

3.3.4 Sistemas de recuperación de energía

Los sistemas de recuperación de energía son fundamentales para

conseguir electricidad y ganar autonomía eléctrica, igual que sucedía con los

vehículos eléctricos o incluso más importantes porque, con excepción de los

híbridos enchufables, estos no dispondrán de alimentación de energía por

fuentes externas.

3.3.5 Motor de combustión interna

En cuanto al motor de combustión interna, tendrá un rol muy diferente

dependiendo del tipo de híbrido y la configuración híbrida de cada vehículo.

En rasgos generales, es como cualquier otro motor de los vehículos

convencionales, lo único que se comentará es la elección para los vehículos

híbridos de un motor gasolina o un motor diésel.



129

Esta decisión de optar por una tecnología u otra de motores de

combustión para la complementación a los motores eléctricos en los

híbridos, está muy relacionado con el debate existente actualmente en los

vehículos convencionales entre motores gasolina y diésel. Aplicando lo

expuesto en estas discusiones a las particularidades de los vehículos

híbridos, se estudian a continuación las ventajas e inconvenientes de la

aplicación de motores diésel frente a los de gasolina (en igualdad de

condiciones) en vehículos híbridos.

Empezando por las ventajas, los motores diésel consumen menos

combustible que un motor gasolina en igualdad de condiciones,

principalmente por un mayor rendimiento termodinámico. Además de

consumir menos combustible, resulta que el gasóleo es más barato que la

gasolina (a pesar de que últimamente los precios están mucho más

igualados), por lo que tenemos un doble ahorro en combustible. Si a esto se

le añade, que ya de por sí los vehículos híbridos reducen considerablemente

el ahorro de combustible, la combinación resulta interesante.

En cuanto a los inconvenientes, se pueden dividir en 3 grupos. Desde un

punto económico, es un hecho que los motores diésel son más caros que los

de gasolina. Si a esto le sumamos el sobrecoste que ya de por si presentan

los vehículos híbridos, resulta un vehículo bastante caro, y que solo sería

posible amortizar a muy largo plazo por el mayor ahorro en combustible de

los diésel.

Por otro lado, los motores diésel emiten más contaminantes a la

atmosfera (a pesar de reducir las emisiones de CO2), por lo que en parte

desharíamos lo que estamos intentando ganar con la incorporación de

tracción eléctrica en los vehículos híbridos.

Por último, desde el punto mecánico los motores diésel presentan una

curva par-velocidad que no se complementa nada bien con el

funcionamiento de los vehículos híbridos. Esto se debe a que los diésel

otorgan mucho par a bajas revoluciones y poco a altas revoluciones, algo

parecido al motor eléctrico. Mientras que en un híbrido con motor de

gasolina, los motores eléctrico y de combustión se complementan mejor

para lograr una curva de par más plana. Además, los motores diésel son

más ruidosos y vibran más, mientras que



130

Por todas las razones anteriormente expuestas, los motores diésel

reciben mucho menos uso en vehículos híbridos, optando los fabricantes

generalmente por los motores de gasolina como complemento al eléctrico.


Alternativas al Automóvil Convencional – Vehículo de Hidrógeno

131

4. VEHÍCULOS DE HIDRÓGENO

Los vehículos de hidrógeno llevan siendo “el futuro de la automoción”

durante más de veinte años, y es que mientras que los vehículos eléctricos a

baterías e híbridos llevan circulando ya unos años por nuestras calles, hace

que uno se pregunte: ¿dónde están los de hidrógeno? ¿En qué consisten y

en qué punto se encuentra esta tecnología? En este apartado se tratarán

todas estas cuestiones, que ahora mismo están pendientes de más

investigadores que aporten nuevas ideas para resolver los problemas que

tienen las pilas de combustible, para poder empezar a aprovechar de sus

enormes ventajas en la aplicación a vehículos.

El hidrógeno se presenta sin duda como el vector energético del futuro,

postulándose como una importante alternativa para sustituir a los

combustibles fósiles en el sector de la automoción. El hidrogeno se trata de

un combustible limpio, pero que tiene que producirse a partir de materias

que lo contengan, pues el hidrogeno en si no se halla libre en la naturaleza.

A continuación se tratarán las principales formas de producción de

hidrógeno, así como las particularidades de su transporte y

almacenamiento. Además, se analizará su utilización en vehículos, el

verdadero objetivo de esta parte del proyecto.

4.1 Historia del vehículo de hidrógeno

La aplicación del hidrógeno para su utilización en vehículos se remonta a

comienzos del siglo XIX, cuando el inventor suizo François Isaac de Rivaz

diseñó y desarrolló el primer motor de combustión interna de la historia en

1804, y curiosamente usaba hidrógeno como combustible. Este motor se

usó para hacer funcionar una bomba, y no fue hasta 1807 cuando lo aplicó a

un pequeño vehículo por primera vez. Trabajó en ello durante los años

posteriores, construyendo en 1813 otro vehículo con el mismo principio de

funcionamiento, pero que esta vez medía 6 metros y pesaba casi una

tonelada. Sin embargo estos modelos no tuvieron aceptación ni continuidad

en una época en la que se pensaba que el motor de combustión interna

nunca llegaría a poder competir con los de vapor.



132

Figura 4.1. Primer vehículo de combustión interna de hidrógeno y de la historia Fuente: Diario motor

Hay que avanzar unos años más, hasta 1839 para encontrar los primeros

estudios referidos a las pilas de combustible por parte del galés William R.

Grove, quien diseño el primer dispositivo de este tipo. Éste consistía en dos

electrodos de platino, que alimentaba con oxígeno (cátodo) e hidrógeno

(ánodo), y utilizando como electrolito una solución de ácido sulfúrico. A

partir de conectar varias de estas celdas eléctricamente, Groove fue capaz

de obtener una cantidad considerable de energía, con la que entre otras

cosas fue suficiente para realizar una electrolisis del agua.

Figura 4.2. Configuración de la pila de combustible de William R. Groove Fuente: On the Gas Voltaic Batter y. Philosophica l Magazine and Journal of Science (1843) p.

272



133

Después de sus respectivos inventos, tanto la tecnología de motores de

combustión interna de hidrógeno como la de las pilas de combustible,

estuvieron bastante estancadas, a base solo avances puntuales y

sirviéndose de momentos precisos de la historia en los que había una

necesidad de buscar alternativas a los combustibles fósiles (tal y como

sucedió con los vehículos eléctricos e híbridos)

En lo que refiere a las pilas de combustible, su desarrollo a lo largo de la

historia después de su invento por parte de Groove sí que es algo diferente.

Para comenzar, otros inventores como Becquerel, Lord Rayleigh o Mond y

Langer, fueron introduciendo ciertas mejoras a la tecnología de las pilas de

combustible, pero no fue hasta mediados del siglo XX con la aportación de

Francis Thomas Bacon, un científico inglés, cuando se dio un desarrollo

tecnológico significativo. Bacon levantó una planta energética de 5 kW

basada únicamente en una pila de combustible alcalina, alimentada de

hidrógeno y oxígeno.

Curiosamente, este diseño de Bacon desarrollado por Pratt & Whitney

Aircraft, fue incorporado en los años 60 al programa espacial de EE.UU para

proporcionar electricidad y agua potable a los astronautas a partir del

hidrógeno y oxígeno almacenado en los tanques de la nave espacial. Las

pilas de combustible fueron todo un éxito en estas misiones espaciales,

prueba de ello es que a día de hoy se siguen utilizando en aplicaciones

aeroespaciales.

Por otro lado, la crisis del petróleo de 1973, reactivó la investigación

para el desarrollo de nuevos materiales con la idea de introducir la

propulsión de hidrógeno por parte de fabricantes de automóviles. Desde

entonces, se realizaron algunos intentos de probar las pilas de hidrógeno

para vehículos, con varios prototipos por parte de General Motors, Honda,

Mercedes, Ford, etc. Además se instalaron pilas de combustible en

autobuses y camiones de varias ciudades del mundo (sin ir más lejos,

Madrid), obteniéndose resultados de estas pruebas no muy satisfactorios.

El último escalón en la historia del vehículo es el Toyota Mirai, siendo

uno de los primeros vehículos de producción que cuentan con este tipo de

fuente energética. Cuenta con gran parte de la tecnología existente en los

vehículos eléctricos, como la regeneración de energía en la frenada. Con

una autonomía estimada de alrededor de 500 km y un tiempo de recarga de

5 minutos, se postula con un punto de inflexión en la industria que puede

llevar a este tipo de vehículos a tener mayor importancia en el mercado.



134

4.2 Tipos de vehículos de hidrógeno

El hidrógeno se puede utilizar para la propulsión de vehículos de dos

formas bien diferentes. Por un lado, se puede utilizar en motores de

combustión de hidrógeno, o por otro en vehículos de pila de combustible de

hidrógeno. A continuación se comentan estas dos formas de propulsión:

4.2.1 Vehículos con motor de combustión de hidrógeno

Estos vehículos se caracterizan por tener motores de combustión

interna de hidrógeno, esto es, utilizando el hidrógeno como combustible

(como si se tratase de gasolina o gasóleo). El funcionamiento de estos

motores es muy similar a los convencionales, pues no dejan de ser motores

térmicos en los que el transforma la energía térmica procedente de la

combustión del hidrógeno en energía mecánica que se transmite a las

ruedas para dar movimiento al vehículo, ya se traten de motores

alternativos o rotativos.

Muchos de los fabricantes, se plantean en sus prototipos usar el mismo

motor convencional que el ya desarrollado para otros vehículos, eso sí con

algunas modificaciones como en la cámara de combustión, en ciertos

componentes de inyección, o en los colectores entre otros. Estas

modificaciones se deben principalmente a que con el hidrógeno se alcanzan

unas temperaturas de combustión mayores que para los modelos con

gasolina o diésel. Por ello deberán analizarse en detalle todos los elementos

del motor que puedan verse afectados, como además lo pueden ser los

pistones, cilindros o bielas.

En general estos vehículos no prescinden del depósito de

gasolina/diésel, por lo que se pueden considerar vehículos bifuel. Esto

constituye una importante ventaja, ya que así si el hidrógeno se agota, se

puede seguir circulando con motores de combustión convencionales. Lo

cual resulta especialmente importante debido a la poca infraestructura de

repostaje de hidrógeno existente a día de hoy.

Estos motores presentan un rendimiento muy parecido al que presentan

los vehículos de combustión convencionales, pero muy por debajo del de

los motores eléctricos (80 a 95%) empleados en los vehículos de pila de



135

combustible. Además generan emisiones de contaminantes durante su

funcionamiento, en concreto emiten C02 e hidrocarburos por el consumo de

aceite del motor y óxidos de nitrógeno por las altas temperaturas y

presiones alcanzadas en la cámara de combustión.

Por todo ello, en términos de eficiencia y contaminación, esta no es la

mejor forma de emplear el hidrógeno, y más si tenemos en cuenta lo

complicado y costoso que es obtener hidrógeno como se explicará más

adelante.

Figura 4.3. Diseño de BMW de un vehículo con motor de combustión de hidrógeno Fuente: Vehículos e léctricos de p ila de combust ib le de hidrógeno. Motorpas ión.

4.2.2 Vehículos de hidrógeno de pilas de combustible

Estos vehículos, son también conocidos como un tipo de vehículos

eléctricos, pues son impulsados precisamente por motores eléctricos. Para

ello utilizan la energía eléctrica producida en las reacciones químicas que

ocurren en las pilas (o celdas) de combustible. De esta forma, la energía que

alimentan a los motores eléctricos ya no proviene de la almacenada en las

pesadas baterías de los vehículos eléctricos puros, si no que en su lugar

proviene de la energía existente en el hidrógeno que transforma en energía

eléctrica a través de la pila de combustible. Las particularidades de estas

pilas de combustible, se comentarán más adelante cuando se analicen más

detalladamente los componentes de este vehículo de hidrógeno.



136

Figura 4.4. Diseño del vehículo basado en pila de combustible, Mercedes-Benz Clase B F Cell. Fuente: Diesel S tat ion

Entonces, a diferencia del otro tipo de vehículo a hidrogeno, se elimina

por completo la dependencia en el motor de combustión, y con ello los

problemas de eficiencia y contaminación de estos. Así, resulta un vehículo

con un rendimiento muy superior al de los de combustión (en torno al 60%)

y además un vehículo cuya única emisión es vapor de agua (aunque ya se

verá las singularidades de esto), es decir, un vehículo de cero emisiones

locales.

4.3 Producción y almacenamiento de hidrógeno

Como se comentó anteriormente, el hidrógeno se presenta como una

propulsión alternativa a los vehículos convencionales con un gran futuro.

Sin embargo, el hidrógeno tiene unas condiciones muy particulares en todas

las etapas de su ciclo de vida: producción, transporte y almacenamiento

hasta su posible utilización en vehículos.



137

4.3.1 Producción de hidrógeno

Puesto que el hidrógeno no se encuentra por si solo en la naturaleza, se

debe obtener a partir de otras materias primas que lo contengan a través

de determinados técnicas de transformación. La producción del hidrógeno,

es un factor limitante de la utilización del hidrógeno en cuanto a las

emisiones contaminantes, ya que la gran mayoría de estas materias primas

utilizadas en su producción proceden de combustibles fósiles (por encima

del 90%).

Hay numerosas formas de obtención de hidrógeno, las más comunes

son: reformado de metano, gasificación de la biomasa y la electrólisis.

Reformado de metano. Sin duda, se trata del proceso más

desarrollado y económico de producción de hidrógeno, y por ello

el más utilizado en la actualidad en procesos industriales, de

hecho casi la mitad de la producción mundial procede de esta

técnica. Este procedimiento sigue la siguiente reacción:

En esta reacción, reacciona el gas natural con vapor de agua,

provocando un gas de salida rico en hidrógeno pero con una

pequeña cantidad de monóxido de carbono. Este a su vez se

suele hacer reaccionar de nuevo con vapor de agua en otro

reactor, obteniendo hidrógeno adicional. El gas resultante, a

pesar de tener un contenido muy elevado de hidrógeno,

presenta también dióxido de carbono, metano sin convertir y

monóxido de carbono remanente, eso sí todos ellos en

cantidades mucho más reducidas. La presencia de CO2 en el gas

resultante provoca que el reformado de metano no se acabe de

considerar la opción ideal para la producción de hidrógeno.

Gasificación de la biomasa. El hidrógeno puede producirse a

partir de la biomasa, una fuente renovable. Esta puede

convertirse en hidrógeno a través de varios procesos

termoquímicos como la licuefacción, combustión, pirolisis y

gasificación, siendo esta ultima la más utilizada. La gasificación



138

de la biomasa en contacto con oxígeno genera una corriente

gaseosa con alto contenido en hidrógeno, que a su vez se suele

reformar a la salida del gasificador con vapor de agua, para

obtener así una cantidad adicional de hidrógeno. El principal

problema de esta técnica es la formación de alquitrán, además

de pequeñas cantidades de CO, CO2 y CH4.

Electrólisis de agua. Consiste en la separación de la molécula de

agua por medio de electricidad. La reacción que sigue este

procedimiento es la siguiente:

Actualmente tiene un consumo eléctrico muy alto, lo que resulta

generalmente en un balance de energía negativo. Por tanto, este

método de producción de hidrógeno es solo justificable cuando

se deseen obtener pequeñas cantidades de hidrógeno, o para

almacenar energía cuando se produzcan excesos de energía con

energías renovables, generalmente con la energía eólica.

Otros métodos. Existen muchos otros métodos de producción,

pero a día de hoy se sigue investigando en busca de un sistema

que sea viable económica y energéticamente, además de

presentar unas emisiones más reducidas.

4.3.2 Almacenamiento de hidrógeno

Igual que sucedía con la producción del hidrógeno, en cuanto al

almacenamiento también existen numerosas opciones. Y es que el

hidrógeno presenta unas propiedades muy peculiares, por un lado presenta

una energía por unidad de masa muy alta, pero por otro su energía por

unidad de volumen es muy baja. Es precisamente esta última característica

la que provoca que este se trate de un campo de investigación muy

importante de cara al avance de los vehículos de hidrógeno, en esa

búsqueda de aumentar la densidad volumétrica.



139

La tabla a continuación muestra las características de cada forma de

almacenamiento del hidrógeno, y que será clave en la discusión de optar

por una u otra opción.

Tabla 4.1. Eficiencias volumétricas y másicas de diferentes tecnologías de almacenamiento de hidrógeno

Fuente: Avances de ingenier ía. E l h idrógeno y la energía. José Ignacio Linares Hurtado y

Beatriz Yolanda Morati l la Soria.

Como se puede apreciar en la tabla anterior, las mejores técnicas en

cuanto a prestaciones de cantidad de hidrógeno por unidad de peso son los

sistemas de hidrógeno líquido e hidrógeno comprimido. Los hidruros

también podrían ser una opción interesante dado su elevada densidad

energética volumétrica, pero sin embargo presentan un reducido hidrógeno

almacenado por unidad de peso. Los hidruros metálicos sin en cambio, en

cuanto a prestaciones si resultan competitivos con las otras dos formas de

almacenamiento. A continuación se analizan los dos métodos más utilizados

en el almacenamiento del hidrógeno en su aplicación a vehículos:

Hidrógeno comprimido. Esta forma de almacenamiento es la

más sencilla de todas las otras opciones. Se eleva la presión del

hidrógeno, ya que la densidad energética aumenta

proporcionalmente con la presión (si se considera su

comportamiento como gas ideal).



140

Para su aplicación en vehículos, no se utilizan las botellas de

acero utilizadas para el almacenamiento en instalaciones

estacionarias, por su elevado peso y volumen, pues no alcanza

presiones suficientemente altas. Por esta razón, en los últimos

años se han desarrollado materiales avanzados de campos

variados como aluminio, compuestos o polímeros, que reducen

significantemente el peso del acero a la vez que presentan unas

propiedades mecánicas muy buenas y permiten almacenar el

hidrógeno a presiones más altas. Lo habitual hoy en día son

depósitos de unos 300 a 350 bar, y llegando incluso a 700 bar los

modelos más avanzados. Como valor de referencia, el consumo

de energía real para comprimir el hidrógeno a 700 bar es

aproximadamente equivalente a un 15% de la energía química

del hidrógeno almacenado.

Hidrógeno líquido. Esta tecnología ha alcanzado un alto nivel de

madurez en los últimos años, estando eso sí mucho menos

extendida que la de hidrógeno comprimido, teniendo aun así

una importante cuota de mercado. Se trata de una tecnología

compleja, que parece que tendrá su aplicación únicamente para

el uso industrial y al almacenamiento a gran escala, incluyendo

esencialmente el transporte en barco.

Para conseguir hidrógeno líquido, es necesario enfriar el

hidrógeno como mínimo hasta su temperatura de saturación,

esto es una temperatura de 20 K (253 °C), estando a una presión

de 1 atm. Este procedimiento plantea por tanto dos problemas

considerables: conseguir que el hidrógeno alcance esta

temperatura y que la mantenga.

El proceso en sí de licuefacción del hidrógeno tiene una

demanda de energía muy alta, pues consume un 30% de la

energía química almacenada en el hidrógeno, aproximadamente

el doble que el sistema de hidrógeno comprimido. Además, otro

inconveniente es la necesidad de mantener el hidrógeno a una

temperatura de 20 K, lo que además consume cada día entre el 1

y 2% de la propia energía almacenada.

Actualmente se está investigando un sistema de

almacenamiento híbrido entre el hidrógeno comprimido y el



141

líquido. Se conoce como “crio-comprimido”, y se trata de

hidrógeno en estado gaseoso a una presión elevada y a una

temperatura de 77 K alcanzada mediante nitrógeno líquido. De

esta forma, presenta unas prestaciones volumétricas muy

simulares a las del hidrógeno líquido, pero reduciendo tanto las

pérdidas por evaporación como la energía consumida por el

proceso.

4.3.3 Transporte de hidrógeno

Las propiedades del hidrógeno, con su alta volatilidad y su poca

densidad volumétrica hacen que su transporte tampoco sea sencillo. Es un

tema importante de cara al futuro, cuando se vaya proceder a establecer

una estructura de repostaje de hidrógeno (hidrogeneras) más amplia. Se

deberá decidir el estado del hidrógeno para el transporte, ya sea líquido o

comprimido, y además la forma de transporte ya sea por carretera, barco o

tren. También, otra opción que se contempla es la producción in situ en la

medida que sea posible. Todo apunta a que la forma de minimizar el

consumo energético en el transporte de energía será una combinación de

todas las opciones anteriores, según las condiciones de cada

emplazamiento.

4.3.4 Hidrógeno y seguridad

Como todo combustible, la utilización del hidrógeno tiene sus riesgos, y

más considerando que las características que hacen que sea tan buen

combustible, hacen que sea también un combustible potencialmente

peligroso.

Por un lado, de cara a la seguridad el hidrógeno presenta una serie de

ventajas en comparación con otros combustibles. Una ventaja importante

es que lo extremadamente volátil que es el hidrogeno evita grandes

concentraciones de hidrogeno. Además se trata de una sustancia no tóxica,

por lo que su riesgo para el ser humano se reduce a la combustión y el

desplazamiento de oxígeno en determinadas condiciones. La baja densidad

de energía volumétrica que tanto complica su almacenamiento, es sin duda



142

un gran atributo en cuanto a seguridad se refiere, pues la energía liberada

en la combustión a una cierta presión es menor que la del resto de

combustibles. Asimismo, para su combustión espontánea el hidrógeno

necesita concentraciones muy altas y temperaturas muy altas.

Sin embargo, otras propiedades que convierten al hidrógeno en un buen

combustible, como su elevada densidad energética por unidad de masa, su

baja energía requerida para iniciar la combustión o su baja temperatura de

licuefacción, son desventajas importantes en cuanto a seguridad. Además,

la alta volatilidad y el pequeño tamaño de la molécula de hidrógeno, hacen

que el hidrógeno se fugue con facilidad. Si a esto se le añade el hecho de

que el hidrógeno es invisible, inodoro y que su llama no es visible a luz del

día, el hidrógeno puede presentar un peligro importante de seguridad.

A pesar de todos los problemas de seguridad que puede presentar el

hidrógeno como combustible, es una tecnología muy madura y con una

reglamentación muy completa y precisa que controla el uso del hidrógeno.

Es por ello, que tiene un índice de accidentes muy pequeño pues apenas ha

habido accidentes en los más de cien años de producción industrial, lo que

da una seguridad importante.

4.3.5 Conclusiones

De los apartados anteriores, se puede concluir que aunque el sistema de

propulsión del vehículo de hidrógeno sea muy eficiente (como por ejemplo

la pila de combustible), es preciso analizar desde el punto de vista

energético todo el ciclo de vida del hidrógeno, ya que los consumos de

energía en la producción, almacenamiento o transporte pueden llegar a ser

muy elevados. De esta forma, será necesaria investigación en estos campos

también con el objetivo de multiplicar todo el potencial que ya de por sí

tiene la propulsión con hidrógeno, en cuanto a balance energético y a que

se trata de un combustible limpio.



143


Los vehículos de hidrógeno, teniendo en cuenta que como se comentó

solo se comentarán los vehículos basados en la pila de combustible,

precisan una serie de componentes fundamentales para su funcionamiento.

En la imagen a continuación se pueden observar todos estos elementos y su

disposición en el propio vehículo.

Figura 4.5. Componentes principales vehículo de pila de combustible de hidrógeno Fuente: Diario motor

A continuación se analizan los principales componentes de los vehículos

de pila de combustible de hidrógeno en detalle:

4.4.1 Pila de combustible

La pila de combustible se trata del componente más importante de

estos vehículos, como no podía ser de otra manera. Se trata de un

dispositivo que transforma de forma directa la energía química que tiene un

combustible en energía eléctrica.

Existen diferentes muchos tipos diferentes de pilas de combustible, y

generalmente se clasifican según el electrolito empleado. Las más conocidas

son: pilas de membrana de intercambio protónico (PEMFC), pilas de óxidos

sólidos (SOFC), pilas de carbonatos fundidos (MCFC), pilas de ácido

fosfóricos (PAFC) y pilas alcalinas (AFC). La más utilizada en vehículos



144

eléctricos son las pilas PEMFC ya que es la que mejor se adapta a las

necesidades de los vehículos eléctricos. Esto se debe principalmente a que,

a pesar de presentar numerosos problemas técnicos relacionados con la

membrana como la gestión de su humedad o sus vibraciones, presenta una

baja temperatura de funcionamiento (40 – 80 °C) facilitando así el periodo

de arranque, la hace ideal para el sector de la automoción.

La figura 4.4 muestra de forma esquemática el principio de

funcionamiento de las pilas de combustible de hidrógeno de tipo PEMFC.

Figura 4.6. Esquema del principio de funcionamiento de una pila de combustible de hidrógeno Fuente: Avances de ingenier ía. E l h idrógeno y la energía. José Ignacio Linares Hurtado y

Beatr iz Yolanda Morati l la Soria.

Como se puede observar en la imagen, se trata de un proceso

electroquímico en el que el combustible, el hidrógeno, se reduce en el

ánodo, resultando por un lado dos iones de hidrógeno (H+) que se dirigen al

cátodo a través del electrolito, y por otro dos electrones que circulan a

través del circuito externo (carga) hacia el cátodo, donde reaccionan junto

con los dos iones de hidrógeno y con el comburente, el oxígeno,

produciendo agua. Todo este funcionamiento queda reflejado en las

siguientes reacciones electroquímicas en el ánodo (4.3) y en el cátodo (4.4):



145

El electrolito empleado, separa el combustible del comburente para

evitar una reacción de combustión, además de impedir el paso de los

electrones a la vez que constituye el medio que se encarga de transportar

los iones de hidrógeno de un electrodo a otro. En las pilas de PEMFC se

trata de una matriz polimérica conductora de protones, un material aislante

que obliga a los electrones a circular por el circuito externo, donde

realmente se extrae la energía de la pila.

La figura a continuación muestra el exterior de una pila de combustible,

generalmente tienen forma de una pequeña caja metálica, están situadas

en el centro de la parte inferior del vehículo, como mostraba la figura 4.3.

Figura 4.7. Exterior de una pila de combustible en su aplicación para vehículos (Nissan) Fuente: Prothius. Industria l Engineering Cathedra



146

4.4.2 Depósito de hidrógeno

Como es de imaginar, serán necesarios unos depósitos o tanques para

almacenar el hidrógeno con el que será necesario alimentar la pila de

combustible. Estos depósitos tendrán unas condiciones específicas, tal y

como se comentó en el apartado previo referido al almacenamiento de

hidrógeno. De las dos posibles maneras de almacenamiento que se

contemplaron, se opta generalmente por el sistema de hidrógeno

comprimido pues el de hidrógeno líquido requería una cantidad de energía

demasiado elevada para su licuefacción.

Figura 4.8. Esquema tanque de hidrógeno comprimido Fuente: Hydrogen storage: the remaining sc ient if ic and technolog ica l challenges. Michael

Felderhoff, C laudia Weidenthaler, R ittmar von Helmolt and Ulr ich Eberle.

Como se aprecia en la figura anterior, generalmente consistirán en

depósitos cilíndricos de varias capas de materiales compuestos y reforzado

con fibra de carbono, con unas buenas propiedades mecánicas ya que debe

ser capaz de aguantar presiones de hasta 700 bar a la vez que debe, por

temas obvios de seguridad, aguantar impactos exteriores. Estos tanques,

suelen llevarse más de uno, normalmente se colocan en la parta de atrás

del vehículo, ya sea justo debajo o detrás de los asientos traseros.



147


Los vehículos de pilas de combustible optan por la propulsión con

motores eléctricos, estando alimentados por la electricidad generada en la

propia pila de combustible. Los motores utilizados, son idénticos a los

empleados tanto en los vehículos eléctricos como en los híbridos. También,

igual que sucedía entonces, serán necesarios una unidad de electrónica de

potencia, una unidad de control, un cargador, y una transmisión con un

engranaje reductor. Lo habitual es que estos motores se sitúen en el eje

delantero.

4.4.4 Batería

Lo más habitual en estos vehículos es la incorporación de una batería de

alto voltaje, ya sea de ion-litio o de níquel-hidruro metálico (NiMH). Su

función es complementar a la pila de combustible en el suministro de

energía a los motores eléctricos, generalmente a bajas velocidades y en

condiciones de mayor demanda de energía. Además son fundamentales

para poder almacenar la energía recuperada por el sistema de frenada

regenerativa.



148


Alternativas al Automóvil Convencional – Estudio

Económico, Energético y Medioambiental

149

5. ESTUDIO DEL IMPACTO ECONÓMICO, ENÉRGÉTICO Y

MEDIOAMBIENTAL

Una vez que se ha analizado técnicamente el estado del arte de las

alternativas a los vehículos convencionales, se procede a realizar un estudio

desde tres puntos de vista, el económico, energético y medioambiental, de

cada una de ellas, lo que corresponde con la segunda parte del proyecto.

El principal objetivo de esta parte es estudiar si es viable una

amortización económica de la adquisición de un vehículo de cada

alternativa, en comparación con el coste de un vehículo de combustión

interna de características similares.

Además, como se comentó en la introducción del proyecto, la energía

tiene una importancia enorme a nivel global, importancia que va en

aumento con cada año que pasa. La inmensa mayoría de países tiene una

gran dependencia energética que tratan de reducir, algo que parece

imposible dado a que gran parte de esta energía va destinada al transporte,

y este depende casi exclusivamente de los combustibles fósiles de unos

pocos países. Por ello, se analizará cada alternativa no solo desde el punto

económico sino también desde el punto de vista energético con el fin de

determinar el consumo energético real de estas, en comparación con el de

un vehículo convencional.

Por último, estas diferentes alternativas se analizarán desde el punto de

vista medioambiental, llegando a conclusiones de su verdadero impacto. En

ellas se consideran no solo las emisiones locales, sino en el caso del

eléctrico y del hibrido enchufable, las emisiones contaminantes que se

emiten en el procedimiento de producción de energía.




150

5.1 Vehículo eléctrico

5.1.1 Estudio de mercado

A pesar de que llevan ya unos años en el mercado, los vehículos

eléctricos todavía presentan una pequeña cuota del mercado

automovilístico español. Prueba de ello es que en 2014, según datos del

Instituto de Estudios de Automoción (IEA) en España se realizaron un total

de 1.665 matriculaciones de vehículos eléctricos, entre turismos y

comerciales, lo que representa un incremento del 33% con respecto a 2013.

Estas matriculaciones constituyen un 0,2% de los 855.308 coches que se

matricularon en 2014.

5.1.2 Modelo representativo

Una vez estudiado todo el mercado actual de los eléctricos, se escoge un

modelo representativo con el que se procederá a realizar el estudio del

impacto económico, energético y medio ambiental con respecto a un

modelo equivalente de combustión interna.

En el caso de los vehículos eléctricos, se tomará como modelo

representativo el e-Golf, el nuevo modelo eléctrico de Volkswagen, ya que

se considera que ofrece unas prestaciones más que razonables dentro del

promedio de los vehículos eléctricos en el mercado, y a la par porque

resulta realmente sencillo encontrar unos modelos de combustión e

híbridos equivalentes, facilitando toda comparativa y estudios posteriores.

A continuación se muestra la ficha técnica del e-Golf:




151

VOLKSWAGEN e-GOLF

Motor eléctrico Motor síncrono AC de imán permanente Potencia: 115 CV / 85 kW. Par: 270 Nm

Batería Batería de Ion-Litio, 323 V.

264 celdas. Peso: 312 kg

Prestaciones Velocidad máxima: 140 km/h

Aceleración de 0 a 100 en 10,4 s Autonomía: 190 km

Peso MMA 1538 kg

Emisiones de CO2 0 g/km

Consumo 12,7 kWh / 100 km

Precio 36.530,00 €

Tabla 5.1. Ficha técnica Volkswagen e-Golf

Fuente: E laboración propia

5.1.3 Comparativa con el modelo de combustión

Se tomaran dos vehículos de combustión interna, uno diésel y uno

gasolina, de características equivalentes al eléctrico, con los que se realizará




152

la comparativa y los diferentes estudios. Se han optado por el Golf 1.6 TDI

BMT y por el Golf 1.2 TSI BMT. Entre toda la oferta de modelos Golf, se han

escogido estos pues se consideran los más parecidos al e-Golf en cuanto a

características y prestaciones. Estas son sus fichas técnicas:

VOLKSWAGEN GOLF 1.6 TDI BMT

Motor Motor diésel 1.6 TDI BMT

Potencia: 110 CV / 81 kW. Par: 250 Nm



Peso MMA 1299 kg


Consumo 3,8 l / 100 km

Precio 22.310,00 €

Tabla 5.2. Ficha técnica Volkswagen Golf 1.6 TDI BMT





153

VOLKSWAGEN GOLF 1.2 TSI BMT

Motor Motor gasolina 1.2 TSI BMT




Peso MMA 1229 kg



Precio 19.490,00 €

Tabla 5.3. Ficha técnica Volkswagen Golf 1.2 TSI BMT

Fuente: Elaboración propia

Realizando una comparativa entre las características y prestaciones de

estos tres vehículos y representando los datos, se observan que los tres

modelos son muy similares en algunas prestaciones, pese a que tiene

características muy diferentes entre ellos. Es el caso de que el mayor par y

potencia del eléctrico, unido a que otorga para máximo desde bajas vueltas,

compensa el mayor peso de este principalmente debido al sobrepeso de las




154

baterías, para tener una aceleración de 0 a 100 muy similar. Las mayores

diferencias están en la velocidad máxima, donde el eléctrico solo alcanza

140 km/h, y sobre todo las emisiones de CO2 a la atmosfera, destacando las

cero emisiones locales del eléctrico.

Figura 5.1. Comparativa de características y prestaciones de los vehículos eléctricos vs combustión Fuente: E laboración propia

En la gráfica anterior no se incluyen dos características bien

importantes, el tiempo de carga y el precio de adquisición. En cuanto a la

carga del e-Golf se puede hacer de tres posibilidades: con un cable para

tomas domésticas, con un tiempo de 13 horas, instalando el Wallbox en la

vivienda reduciéndose a 8 horas el tiempo de carga, o por último usando el

sistema de carga rápida CCS de estaciones públicas que posibilita la carga

del 80% de la batería en 30 minutos. Esta última opción es la que más se

empezaría a aproximar al repostaje de un vehículo convencional, sin

embargo el nivel de exigencia eléctrica es muy alto, y las baterías sufren

más por lo que no es recomendable usarlo como una opción para el

repostaje habitual sino más bien como una solución en caso de necesidad.

Además la instalación de uno de estos sistemas de recarga rápida en el

garaje, ya sea privado o colectivo, es prácticamente inviable pues habría

que hacer una adecuación de la red eléctrica existente, para hacer una




155

referencia, la potencia que requiere este sistema es la equivalente a un

edificio de 15 viviendas.

Una última característica, y muy importante, es el precio de adquisición

de cada vehículo. En cuanto a esto, el eléctrico presenta una diferencia de

exactamente 14.220,00 € con el diésel, y 17.040,00 € con el de gasolina, una

diferencia más que considerable en la que se profundizará en el estudio

económico a continuación.

5.1.4 Estudio económico

En cuanto al tema económico, el vehículo eléctrico como se ha podido

ver en la comparativa frente a unos de combustión equivalente, tiene un

gran inconveniente, y es que presenta un precio de adquisición mucho más

elevado. Este es una de las grandes razones por la que mucha gente ni se

plantea la compra de uno de estos vehículos, olvidándose de las muchas

ventajas económicas que plantean los eléctricos una vez realizado el

desembolso inicial. La clave en este sentido es saber si el ahorro económico

a partir de entonces, es suficiente para poder amortizar económicamente el

vehículo en una cantidad razonable de kilómetros. A continuación se

enumeran las ventajas económicas de los vehículos eléctricos, con respecto

al de combustión.

Ayudas del Estado. El Estado a través del Ministerio de Industria,

Energía y Turismo en 2015 ha destinado 7 millones de euros a

ayudas para la adquisición de vehículos eléctricos. Sin duda estas

subvenciones del Estado con la intención de impulsar la

movilidad eléctrica son más que significativas. En el caso que se

está estudiando, el caso más común, se trata de un turismo de

autonomía eléctrica superior a 90 km, con lo que se recibe una

ayuda de 5.500 euros.

Combustible. Sin duda, uno de los ahorros más considerables a

largo plazo se realizará al sustituir los combustibles

convencionales (gasolina y diésel) por la electricidad necesaria

para recargar las baterías. Este ahorro será mayor, si se recarga

por la noche, aprovechando las tarifas valle, con un coste mucho

más reducido. Este ahorro económico lo calculamos calculando




156

el coste en combustible por cada 100 km. Para este estudio se

considera un precio de una tarifa perfectamente normal en la

media de España de 0,070730 €/kWh.

Teniendo en cuenta, el precio anterior de kWh y que el consumo

del e-Golf es de 12,7 kWh por cada 100 km, resulta un coste de

electricidad de 0,898271 euros cada 100 km. Por otro lado,

haciendo un procedimiento similar con el Golf 1.6 TDI BMT

resulta 4,5182 euros cada 100 km, con el consumo establecido

de 3,8 l/100 km y tomando un precio del diésel promedio de

1,189 €/l, y realizando el mismo cálculo para el Golf 1.2 TSI BMT

resulta un coste de 6,6101 euros cada 100 km. A continuación se

representan estos datos en una tabla, donde además se muestra

el cálculo del ahorro económico en combustible del eléctrico en

comparación con los modelos de combustión. Otro factor a tener

en cuenta, es la existencia de puntos de recarga gratuitos, por lo

que esta diferencia podría ser aún mayor.

Tabla 5.4. Diferencias en la economía del combustible entre los vehículos eléctricos y los de combustión.


Impuesto de circulación y matriculación. Como otra manera de

incentivar la movilidad eléctrica, las entidades públicas ofrecen

reducciones en estos impuestos. Por un lado, diversas

Comunidades Autónomas reducen el impuesto de circulación




157

para vehículos eléctricos e híbridos, como es el caso de la

Comunidad de Madrid cuya reducción es del 75 % durante toda

la vida útil del vehículo. Para calcular el impuesto de circulación,

también conocido como Impuesto sobre Vehículos de Tracción

Mecánica (IVTM), existen tablas para cada municipio con el

importe a pagar en función de los caballos fiscales (CVF). En el

caso de Madrid capital, que según un estudio de 2015 de

Automovilistas Europeos Asociados (AEA), los valores para este

impuesto en función de los caballos fiscales son:

Tabla 5.5. Impuesto de Circulación en Madrid capital en función de los caballos fiscales (CVF)


En cuanto a los vehículos que estamos analizando, se consulta en

las tablas que pone a disposición el Ministerio de Hacienda y

Administraciones Públicas para determinar los caballos fiscales

de cada vehículo, y poder así conocer el Impuesto de Circulación

de cada vehículo. Esto se resume en la siguiente tabla:

Tabla 5.6. Impuesto de circulación en Madrid de e-Golf, Golf 1.6 TDI BMT y Golf 1.2 TSI BMT.


Como se puede ver, el impuesto de circulación le supone al

vehículo eléctrico un ahorro de 49,5 euros al año con respecto a

los modelos diésel y gasolina.




158

En cuanto al impuesto de matriculación, en España se vincula

con las emisiones de CO2, como se vio en la Tabla 1.3, resultando

que los vehículos eléctricos están exentos de este tipo de

impuestos. En concreto, tanto el vehículo diésel como el gasolina

con el que se están comparando, también están por debajo del

límite de 120 g/km establecido, con lo que no hay diferencia

económica entre los vehículos en este sentido.

Mantenimiento. Los vehículos eléctricos requieren un

mantenimiento mucho menor, ya que no requieren cambios de

aceite, ni de lubricantes, filtros, etc. Además el sistema de

frenada regenerativa, le quita mucho trabajo a las pastillas de

freno prolongando su vida útil. Se considerará que tanto el diésel

como el de gasolina precisan del mismo mantenimiento, siendo

éste sin embargo normalmente algo mayor para el diésel. El

único gran inconveniente que pueden presentar los vehículos

eléctricos en cuanto al mantenimiento, es una posible

sustitución de la batería que puede llegar a rondar los 10.000

euros (en torno a un tercio del precio del vehículo). Sin embargo,

a día de hoy los fabricantes se aseguran de que las baterías

presenten una vida útil suficientemente larga, prueba de ello es

que ofrecen garantías exclusivamente para las baterías de estos

modelos. Este es el caso de Volkswagen, que ofrece una garantía

triple para las baterías de todos los modelos eléctricos e híbridos

enchufables de 8 años, 160.000 km o si su capacidad baja del

70%.

Según diversos fabricantes, se ahorra entre un 20 y un 30 % en

gastos de mantenimientos con el eléctrico con respecto a los de

combustión. Es difícil estimar el ahorro económico que se

produce en euros por cada año en este sentido, y más teniendo

en cuenta que el mantenimiento variará cada año en función de

los kilómetros. De todas formas, el propio fabricante te ofrece

una estimación del mantenimiento del vehículo en función del

modelo. Para el caso del Golf, Volkswagen estima este

mantenimiento en 450 euros al año, y por tanto para el e-Golf se

queda en 337,5 euros al año considerando un 25% menos de

mantenimiento. Esto supone un ahorro adicional por parte del

eléctrico de 112,5 euros al año.




159

Precio del seguro. Por lo general, los precios que las

aseguradoras dan a los vehículos eléctricos para sus seguros son

de un 5 a un 15 % más baratos. En lo que refiere a este estudio,

se pide presupuesto a una aseguradora online, introduciéndose

las mismas condiciones para los tres vehículos, obteniéndose los

siguientes precios para seguros a terceros: 299 € para el e-Golf,

339 € para el Golf 1.6 TDI BMT y 325 € para el Golf 1.2 TSI BMT.

Esto es un ahorro del eléctrico de 40 € al año con respecto al

modelo diésel y 26 € al año con respecto al modelo de gasolina.

Otras ventajas. Además, diversas Comunidades Autónomas

otorgan a los vehículos eléctricos determinadas ventajas, como

una reducción considerable del precio de los parquímetros. En el

caso de la Comunidad de Madrid, los eléctricos pueden aparcar

de forma gratuita en las zonas de parquímetro, consiguiendo

previamente la tarjeta “0 emisiones”. Esto, en un caso de un

ciudadano medio, puede llegar a ahorrar hasta 20 euros al mes.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, en el caso de los vehículos que se

están analizando y considerando un ciudadano medio (con un kilometraje

anual de unos 20.000km al año), el vehículo eléctrico se amortizaría en unos

149.000 km con respecto al diésel, y en unos 147.000 km para el de

gasolina.

Sin embargo, teniendo en cuenta que las características actuales del

vehículo eléctrico, sobre todo con su limitada autonomía, está destinado a

unas condiciones de uso muy particulares, no adaptándose bien a todos los

usuarios. Por tanto, tiene más sentido la comparativa de las diferentes

tecnologías segmentando en función del cliente, lo que se realizará una vez

completado el estudio de todas las tecnologías.

5.1.5 Estudio del impacto energético

Una vez realizado un estudio económico, otro importante punto que

contribuyó considerablemente en la motivación de este proyecto es el del

impacto energético. Tal y como se comentó entonces, la energía hoy en día

tiene una importancia enorme nivel global, y precisamente España tiene




160

una dependencia energética próxima al 80 %. Gran parte de culpa la tiene el

sector del transporte, que supone cerca del 40 % del consumo de energía

nacional final, siendo un 80 % de este consumo provocado por el transporte

por carretera. Todo ello se puede apreciar en las Figuras 1.1 y 1.2.

A continuación se analizará si las diferentes alternativas al automóvil

convencional, pueden contribuir en la reducción de esta dependencia

energética, algo que parece más que razonable a priori, ya que estas

alternativas precisamente sustituyen o disminuyen la demanda de

combustibles con origen en los derivados del petróleo, combustibles que

España tiene que importar. Sin embargo, no es tan sencillo como esto.

Para comenzar, se comparará la energía consumida por cada vehículo

en lo referido únicamente a su utilización. Para ello se tendrá en cuenta el

poder calorífico de cada combustible, y los consumos de cada vehículo. Para

la energía eléctrica, únicamente se hará la conversión de kWh a MJ, siendo

1 kWh igual a 3,6 MJ. De esta forma se obtendrá la energía utilizada

únicamente en combustible, para recorrer 100 km. Todo ello se muestra en

la siguiente tabla:

Tabla 5.7. Consumo energético en combustible del eléctrico, diésel y gasolina. Fuente: E laboración propia

Ahora bien, este consumo de energía es solo una vez que el combustible

se encuentra en el vehículo, lo que tendría sentido si solo estuviésemos

analizando vehículos con el mismo combustible. Sin embargo al tratarse de

combustibles tan diferentes, hay que realizar el estudio energético del




161

proceso completo, desde el origen de la energía hasta su consumo en los

vehículos, pasando por su transformación, transporte, infraestructura, etc.

Para ello hay un concepto muy importante, la Tasa de Retorno Energética

(TRE o EROI en inglés), que es precisamente el cociente entre la energía

total que una fuente de energía nos devuelve y la energía invertida en

explotar, desarrollar y mantener esa fuente de energía. Se puede calcular

con las siguientes expresiones:

De esta forma, según la propia definición de la Tasa de Retorno de

Energía, a mayor TRE mejor será una fuente de energía, ya que esto implica

que se una cantidad mayor de energía neta utilizable por cada unidad de

energía que se ha invertido en ella. Además, un TRE menor o igual que uno

indica que la fuente de energía no es rentable energéticamente, pues

requiere más energía de la que produce.

En el caso de los vehículos de combustión, se considera la misma TRE

para la gasolina y el diésel debido a que sus procedimientos de extracción

del petróleo, su refinamiento, el transporte y la infraestructura son muy

similares. La TRE del proceso completo de estos combustibles está en torno

a 5, siendo muy difícil de precisar un número exacto ya que se trata de una

tasa situada, es decir, que para un mismo proceso, la TRE varía con el año y

el contexto. Una prueba de ello es que estos combustibles a mediados del

siglo XX, tenía una TRE por encima de 100, esto es que solo era necesario

invertir en la extracción de cada barril de crudo un 1 % de la energía

contenida en cada barril.

En cuanto a los vehículos eléctricos, hay que tener en cuenta otro factor

fundamental para poder calcular el impacto energético, y es tener claro la

procedencia de la energía eléctrica ya que esta no solo tiene un origen. La

gráfica siguiente muestra precisamente la naturaleza de la electricidad en la

península ibérica para el año 2014:




162

Tabla 5.8. Cobertura de la demanda anual de energía eléctrica peninsular de 2014 Fuente: Red Eléctr ica Española

Las TRE de las fuentes energéticas más importantes, y necesarias para el

cálculo del impacto energético según el estudio EROI of Global Energy

Resources realizado por Jessica Lambert y Charles Hall de la Universidad de

Nueva York, se muestran a continuación, así como su ponderación teniendo

en cuenta el porcentaje de cada fuente en la totalidad de la demanda

energética peninsular en 2014.

Tabla 5.9. TRE de las fuentes de energía presentes en la demanda energética peninsular Fuente: Elaboración propia




163

Además, en la tabla anterior, se realiza en cálculo de la TRE ponderada

para la totalidad de la energía eléctrica, con el que se procederá a realizar el

cálculo del verdadero impacto ambiental de los vehículos eléctricos, usando

cualquiera de las ecuaciones 5.1 o 5.2.

Tabla 5.10. Cálculo del consumo energético total del eléctrico vs combustión Fuente: E laboración propia

Como se puede ver, en la tabla anterior está calculado el consumo

energético total para cada vehículo, esto es la energía real que emplea cada

vehículo para recorrer 100 km. Analizando los datos, salen resultados

sorprendentes, pues el consumo de energía del vehículo eléctrico desde el

origen de la energía hasta el consumo es más de 18 veces menor que la

requerida para recorrer 100 km con el diésel y más de 21 con respecto al

gasolina. Este resultado se atribuye a varias razones, por un lado como ya se

comentó el vehículo eléctrico presenta un rendimiento mucho mayor que

los de combustión principalmente por el elevado rendimiento de los

motores eléctricos, por encima del 85%, frente al pobre rendimiento de los

motores térmicos, que alcanzan un 30% como máximo. Además, la Tasa de

Retorno Energética ponderada de la energía eléctrica en España y mucho

mayor que la de los combustibles derivados del petróleo, lo que hace que el

uso de esa energía requiera una inversión energética menor.

Por tanto, los coches eléctricos son una buena solución para reducir la

energía consumida a nivel global, y también para ayudar a países, como




164

España, a reducir su elevada dependencia energética. Eso sí, hay que

matizar que esta elevada reducción de la energía es a nivel global, pues sin

ir más lejos, España no es la encargada de extraer y refinar el petróleo, con

lo que habría que tener en cuenta Tasas de Retorno Energéticas diferentes

a las de la tabla 5.9, ya que estas son del proceso completo hasta que llegan

a su uso. En consecuencia, si se desea evaluar numéricamente la reducción

de la dependencia energética, habría que recalcular este impacto para esas

nuevas TRE, quedando aun así cifras más que notablemente elevadas de

reducción de la demanda energética.

5.1.6 Estudio del impacto medioambiental

El impacto o huella ambiental es sin duda una de las razones por las que

la propulsión eléctrica está cogiendo tanta fuerza. Esto se debe a que los

vehículos eléctricos son vehículos de cero emisiones locales, es decir, no

contaminan nada durante su funcionamiento. Es importante resaltar que se

trata de emisiones locales, otra cosa es la contaminación resultante a la

hora de producir la electricidad necesaria para el funcionamiento de estos

vehículos. Eso es lo que se analizará en este apartado.

Según un estudio de WWF basado en datos de Red Eléctrica Española,

cada kWh de electricidad que se extrae de la red tiene una serie de

emisiones y residuos radiactivos, contenidas en la siguiente tabla. Para

calcular las emisiones del coche eléctrico que se está analizando no hay más

que multiplicar estas emisiones por kWh, por el consumo del propio coche

eléctrico, que es de 12,7 kWh /100 km. Por tanto el total de emisiones

reales del e-Golf por cada 100 km se calcula en la propia tabla.




165

Tabla 5.10. Emisiones promedio de cada kWh en España en 2014, y emisiones del e-Golf. Fuente: E laboración propia

En cuanto a las emisiones de los vehículos de combustión analizados,

para comenzar, las emisiones de CO2 del diésel son 99 g/km, esto es 9,9 kg

cada 100 km, mientras que las del gasolina son 11,2 kg cada 100 km, esto es

entre 3 y 4 veces superior a las del eléctrico. En cuanto a las emisiones de

otros contaminantes por parte del eléctrico, también son

considerablemente menores que las producidas por los vehículos de

combustión, que están reguladas según las normas EURO (Tabla 1.1 y 1.2). A

esta importante diferencia hay que añadirle que las emisiones de los

vehículos eléctricos se están produciendo donde se genera la electricidad,

no en el lugar de funcionamiento de los propios vehículos, como es el caso

de los de combustión. Esta es una importante ventaja ya que en este último

caso, el funcionamiento se concentra en las ciudades, donde las emisiones

contaminantes pueden tener mayores consecuencias, mientras que por el

otro lado, las emisiones locales de los eléctricos son nulas, incluso un

contaminante que pocas veces se tiene en común pero que puede tener

graves consecuencias sobre la salud humana, el ruido.




166

5.2 Vehículo híbrido


En cuanto a los vehículos híbridos, estos llevan en el mercado algo más

tiempo que los eléctricos, lo que sumado a sus mejores prestaciones

sobretodo en cuanto a la autonomía, hacen que tengan una presencia en el

mercado algo más destacada. Prueba de ello, el número de coches híbridos

matriculados en 2014 ha sido entre siete y ocho veces superior al de los

eléctricos, sin embargo estas cifras todavía son muy bajas, habiéndose

matriculado un total de 12.369 híbridos, siendo 12.079 de ellos híbridos

convencionales y 290 enchufables. Frente al año 2013, se ha producido un

aumento del 18,4%, algo menor que el crecimiento del eléctrico, que sitúan

al vehículo híbrido con una cuota del mercado del 1,45 % del total de los

855.308 coches matriculados en 2014.

En cuanto al híbrido más vendido en 2014, ha sido el Toyota Auris HSD

2013, repitiendo resultado de 2013. Completan los tres más vendidos, el

Toyota Yaris HSD y el Lexus CT 200h. En cuanto a los híbridos enchufables,

destaca el dominio del Mitsubishi Outlander PHEV con un total de 209

coches vendidos de los 290 totales de este tipo de híbrido, lo que supone

más de un 72% de la cuota de este mercado.


Una vez estudiado el mercado actual de los híbridos, igual que se realizó

para los vehículos eléctricos, se escoge un modelo representativo con el que

se procederá a realizar el estudio del impacto económico, energético y

medio ambiental con respecto a un modelo equivalente de combustión

interna. Se tomará como modelo representativo el Golf GTE, el nuevo

modelo híbrido enchufable de Volkswagen, ya que se trata de un vehículo

nuevo, con unas prestaciones razonables dentro de los híbridos del

mercado, y dado la gran variedad de Golf disponibles es asequible encontrar

unos modelos equivalentes de combustión, facilitando toda comparativa y

estudios posteriores. Además, se optó por escoger un PHEV en vez de un




167

híbrido convencional, ya que a día de hoy es lo que parece tener más

futuro. A continuación se muestra la ficha técnica del Golf GTE:

VOLKSWAGEN GOLF GTE

Motores

Motor eléctrico: Potencia: 102 CV / 75 kW.

Motor de gasolina TSI: Potencia: 150 CV / 110 kW.

Potencia híbrida: 204 CV / 150 kW Par híbrido: 350 Nm

Batería Batería de Ion-Litio, 323 V.

264 celdas. Peso: 312 kg

Prestaciones

Velocidad máxima híbrida: 222 km/h Velocidad máxima eléctrica: 130 km/h Aceleración híbrida de 0 a 100 en 7,6 s

Aceleración eléctrica 0 a 60 en 4,9 s Autonomía eléctrica: 50 km Autonomía híbrida: 939 km

Peso MMA 1510 kg



11,4 kWh / 100 km

Precio 39.330,00 €

Tabla 5.11. Ficha técnica Volkswagen Golf GTE





168

5.2.3 Comparativa con el modelo de combustión

Se tomaran dos vehículos de combustión interna, uno diésel y uno

gasolina, de características más o menos equivalentes al Golf GTE, con los

que se realizará la comparativa y los diferentes estudios. Se han optado por

el Golf GTD 2.0 TDI BMT y por el Golf GTI 2.0 TSI BMT. Entre toda la oferta

de modelos Golf, se han escogido estos pues se consideran los más

parecidos al Golf GTE en cuanto a características y prestaciones. Estas son

sus fichas técnicas:

VOLKSWAGEN GOLF GTD 2.0 TDI BMT

Motor Motor diésel 2.0 TDI BMT




Peso MMA 1395 kg



Precio 33.000,00 €

Tabla 5.12. Ficha técnica Volkswagen Golf GTD 2.0 TDI BMT





169

VOLKSWAGEN GOLF GTI 2.0 TSI BMT

Motor Motor gasolina 2.0 TSI BMT



Aceleración de 0 a 100 en 6,5s Autonomía: 833 km

Peso MMA 1351 kg


Consumo 6 l / 100 km

Precio 32.400,00 €

Tabla 5.13. Ficha técnica Volkswagen Golf GTI 2.0 TSI BMT


Si se realiza una comparativa entre las características y prestaciones de

estos tres vehículos, se observan menores diferencias entre ellos que para

el caso del eléctrico. En este caso destaca también el mayor peso del

híbrido, y unas emisiones mucho más reducidas. También destacan una




170

autonomía mucho mayor por parte del modelo diésel frente a los otros dos,

y por parte del gasolina una velocidad máxima y aceleración algo

superiores, pero sobretodo unas emisiones de CO2 bastante más elevadas.

Figura 5.2. Comparativa de características y prestaciones de los vehículos híbridos vs combustión Fuente: E laboración propia

Una última característica, y muy importante, que no se incluye en la

gráfica anterior, es el precio de adquisición de cada vehículo. En cuanto a

esto, el híbrido no llega al caso del vehículo eléctrico, pero aun así presenta

una diferencia también considerable, de exactamente 6.330,00 € con el

diésel, y 6.930,00 € con el de gasolina. Esto es precisamente lo que se

analizará en el estudio económico a continuación.

5.2.4 Estudio económico

Como se ha comentado en la comparativa anterior, los vehículos

híbridos presentan un precio de adquisición más grande, eso sí, no tanto

como el eléctrico. También es cierto, que una vez comprado tampoco tiene




171

tantas ayudas ni ventajas económicas como tenía el eléctrico. Se analiza a

continuación si este desembolso inicial para la compra de un híbrido es o no

amortizable económicamente en un plazo razonable, con respecto a los de

combustión.

Ayudas del Estado. Para el caso de los híbridos, el Estado a

través del Ministerio de Industria, Energía y Turismo ofrece una

ayuda de 3.700 euros para la compra de uno de estos vehículos,

en lugar de los 5.500 que ofrecían para los eléctricos puros.

Combustible. En cuanto al combustible, el híbrido usa una

mezcla de electricidad y gasolina, si bien es cierto que en el caso

de los híbridos enchufables tienen unos primeros kilómetros en

los que pueden funcionar utilizando únicamente electricidad,

reduciendo así aún más el gasto de combustible. Para este

primer estudio económico, esta opción no se considerará,

utilizando ambos combustibles. Se tomarán los mismos precios

de combustible que se consideraron en este mismo apartado de

los vehículos eléctricos, es decir, 0,70730 €/kWh para la

electricidad (en horario con tarifa valle), 1,189 €/l para el diésel y

1,349 €/l para la gasolina. Los resultados del coste del

combustible por cada 100 km para cada alternativa, así como el

ahorro que representa el híbrido con respecto a las otras dos

opciones, se muestran calculadas en la siguiente tabla:

Tabla 5.14. Diferencias economía del combustible entre los vehículos híbridos y los de combustión.





172

Impuesto de circulación y matriculación. Los híbridos, en menor

medida que los eléctricos pues generalmente depende de las

emisiones de CO2, también reciben reducciones tanto en el

impuesto de circulación como en el de matriculación. Estas

reducciones para el impuesto de circulación, generalmente

otorgadas por Comunidades Autónomas, otorgan a los híbridos

enchufables la misma reducción que para los eléctricos, es decir,

en el caso de la Comunidad de Madrid una reducción del 75 %,

solo que esta vez solo para los 6 primeros años. Este impuesto se

calcula en función de los caballos fiscales, tal como se hizo para

el vehículo eléctrico, teniendo en la tabla 5.5 el Impuesto de

Circulación en Madrid capital en función de los caballos fiscales.

Teniendo en cuenta esto, y los caballos fiscales de cada vehículo

consultando las tablas del Ministerio de Hacienda y

Administraciones Públicas, se calculan en la siguiente tabla:

Tabla 5.15. Impuesto de circulación en Madrid del Golf GTE, Golf GTD 2.0 TDI BMT y Golf GTI TSI BMT


Como se puede ver, el impuesto de circulación le supone al

vehículo híbrido en este caso un ahorro de 107,25 euros al año

con respecto a los modelos diésel y gasolina, durante los 6

primeros años del vehículo.

En cuanto al impuesto de matriculación, como ya se explicó

tanto en España como en la mayoría de los países de la Unión

Europea, se vincula con las emisiones de CO2, como se vio en la

Tabla 1.3. Aplicando estos valores a los vehículos analizados, los

modelos híbridos y diésel quedan exentos de pagar este

impuesto, mientras que el modelo de gasolina, el Golf GTI, con




173

unas emisiones de 139 g de CO2 al km, tienen un impuesto del

4,75% impuesto que ya está incluido en el precio del vehículo.

Mantenimiento. La ausencia de determinados elementos que en

vehículos de combustión requieren de un mantenimiento como

el embrague, alternador o el motor de arranque, además de

cambios de aceite y otros gastos, hacen que el mantenimiento

de los híbridos sea mucho más reducido que el de los de

combustión, tal y como sucede con los eléctricos. Además el

menor desgaste de las pastillas de freno por la incorporación del

sistema de freneda regenerativa, también contribuye a este

ahorro económico en mantenimiento. En concreto, según

Volkswagen, el mantenimiento del Golf GTE ronda los 275 euros

anuales, muy por debajo de los 450 de los de combustión, y algo

inferiores a los 337,5 euros del eléctrico.

Precio del seguro. El precio del seguro del híbrido es muy similar

al de los vehículos eléctricos, manteniéndose de un 5 a un 15 %

por debajo de los de combustión. En concreto, los vehículos de

interés tienen los siguientes precios de seguros a terceros: 312 €

para el Golf GTE, y 343 € tanto para el GTD como el GTI. Esto

supone un ahorro de 31 euros al año al híbrido con respecto a

los de combustión, pero un sobrecoste de 13 euros con respecto

al modelo eléctrico analizado, el e-Golf.

Otras ventajas. Además, diversas Comunidades Autónomas

como es el caso de la Comunidad de Madrid, igual que sucedía

con los eléctricos, permiten a los híbridos determinadas

ventajas, como aparcar gratuitamente en las zonas de

parquímetro.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, en el caso de los vehículos que se

están analizando, el vehículo híbrido se amortizaría en unos 61.000 km con

respecto al diésel, y en unos 43.000 km para el de gasolina. Como se ha

podido observar un número mucho más reducido de kilómetros que para la

amortización del vehículo eléctrico, debido únicamente al menor

sobrecoste inicial ya que el eléctrico presenta mayores ahorros una vez

realizado el desembolso inicial.




174

5.2.5 Estudio del impacto energético

Tal y como se realizó para el vehículo eléctrico, a continuación se analiza

el verdadero impacto energético del vehículo híbrido con respecto a los de

combustión. Para ello, se seguirá exactamente el mismo procedimiento, con

la peculiaridad de que el híbrido mezcla ambos combustibles, por lo que

habrá que realizar algún número más.

Para comenzar, se comparará la energía consumida en combustible por

cada vehículo para recorrer 100 km, lo que se muestra en la tabla siguiente:

Tabla 5.16. Consumo energético en combustible del híbrido, diésel y gasolina. Fuente: E laboración propia

Ahora bien, este consumo energético es únicamente de la utilización del

combustible para la propulsión del vehículo, para analizar el ciclo completo

se utilizará la Tasa de Retorno Energética, tal y como se hizo con el eléctrico.

Además, dado que el híbrido también se alimenta parcialmente de

electricidad, será importante conocer el origen de la electricidad (Tabla 5.8)

para poder aplicar una TRE ponderada según las diferentes fuentes de

energía y su porcentaje con respecto al total. Todo este cálculo está

realizado en la tabla siguiente:




175

Tabla 5.17. Cálculo del consumo energético total del híbrido vs combustión Fuente: E laboración propia

Lo que indica la tabla anterior es que para recorrer 100 km con el

híbrido hay que invertir 13,67 MJ, mientras que para el diésel hacen falta

37,653 MJ y 48 MJ para el modelo de gasolina. Esto es, el híbrido necesita

una inversión energética casi 3 veces menor que para el diésel para recorrer

cada kilómetro, y unas 3 veces y media menor que el modelo de gasolina. Es

una diferencia energética más que considerable, pero que si sin embargo lo

comparamos con el eléctrico, el híbrido necesita una inversión más de 7

veces superior.

Por tanto, la sustitución de vehículos convencionales por híbridos sin

duda contribuiría a reducir el consumo global de energía y la dependencia

energética de muchos países, eso sí no tanto como la sustitución por

vehículos eléctricos.

5.2.6 Estudio del impacto medioambiental

El vehículo híbrido, como se ha ido comentando combina la propulsión

eléctrica con la de combustión, por lo que estos vehículos reducen

considerablemente las emisiones con respecto a los convencionales.

Generalmente, estas reducciones rondan los valores del 30 o 40 % con

respecto a los de combustión convencionales. Sin embargo, los híbridos

enchufables van un paso más allá, consiguiendo reducciones de hasta el




176

70% de las emisiones locales. Hay que especificar, tal y como se hizo con el

eléctrico, que la energía eléctrica utilizada para cargar las baterías en estos

vehículos produce unas emisiones a la atmosfera cuando es producida.

Este factor, también hay que tenerlo en cuenta, pero aun así el balance

medioambiental sigue siendo más que positivo, reduciéndose todas las

emisiones de contaminantes de una manera considerable.

5.3 Vehículo de hidrógeno


A día de hoy, no hay vehículos de pila de combustible de hidrógeno en el

mercado automovilístico español. A nivel global, hay solo dos modelos de

estos vehículos en producción en serie, el Hyundai Tucson ix35 Fuel Cell que

fue el primero en 2013, y el Toyota Mirai de diciembre 2014, y solo son

comerciables actualmente en algunos mercados.


Como se ha visto en el estudio de mercado, no hay mucha oferta de

vehículos de hidrógeno donde elegir. Para los estudios siguientes, y

comparativas, se ha escogido el Toyota Mirai ya que se trata del modelo

más nuevo, con una tecnología algo más avanzada. A continuación se

muestra su ficha técnica:




177

TOYOTA MIRAI

Motor Motor eléctrico síncrono


Pila de combustible Electrólito de polímero sólido.

370 células en la unidad central

Depósitos de hidrógeno 2 tanques con capacidad total de 5 kg y 122,4 litros

Presión: 700 bar. Tiempo de recarga: 5 minutos

Batería Batería de NiMH. 245 V, 1.6 kWh



Peso MMA 1850 kg


Precio 80.000,00 € (*) (*) Precio estimado cuando llegue a España

Tabla 5.3. Ficha técnica Toyota Mirai





178

5.3.3 Comparativa con las otras alternativas

Si se realiza una comparativa entre las características y prestaciones de

los tres vehículos de tecnologías alternativas a las convencionales, se

observa perfectamente el estado actual de cada tecnología.

Representándolo en una gráfica:

Figura 5.3. Comparativa de características y prestaciones de los vehículos eléctricos, híbridos y de hidrógeno.


Viendo la gráfica comparativa, se puede entender porque muchos

consideran al vehículo de hidrógeno como la evolución del vehículo

eléctrico, pues tiene unas prestaciones muy parejas, o incluso algo

superiores en particular para estos modelos, a la vez que soluciona los

problemas de autonomía y tiempo de recarga de los vehículos eléctricos.

Además, mantiene las cero emisiones locales del eléctrico, y elimina

también el problema del efecto memoria de las baterías de los eléctricos.

Todo esto, manteniendo las ventajas del motor eléctrico, es decir, un

elevado rendimiento, par máximo desde bajas revoluciones, etc. Sin

embargo, presenta a día de hoy dos importantes inconvenientes que le




179

hacen no ser una alternativa real: su elevado precio de adquisición y la

reducida infraestructura de repostaje de hidrógeno.

5.3.4 Estudio del impacto económico, energético y medioambiental

Como se ha comentado anteriormente, este vehículo actualmente no se

encuentra en el mercado, ni este ni ninguno de pila de combustible, por lo

será difícil realizar cualquier tipo de estudio. Por otro lado, el estudio de los

tres impactos están muy relacionados entre sí, desde el punto de vista que

tienen una gran dependencia con la forma de obtención y almacenamiento

del hidrógeno (apartado 4.3) por la que se opte. En este sentido, en la

mayoría de las veces, hay conflictos de interés, pues el método de

producción más económico no es precisamente el más respetuoso con el

medioambiente ni tampoco tiene porque ser el más viable

energéticamente.

En cuanto al estudio económico, el coste inicial con el que parece que

llegará a Europa, unos 80.000 euros, hace que sea difícil ver cómo puede

llegar a salir rentable este vehículo desde el punto de vista económico.

Además, el elevado coste de la obtención del hidrógeno hace que

actualmente el hidrógeno ronde los 12 €/kg en una hidrogenera, o lo que es

lo mismo, para el Toyota Mirai un coste de 12 €/100 km, un precio muy

superior al que pagan los coches de combustión equivalentes, por no hablar

de las cantidades mucho más reducidas que pagan los eléctricos y los

híbridos. Por tanto, actualmente la adquisición de estos vehículos tendrá

que ser por otras razones que no sean la económica, ya que el elevado

precio del hidrógeno encarece aún más el importante sobrecoste inicial de

estos vehículos con respecto a las otras alternativas.

Desde el punto de vista energético, se debe prestar especial atención a

los medios de producción y almacenamiento del hidrógeno, pues por

ejemplo la electrólisis del agua presenta en muchas ocasiones ya de por si

un balance energético negativo. En lo referido al almacenamiento, la

compresión es la mejor opción ya que consume un 15 % de la energía

contenida en el hidrógeno, frente al 30 % que consume el almacenamiento

como hidrógeno líquido, además de un 1 o 2 % extra diarios para mantener

el hidrógeno líquido a esas bajas temperaturas.




180

Por último, el vehículo de hidrógeno se trata de un vehículo de cero

emisiones locales, ya que los únicos reactivos de las pilas de combustible

son la electricidad y agua. Pero igual que sucede con el vehículo eléctrico, se

debe estudiar el proceso completo para ver el verdadero impacto

medioambiental de estos vehículos. En este sentido, vuelve a ser

fundamental el método de obtención del hidrógeno, ya que las emisiones

varían mucho de uno a otro procedimiento. Siendo la mejor opción la

electrólisis del agua, siempre y cuando para toda la energía necesaria se

utilicen fuentes renovables, si no se vuelve al mismo punto de partida.

Por tanto, se puede concluir, tal y como se hizo cuando se analizó desde

el punto de vista técnico los vehículos de hidrógeno, que es fundamental

que se investigue tanto en la obtención del hidrógeno como en su

almacenamiento, ya que el futuro de esta tecnología depende en gran parte

de la capacidad de reducir los costes económicos, e impactos energéticos y

medioambientales en estos procedimientos.

5.4 Modelo de decisión

Tal como se adelantó en apartados anteriores, los estudios económicos

de amortización que se han realizado para los vehículos eléctricos e

híbridos, en los que se analiza un cliente medio, carecen de mucho sentido

sobre todo para el caso del eléctrico. Esto se debe a que su limitada

autonomía y sus elevados tiempos de recarga limitan mucho a día de hoy

los posibles clientes. Es decir, por mucho que un usuario vaya a superar el

número mínimo de kilómetros total para amortizar un eléctrico, existen

otros factores por los que para este usuario puede no ser viable la opción

del eléctrico. Estos factores son por ejemplo, el kilometraje máximo diario

continuado, la frecuencia con la que hacen viajes largos que superen la

autonomía del vehículo o el porcentaje de kilómetros que se hace por

ciudad y por carretera.

Por tanto, es necesario una segmentación en función de las

características de cada usuario, para determinar que alternativa se adapta

mejor a cada usuario, desde el punto de vista económico. Con este objetivo

se ha creado un pequeño modelo de decisión que introduciendo las

condiciones de cada usuario, indica precisamente la mejor opción de las dos




181

alternativas, o si por el contrario la opción de los vehículos de combustión

es más rentable.

5.4.1 Funcionamiento

En este modelo de decisión, implementado en Excel, por un se

introducen todos los datos de los vehículos que se desean comparar, desde

los más básicos como la autonomía eléctrica, el consumo de combustibles,

el precio de adquisición, como otros datos que serán importantes para

poder proceder con el estudio económico, como los caballos fiscales, el

mantenimiento anual o el precio del seguro.

Además como ya se verá, también se contempla la posibilidad de

alquilar un coche de combustión para las vacaciones en caso de que con la

autonomía del vehículo eléctrico no sea suficiente. Este último dato, se

calculará solo una vez que se introduzcan los datos del usuario, ya que está

programado con una ecuación resultante de interpolar los precios de

alquiler en función de los días. En el caso de este proyecto se han rellenado

con los datos de los vehículos que se vienen analizando hasta el momento, y

que serán los que se utilicen para este modelo de decisión.

A continuación se adjunta una captura de pantalla de la parte del

modelo de decisión donde se meten estos datos:




182

Figura 5.2. Captura de pantalla de los datos de los vehículos en el modelo de decisión (Excel) Fuente: E laboración propia.

Una vez que ya se disponen de los datos de los vehículos, lo único

restante es introducir los datos particulares del usuario, que se deberán ir

introduciendo siguiendo las pautas indicadas. Con ello, el modelo calculará

los kilómetros requeridos para la amortización del vehículo, los años para

que tenga lugar esta amortización y la diferencia económica que supondría

haber optado por una u otra opción en los años en los que el usuario tiene

pensado conservar el vehículo elegido. Automáticamente el Excel indicará la

mejor opción de las 4 contempladas, ya sea el vehículo eléctrico, el híbrido

o cualquiera de los modelos de combustión. Esta es una captura de pantalla

de esta segunda parte del modelo de decisión, en la que los errores son

debidos a que hay datos introducidos:




183

Figura 5.3. Captura de pantalla de los cálculos y resultados en el modelo de decisión (Excel) Fuente: E laboración propia.

5.4.2 Análisis de casos reales

Se utilizará el modelo de decisión para analizar casos reales de usuarios,

con diferentes características y necesidades, de forma que se puedan sacar

conclusiones de cuando conviene optar por un vehículo u otro, desde el

punto de vista económico.




184

Caso 1

Se trata de un usuario que vive en un piso en el centro de ciudad, no

dispone de plaza de garaje por lo que aparca su vehículo en la calle. Va a

trabajar todos los días en coche, estando su trabajo en ciudad, por lo que el

uso del coche es mayoritariamente urbano, con un uso ocasional

extraurbano. Veranea tres semanas en la playa, situada a 400 km de su

ciudad, donde necesita un coche para moverse. Sin embargo, no le

importaría alquilar coche durante verano si así fuese más económico.

Recorre 10.000 km al año, y pretende conservar el coche durante por lo

menos 8 años.

Figura 5.4. Captura de pantalla de los cálculos y resultados en el modelo de decisión para el caso 1 Fuente: E laboración propia.




185

Como se puede observar para este usuario, la mejor opción es optar por

el vehículo híbrido, no solo eso, sino que al finalizar los 8 años que como

mínimo desea tener el coche se habrá ahorrado 3380,26 € que de otra

forma se habría gastado en este periodo con el vehículo diésel equivalente,

y 5811,69 € con respecto al gasolina.

En cuanto al eléctrico, este nunca podría haber sido una opción pues al

no disponer de plaza de garaje, ya que tendría que estar recurriendo

continuamente a puntos de recarga públicos, por lo que realmente el

vehículo eléctrico es inviable. Aun considerando que la opción del eléctrico

es viable en ese sentido, las vacaciones de tres semanas en la playa, donde

necesitaría alquilar un vehículo inducen un sobrecoste más que importante

de unos 1800 euros al año. Esto provoca que el vehículo eléctrico no este ni

cerca de amortizarse en esos 8 años para ninguno de los modelos de

combustión, necesitando por ejemplo casi 29 años para realizar los

288692,68 km necesarios para amortizarlo con respecto al diésel, al ritmo

estimado de 10.000 km anuales.

Caso 2

Usuario que reside en un chalet en ciudad, y por lo tanto dispone de un

garaje donde instalar un punto de recarga. Trabaja en las afueras de la

ciudad, y dispone de otro coche para viajar. Realiza un total de 17.000 km al

año, y desea que el vehículo le dure un total de 15 años.




186


En este caso, la mejor opción es el eléctrico, ya que el usuario cumple

todos los requisitos para ello. Por un lado realiza un kilometraje diario

continuo menor que la autonomía, por otro dispone de otro vehículo para

viajar en verano, por lo que tener el eléctrico no supondría ningún

sobrecoste en este sentido, y además dispone de plaza de garaje donde

recargarlo. El único problema que podría dar es que desea mantener el

vehículo durante 15 años, que pueden ser muchos según la vida útil actual

de las baterías.




187

En total, con esta decisión de optar por el eléctrico se ahorraría en los

15 años que quiere tener el vehículo 3779,77 € con respecto al diésel

equivalente, y 5770,47 € con respecto al gasolina. Además si comparamos

con el híbrido, al optar por el eléctrico estaría ahorrando 9527,11 € en 15

años.

Sin embargo hay que recordar que se está comparando coches bien

diferentes, por un lado comparamos el eléctrico e-Golf de unos 115 CV con

los modelos de gasolina y diésel de potencia y prestaciones más o menos

equivalentes, mientras que al compararlo con el Golf GTE, se está

comparando con un coche de casi el doble de potencia y con unas

prestaciones muy superiores a él en todos los aspectos. Por lo que está

diferencia económica no es del todo real.

Caso 3

Un usuario vive en la ciudad, y dispone de plaza de garaje. Va a trabajar

fuera de la ciudad, y en invierno todos los fines de semana que puede, sube

en coche a esquiar a los Pirineos, que están a unos 300 km de su casa. Se

trata de un conductor que por tanto le hace muchos kilómetros al año al

coche, en torno a 30.000 km, y que desea cambiarlo a los 4 años.




188


En este caso, no existe la posibilidad de vehículo eléctrico ya que por

mucho que el usuario disponga de garaje, y realice menos kilómetros diarios

sin interrupción, el hecho de que haga viajes largos todos los fines de

semana, hace que el coche eléctrico no sea una opción. En cuanto a la

mejor opción, en este caso es el híbrido, que se amortizaría en tan solo

52.541,99 km o lo que es lo mismo 1,8 años haciendo sus 30.000 km al año

con respecto al gasolina, y 73.992,91 km o 2,5 años respecto al diésel

equivalente.




189

Caso 4

Una empresa de tratamientos de agua a nivel nacional, centralizada en

Madrid, dispone de un vehículo que utilizan sus empleados prácticamente

todas las semanas para realizar visitas de obra. En total el vehículo realiza

unos 35.000 km al año, como se puede imaginar, prácticamente la totalidad

de ellos por carretera. La empresa desea mantener el coche por lo menos 8

años.





190

En este caso resulta todavía más evidente que en el anterior, que la

mejor opción es el híbrido, debido a que el vehículo sería principalmente

utilizado para viajes largos, donde la autonomía del eléctrico es todavía muy

reducida, y el tiempo de recarga muy elevado para poder realizar viajes con

él. Por otro lado este elevado kilometraje anual, hace que los ahorros en

combustible anuales del vehículo híbrido sean muy altos en comparación

con los de combustión, lo que hace que el híbrido goce de unos tiempos de

amortización muy reducidos.

Con esta apuesta por el híbrido, la empresa se ahorraría los 5.334,95 €

que se hubiese gastado en el diésel, o los 11916,43 € en el gasolina, al

finalizar los 8 años que desea mantener el coche.

Caso 5

Por último, se analizará la situación de un taxista de una gran ciudad,

que realiza una media de 400 km al día, durante 6 días a la semana, esto es,

un total de unos 120.000 km al año. Además, a pesar del elevado número

de kilómetros anuales, el taxista quiere prolongar la vida de su coche hasta

los 8 años como poco. Por otro lado, el taxista podría disponer de punto de

recarga en su plaza de garaje, si fuese necesario. Además el taxista, cansado

de conducir todo el año no utiliza su coche para irse de vacaciones.




191


Para el caso del taxista, este estudio tiene especial importancia, dado

que el número de kilómetros es tan elevado. Como se puede ver en los

cálculos y resultados del modelo de decisión, lo mejor a día de hoy para los

taxistas es optar por los vehículos híbridos, sin ir más lejos, una prueba de

ello es la gran cantidad de Prius que hay en la flota de taxis de Madrid.

Observando los resultados, se concluye que los taxistas que opten por un

vehículo híbrido ganarán 33831,47 € más en 8 años que los que hayan

optado por un modelo diésel, y 73436,56 € más que los que hayan optado

por el gasolina.




192

El eléctrico es todavía no es una opción debido a que una vez que se

agote la autonomía no pueden estar esperando horas y horas hasta que

carguen de nuevo, ya que dejarían de ganar dinero en una buena parte del

día. La recarga rápida en este sentido vendría bien, ya que le permitiría a los

taxistas recuperar gran parte de la energía en unos pocos minutos, sin

embargo, como ya se comentó, la recarga rápida debe usarse de manera

muy puntual ya que reduce considerablemente la vida útil de las baterías.

De esta forma, hasta que se mejoren una de dos, la autonomía o los

tiempos de carga, los eléctricos no serán una opción real para taxistas de

grandes ciudades.

En concreto, el caso del taxista tiene especial interés no solo en lo

económico ya que, con la gran cantidad de kilómetros que hacen al año y en

ciudad, y teniendo en cuenta todos los taxistas que hay, pueden tener un

gran impacto a la hora de reducir la contaminación en las ciudades. Además

de por supuesto contribuir a reducir la dependencia energética de muchos

países.

Comparativa casos y conclusiones

Estudiando todos los casos analizados, resulta lo que ya se había

comentado, el eléctrico a día de hoy tiene un mercado muy limitado. Esto

se debe, a que tiene dos factores limitantes muy importantes: la autonomía

y el tiempo de recarga. Por un lado tiene una autonomía muy limitada, lo

que imposibilita viajes largos por carretera. Siempre cabe la posibilidad,

siempre que no se traten de viajes muy frecuentes, de realizarlos por

medios alternativos, alquilando coche ahí si fuese necesario. Esta modalidad

sin embargo tiene un sobrecoste altísimo en cuanto tengas que alquilar

unos cuantos días, dificultando seriamente la amortización de estos

vehículos frente a los de combustión y al resto de alternativas. El otro factor

limitante más destacado es el tiempo de recarga, muy relacionado con lo

comentado anteriormente, imposibilita más aun los desplazamientos largos,

pues si aunque se tuviese una autonomía corta se recargasen las baterías en

pocos minutos, todavía se podría viajar. Además para poder plantearse la

adquisición de un vehículo eléctrico se tiene que tener una plaza de garaje

que tenga la posibilidad de instalar un punto de recarga, pues de otra forma

es inviable.




193

Por tanto, para que sea posible y rentable la compra de uno de estos

vehículos, el usuario tiene que cumplir unas características mínimas

bastante restrictivas. Estas son las siguientes: el desplazamiento máximo

diario y sin interrupción tiene que ser menor que la autonomía máxima del

vehículo, el usuario debe disponer de otro vehículo cuando desee hacer

trayectos largos, o utilizar medios alternativos con el posible sobrecoste de

estos. El usuario deberá disponer también de un lugar donde instalar un

punto de recarga, y por último el usuario debe realizar un kilometraje anual

elevado, y durante un numero considerablemente alto de años para que sea

posible su amortización. Si no cumple cualquiera de estos factores, el

vehículo eléctrico no puede ser considerado como una opción.

Por otro lado, el vehículo híbrido es más flexible, pues no depende

únicamente de la propulsión eléctrica, y tiene un sobrecoste inicial mucho

menor que el eléctrico, lo que facilita mucho la amortización de estos

vehículos, si bien es cierto que tampoco gozan de tantas ventajas

económicas como los eléctricos. Además, los híbridos enchufables tienen la

ventaja de poder funcionar los primeros kilómetros únicamente en

funcionamiento eléctrico. Así estos vehículos son perfectos para aquellos

usuarios que recorran diariamente una distancia inferior a esa autonomía

eléctrica inicial, pero que también usen el vehículo para largos viajes,

disponiendo de autonomías combinadas a la altura de los vehículos

convencionales.

Según el estudio realizado, a día de hoy es muy difícil que

económicamente salgan rentables los vehículos de combustión, solo

resultando en casos muy particulares en los que se realicen muy pocos

kilómetros al año y se cambie de vehículo rápidamente, no dando tiempo al

ahorro de combustible, mantenimiento, seguro, etc. a amortizar los

vehículos eléctricos o híbridos.




194


Alternativas al Automóvil Convencional – Estudios Futuros

195

6. Estudios futuros

Tras realizar el análisis del impacto económico, energético y

medioambiental de las tecnologías híbrida y eléctrica frente a las

convencionales, ambas se presentan como una seria alternativa frente al

petróleo. Esta fuente ha sido utilizada principalmente en el mundo de la

automoción durante más de un siglo, y parece que, durante los últimos

años, más fabricantes y clientes vislumbran en estas tecnologías alternativas

el futuro de la automoción y el transporte.

Como se analizará más a fondo en las conclusiones, tecnologías híbrida y

eléctrica ofrecen periodos de amortización no muy elevados dando

viabilidad económica a los vehículos. Sin embargo, existen una serie de

impedimentos técnicos que hacen que ambas tecnologías, pero sobretodo

la eléctrica, no se hayan terminado de imponer en el mercado.

El primer impedimento siempre han sido las baterías, elementos muy

pesados y cuya duración y tiempos de recarga dejan mucho que desear. Por

otro lado, la infraestructura asociada a la recarga de los vehículos eléctricos

o híbridos enchufables es muy limitada. Por último, los vehículos híbridos y

eléctricos tienen bajas prestaciones dinámicas a favor de un impacto

medioambiental bajo. Aquellos vehículos con prestaciones dinámicas

elevadas cuentan con precios de partida muy elevados.

Por tanto, como posibles estudios futuros se proponen los siguientes; en

primer lugar, la mejora de las baterías y tiempos de recarga. A continuación,

la mejora de la infraestructura y recarga, siendo las baterías intercambiables

una seria opción. Por último, un cambio en el mercado que tenga más en

cuenta las prestaciones, acaparando el público que busca más que la

eficiencia.

6.1 Baterías

Las baterías son el elemento principal en este tipo de vehículos a

estudiar, almacenando la energía que posteriormente será convertida en

trabajo mecánico. Sin embargo, tanto la densidad de carga de las mismas

como su precio siempre han sido su principal hándicap.



196

En la Figura 6.1 se puede observar como el precio ha ido descendiendo

con el avance de la tecnología y de los años. Y aunque sigue siendo un

desembolso elevado, no conforma la desventaja principal de las mismas,

que es la densidad de carga.

Figura 6.1. Evolución del precio de las baterías de ion-Litio de los coches Fuente: Journal ist’ s Resource. E lectr ic vehicles, battery technology and renewable energy:

Research roundup.

La densidad de carga determina, principalmente, la posible autonomía

eléctrica que tendrá el vehículo en cuestión. Por tanto, si se mejora este

parámetro, se mejorará enormemente la posibilidad de imponer estas

tecnologías a las alternativas.

De este modo, las baterías basadas en el grafeno se muestran como el

camino principal de investigación y principal estudio futuro de este

proyecto. Para ello se sustituyen las baterías convencionales por

supercondensadores de grafeno, el cual almacena la energía en forma de

electricidad estática. Al evitar que la carga se genere a partir de reacciones

físico – químicas, siendo generada a partir de variaciones de la electricidad

estática, los tiempos de recarga se reducen drásticamente. Otra ventaja del

grafeno es su mayor energía específica, por lo que con el mismo peso con

respecto a las baterías convencionales, se podría obtener mayor cantidad

de energía, que se traduce en mayor autonomía.

Por tanto, y como se dijo anteriormente, los principales problemas

asociados a las baterías convencionales son la autonomía y tiempos de



197

recarga. De esta forma, el grafeno se presenta como el gran avance que

hará que ambos hándicaps desaparezcan, llegando a mejorar las

prestaciones de los vehículos convencionales.

Gracias al grafeno, los investigadores son optimistas y aseguran tiempos

de recarga en torno a los 4 minutos, mientras que Volkswagen es optimista

y asegura autonomías de 600 km para el año 2020. Por tanto, la línea

principal de investigación y futuros estudios se encuentra en el grafeno

siendo descrito en este apartado relacionado con las baterías.

6.2 Infraestructura de recarga. Baterías intercambiables

Como se ha visto en el apartado anterior, el grafeno se presenta como el

futuro de los vehículos basados en la tecnología eléctrica. Sin embargo, más

a corto plazo se debe seguir lidiando con los altos tiempos de recarga de las

baterías convencionales y la deficiente infraestructura asociada a estas

recargas.

En primer lugar, en la Figura 6.2 se puede observar una zona del mapa

de las estaciones de recarga de vehículos eléctricos. Si se desea hacer un

viaje al litoral sur por la A-4, y sin desviarse por el camino, se deberían

recorrer aproximadamente 330 km desde Madrid, valor mucho más elevado

que la autonomía de la mayor parte de los eléctricos. Los modelos de Tesla

tienen elevadas autonomías, pero dichos modelos cuentan con precios

prohibitivos para prácticamente la mayor parte de la población.

Por tanto, y como se debe diseñar una infraestructura para la mayor

parte del parque móvil, habría que aumentar y construir puntos de recarga

en las principales vías de desplazamiento de ámbito nacional, esto son, las

autopistas nacionales y peajes. De esta forma, se propone como otro

posible estudio futuro un nuevo estudio técnico económico para ampliar la

red nacional de puntos de recarga así como un abaratamiento de los

dispositivos de carga rápida.



198

Figura 6.2. Mapa de las estaciones de recarga en la zona al sur de Madrid Fuente: E lectromaps

Dentro de los tres tipos de cargadores se encuentran el de recarga

convencional, carga semi-rápida y carga rápida, con tiempos de recarga de

aproximadamente 8, 4 horas y 15 minutos (60% carga) respectivamente.

Este último tipo se postula como algo que puede hacer viable los

“repostajes” con un tiempo de espera prudencial, sin embargo, su precio y

elevadísima potencia consumida lo hacen inviable.

Por tanto, como posible estudio futuro se propone el diseño de una

estación de recarga rápida con un consumo eléctrico e inversión

económicas moderadas, que permitan la ampliación de la red eléctrica de

recarga de vehículos.

Por último en cuanto a la infraestructura de recarga, el intercambio de

baterías se presenta como una seria opción. La idea es generar una

infraestructura de estaciones de intercambio, como las estaciones de

servicio y gasolineras en los vehículos convencionales, que mediante un

rápido cambio en las baterías permitiera a vehículo continuar con su

trayecto. En este punto son dos los inconvenientes principales. El primero

es la universalización de los sistemas de baterías en todos los vehículos,

permitiendo que solo exista un tamaño de las mismas. Por otro lado, la

enorme inversión en infraestructura eléctrica que requieren puntos de

recarga donde se recargan tal cantidad de baterías. De esta forma, el



199

posible estudio futuro es el estudio técnico y económico para comprobar la

viabilidad de normalizar las baterías a todos los vehículos, para poder llevar

a cabo el intercambio en diversas estaciones de recarga.

6.3 Mejora en las prestaciones dinámicas

Existe una parte de la clientela automovilística que, aparte de buscar

eficiencia económica, también busca que el vehículo tenga un

comportamiento dinámico deportivo.

El principal problema de esto es que, a mayores prestaciones, menor

autonomía eléctrica o mayor consumo de combustible en el caso de los

híbridos.

De esta forma, como último estudio futuro, pero no menos importante,

es el desarrollo de un estudio técnico y económico de mejorar las

prestaciones dinámicas de los vehículos así como un estudio del mercado,

de manera que dichas mejoras abarquen un mayor público que el existente

actualmente.



200


Alternativas al Automóvil Convencional – Conclusiones

201

7. Conclusiones

Los resultados obtenidos son en todos los sentidos positivos en cuanto a

las alternativas eléctrica e híbrida. Desde el punto de vista económico,

ambos requieren periodos de amortización no muy elevados dando

viabilidad económica a estos vehículos. Sin embargo, existen una serie de

impedimentos técnicos que hacen que ambas tecnologías, pero sobretodo

la eléctrica, no se hayan terminado de imponer en el mercado. Estos están

principalmente en las baterías, que con sus reducidas autonomías y

elevados tiempos de recarga, hacen que los vehículos eléctricos estén

destinados a día de hoy a un sector del mercado bastante específico. Estos

usuarios, además de no utilizar el vehículo para viajes largos, su recorrido

diario continuado debe ser menor que la autonomía del vehículo, y además

debe tener una plaza de garaje donde pueda instalar un punto de recarga.

En lo referido al estudio del impacto energético, los vehículos eléctricos

para recorrer cada kilómetro requieren una inversión energética mucho

menor que los de combustión y las otras alternativas. En concreto para los

modelos estudiados, para cada kilómetro el eléctrico requiere una energía

unas 7, 18 y 21 veces menor que la requerida para cada kilómetro de los

vehículos híbridos, diésel y gasolina respectivamente. En cuanto al híbrido,

sigue aportando una reducción energética importante con respecto a los

modelos de combustión, aun siendo bastante inferior a la del eléctrico.

Por el lado medioambiental, los eléctricos e híbridos vuelven a aportar

una mejora considerable, aun considerando las emisiones producidas por la

generación de la electricidad utilizada. En este sentido, destacan sobretodo

en la reducción de las emisiones locales, o su eliminación en el caso de los

eléctricos, siendo estas las más importantes pues son emitidas en la ciudad,

donde las consecuencias son mayores. Mientras que por otro lado, las

emisiones producidas para la generación de la electricidad se produce

precisamente donde estén esas fuentes, generalmente alejadas de las

grandes ciudades.

En cuanto a los vehículos de hidrógeno, la falta de datos en el sector

automovilístico hace que no se haya podido evaluar por completo esta

tecnología. No obstante, todo apunta a que se trata de una evolución del

vehículo eléctrico, pues tiene unas prestaciones muy parejas, o incluso algo

superiores en particular para estos modelos, a la vez que soluciona los

problemas de autonomía y tiempo de recarga de los vehículos eléctricos.


Alternativas al Automóvil Convencional – Conclusiones

202

Además, mantiene las cero emisiones locales del eléctrico, y elimina

también el problema del efecto memoria de las baterías de los eléctricos.

Todo esto, manteniendo las ventajas del motor eléctrico, es decir, un

elevado rendimiento, par máximo desde bajas revoluciones, etc. Sin

embargo, presenta a día de hoy dos importantes inconvenientes que le

hacen no ser una alternativa real: su elevado precio de adquisición y la

reducida infraestructura de repostaje de hidrógeno.

Por otro lado, esta alternativa tiene una gran dependencia con la forma

de obtención y almacenamiento del hidrógeno por la que se opte. En este

sentido, en la mayoría de las veces, hay conflictos de interés, pues el

método de producción más económico no es precisamente el más

respetuoso con el medioambiente ni tampoco tiene porque ser el más

viable energéticamente. Y es precisamente en este ámbito donde se deben

centrar las investigaciones para que el vehículo de hidrógeno resulte más

económico, y con menores impactos energético y medioambiental.


Alternativas al Automóvil Convencional – Referencias

203

8. Referencias

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Del libro: El hidrógeno: metodologías de producción. José Luis G.

Fierro. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC)

Del libro: Avances de ingeniería. El hidrógeno y la energía. José

Ignacio Linares Hurtado y Beatriz Yolanda Moratilla Soria.

alternativas al automÓvil convencional · en resumen, hoy en día, parece que se está a punto de...

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