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126 de julio de 2010
El vehículo eléctrico desde el punto El vehículo eléctrico desde el punto de vista energéticode vista energético
Jesús Palma del Val Investigador Senior
Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Energía - IMDEA Energía
226 de julio de 2010
Índice
1.Introducción
2.Impacto energético
3.Eficiencia energética
4.Almacenamiento de energía
5.Estado de la tecnología y tendencias
6.Conclusiones y perspectivas de
futuro
326 de julio de 2010
Valoración del interés actual por el vehículo eléctrico y la electrificación del transporte por carretera.
1. Introducción
426 de julio de 2010
1. Introducción
• Reducción dependencia del petróleo• Reducción emisiones CO2• Reducción emisiones gases contaminantes• Reducción contaminación acústica
¿El vehículo eléctrico es una moda pasajera?
• El transporte supone el 39,35% del consumo de energía final• El 98,8%de la energía consumida en el transporte procede del petróleo• El transporte supone el 29,4%del total de emisiones de CO2
526 de julio de 2010
• 1831: Invención del motor eléctrico • 1842: Primeros modelos eléctricos útiles• 1859: Invención de la batería de plomo recargable• 1899: El 90% de los taxis de Nueva York son eléctricos • 1900: Se venden más coches eléctricos que de gasolina y vapor juntos
1900 1910 1951 20101997
El vehículo eléctrico no es un invento reciente
1. Introducción
• 1915: Comienza a imponerse el motor de combustión interna• 1935: El vehículo eléctrico prácticamente desaparece• 1973: La crisis del petróleo reabre el interés por los vehículos eléctricos• 1990-2000: Normas y acuerdos sobre reducción de emisiones de CO2
• 2000-2010: Las principales marcas lanzan modelos híbridos y eléctricos
626 de julio de 2010
Comentarios sobre el impacto del vehículo eléctrico en la generación transporte y distribución de electricidad
2. Impacto energético
726 de julio de 2010
2. Impacto energético
¿Qué novedades presenta la situación actual?
• Excedente eléctrico de origen renovable• Alta contribución de generación renovable
• La dependencia energética española en 2008 fue del 81%, superior a la media europea del 50%
• La producción de energías renovables representó en 2009 el 26%de la producción total de electricidad
• La tasa de emisiones del sector eléctrico fue de 279 g CO2 / kWh en 2009
En España
826 de julio de 2010
Necesidades red eléctrica
• Almacenamiento electricidad• Aprovechamiento de excedentes
renovables• Suavizado de picos y valles de
demanda
Oportunidad para el la introducción masiva del vehículo eléctrico
J. Tollefson - Nature 456 (2008) 436-440
2. Impacto energético
926 de julio de 2010
Previsión de vertidos renovables 2016
• De 1.000 a 2.000 GWh/año según escenario• Energía para 350.000 – 700.000 vehículos eléctricos
Parque vehículos en España
• 28 millones de vehículos en 2010• Electrificación consumiría 80 TWh• Aumento del 30% sobre consumo
eléctrico actual
Vehículos eléctricos en España
• 1 millón de vehículos eléctricos en 2014 (previsión Ministro Industria)• Consumo estimado de 3 TWh• Aumento del 1% sobre el consumo actual
2. Impacto energético
1026 de julio de 2010
Impact on electricity demand
Fuente: https://demanda.ree.es/comparativa_curvas.html
Curva diaria de demanda
• Demanda inferior a la media 8 horas/día• Importante diferencia de demanda entre picos y valle• Capacidad excedente debido a las renovables
2. Impacto energético
1126 de julio de 2010
Gestión inteligente de la demanda
24.000
26.000
28.000
30.000
32.000
34.000
36.000
38.000
40.000
42.000
44.000
46.000
48.000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Hora
Dem
and
a (M
W)
• Llenado de valles hasta alcanzar consumo medio permite aumento del 7,5%• Electricidad para 6,8 millones vehículos (24% del parque actual)• No son necesarias inversiones significativas en la red
Fuente: https://demanda.ree.es/comparativa_curvas.html
24.000
26.000
28.000
30.000
32.000
34.000
36.000
38.000
40.000
42.000
44.000
46.000
48.000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Hora
Dem
and
a (M
W)
2. Impacto energético
1226 de julio de 2010
24.000
26.000
28.000
30.000
32.000
34.000
36.000
38.000
40.000
42.000
44.000
46.000
48.000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Hora
Dem
and
a (M
W)
Source: https://demanda.ree.es/comparativa_curvas.html
24.000
26.000
28.000
30.000
32.000
34.000
36.000
38.000
40.000
42.000
44.000
46.000
48.000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Hora
Dem
and
a (M
W)
•Llenado de valles hasta alcanzar el consumo pico permite aumento del 18%•Electricidad para 16 millones vehículos (57% de parque actual)•Necesario almacenamiento masivo de energía y TICs para gestión inteligente
2. Impacto energético
Gestión inteligente de la demanda
1326 de julio de 2010
3. Eficiencia energética
Consideraciones acerca de la eficiencia energética de los vehículos eléctricos, con especial atención a la influencia del peso.
1426 de julio de 2010
3. Eficiencia energética
Mejora de la eficiencia energética
• Cambios en los modos de conducción• Mayor eficiencia de los componentes• Reducción de peso
1526 de julio de 2010
3. Eficiencia energética
Componentes más eficientes
• Reducción del coeficiente aerodinámico• Reducción de la fricción de rodadura• Frenado regenerativo• Transmisión variable continua• Aumento de la tensión del sistema eléctrico• Motor de combustión a potencia constante (híbridos)
1626 de julio de 2010
3. Eficiencia energética
Subaru R1e “switch”, 870 kgprototipo 2006
Mitsubishi Colt electric, 1‘150 kgprototipo 2006
VW Lupo 3l(diesel): 900 kg
Consumo = 0.015 · Peso + 3.23(kWh/100km) (kg)
Reducción de peso del vehículo
1726 de julio de 2010
3. Eficiencia energética
Peso (kg)
Consumo (kWh/100km)
Batería (kg)
Autonomía (km)
1500 25 150 100
1000 18 150 135
500 11 150 220
Peso (kg)
Consumo (kWh/100km)
Batería (kg)
Autonomía (km)
1500 25 235 150
1000 18 170 150
500 11 100 150
• Baterías almacenan poca energía (< 160 Wh/kg)
• Modelos ultraligeros de autonomía normal
• Modelos convencionales de baja autonomía
Reducción de peso de la batería
1826 de julio de 2010
4. Almacenamiento de energía
Análisis de las dificultades para almacenar la energía que necesita el vehículo eléctrico y de las alternativas tecnológicas actuales
1926 de julio de 2010
Calculation bases - vehicles
A. Ceña, J. Santamarta – Energías Renovables, Jun. 2008, 66-80
4. Almacenamiento de energía
Vehículo con motor de combustión interna
•Consumo 43 kWh/100 km 5 L/100 km •Combustible (gasoil) 12.7 kWh/kg 8.7 kWh/L•Autonomía 1000 km para un tanque de 50 L
Vehículo eléctrico
•Consumo medio 20 kWh/100 km
2026 de julio de 2010
Storage Technologies
Tipo de almacenador Peso (kg)
Gasoil 34
Li-aire 118
Al-aire 133
Zn-aire 550
Li-ion 1.250
Ni-hidruros 2.220
Pb-acido 5.700
Supercondensador 22.000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000W
eig
ht
(kg
)
Diesel Li-ion Ni-MeH Pb-acid SC
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
We
igh
t (k
g)
Diesel Li-air Al-air Zn-air Li-ion
Autonomía equivalente a la de un depóstio de 50 L de gasoil (1000 km)
4. Almacenamiento de energía
2126 de julio de 2010
Tipo almacenador Autonomía (km)
Gasoil 1000
Li-aire 288
Al-aire 255
Zn-aire 62
Li-ion 27
Ni-hydruros 15
Pb-acido 6
Supercondensador 1,7
Peso equivalente al de un depósito de 50 L de gasoil (34 kg)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Ran
ge
(km
)
Diesel Li-air Al-air Zn-air Li-ion
0
5
10
15
20
25
30
Ran
ge (k
m)
Li-ion Ni-MeH Pb-acid SC
4. Almacenamiento de energía
2226 de julio de 2010
¿Hay tecnologías de almacenamiento adecuadas?
V. Srinivasan, 2008
•No para los vehículos eléctricos•Sí para los requisitos de los vehículos híbridos
4. Almacenamiento de energía
2326 de julio de 2010
4. Almacenamiento de energía
Recorridos diarios < 100 km: 90%Recorridos diarios < 50 km: 68%
Recorridos diarios < 150 km: 92%Recorridos diarios < 100 km: 82%Recorridos diarios < 50 km: 58%
Estados Unidos Europa
Las soluciones actuales
•Vehículos eléctricos con autonomía limitada a 100 – 150 km•Para trayectos superiores vehículos híbridos
2426 de julio de 2010
Motor combustión
Frenado regenerativo
Motor eléctrico
Batería
Combustible
MCI
Batería
Batería
Frenado regenerativo
Frenado regenerativo
Motor eléctrico
Motor eléctrico
Combustible
Frenado regenerativo
Hidrógeno
Pila combustible
Batería
La gran familia de los híbridos
•Parada-aranque: Motor eléctrico para arrancar el motor de combustión•Ligeros: Motor eléctrico suministra potencia extra al de combustión •Paralelo: Combinación de motor eléctrico y de combustión más
adecuada•Serie: El motor de combustión se usa para recargar la batería•Enchufables: La batería se recarga con una conexión externa a red.
Motor eléctrico
HEV PHEV FCEV BEV
4. Almacenamiento de energía
2526 de julio de 2010
Evolución de las diferentes tecnologías
4. Almacenamiento de energía
2626 de julio de 2010
5. Estado de la tecnología
Resumen del estado actual de las tecnologías de almacenamiento de energía y de la tendencias en I+D
2726 de julio de 2010J. Tollefson. Nature 456 (2008) 436-440
5. Estado de la tecnología
2826 de julio de 2010
Objetivos baterías Litio-ión
•Aumentar energía por unidad de volumen o peso (200 Wh/kg)•Acortar tiempo de carga sin reducir tiempo de vida útil•Reducir costes•Mejorar Seguridad •Aumentar fiabilidad
2010 2015 2020
Energía (Wh/kg) 100 150 200
Coste (€/kWh) 500 300 150
Ciclos 1.500 3.000 5.000
Duración (años) 5 10 15
Autonomía (km) 100 150 200
5. Estado de la tecnología
2926 de julio de 2010
B. Kang & G. Ceder. Nature 458 (2009)190
http://www.a123systems.com/a123/technology/power
Recarga rápida
•Sistemas basados en nanopartículas de LiFePO4•A123: dispositivos comerciales que se recargan en < 15 min•MIT: pruebas de laboratorio de carga y descarga en segundos
5. Estado de la tecnología
3026 de julio de 2010
Li-ion battery
P. Poizot et al. Nature 407 (2000) 496-499
K. Amine and Z. Chen, ANL, ref. NYT August 24, 2009STOBA by ITRI, Taiwan
Ampliación del tiempo de vida
•Sistemas nanométricos de óxidos metálicos en lugar de carbón•Menores tensiones por cambios de volumen•Mayor estabilidad en ciclos de carga y descarga
Mejora de la seguridad
•Materiales de barrera que forman películas protectoras a T> 130ºC•Sumideros de electrones de fluoruro de boro en caso de
sobretensión
5. Estado de la tecnología
3126 de julio de 2010
¿Que pasa con el Litio?
Fuente: Nature 464 (2010) 331
En contra
Reservas en muy pocos países, Bolivia, Afganistán, Chile…Reciclado poco desarrollado
5. Estado de la tecnología
A favor
Contenido muy bajo (1/8 del Co o Mn)Abundancia relativa media (1/2 del Co)Abundancia relativa mayor que Pb, Sn, In, Ge…
3226 de julio de 2010
Baterías metal-aire
Li-ión Zn-aire Al-aire Li-aire
Energía específica (Wh/kg) 200 350 1.500 1.700
5. Estado de la tecnología
Más allá del Litio-ión
3326 de julio de 2010
Recarga eléctrica
Electrolitos estables a potenciales muy reductoresElectrodo de aire estable en entorno fuertemente oxidante
Potencia específica
Ayudas a la reacción del electrodo de aire en la descargaEvitar la migración de O2 y agua hacia el electrodo metálicoCatalizadores para la reacción de oxígenoEvitar la pasivación del electrodo metálico
5. Estado de la tecnología
Más allá del Litio-ión: Baterías metal-aire
3426 de julio de 2010
Objetivos pilas de combustible
•Ampliar autonomía (almacenamiento de hidrógeno)•Ampliar tiempo de vida útil•Reducir costes•Mejorar Seguridad •Aumentar fiabilidad
2010 2015 2020Contenido Pt
(mg/kW)1000 300 100
Duración (años) 5 10 15
Autonomía (km) 300 500 700
5. Estado de la tecnología
Más allá del Litio-ión: Pilas de combustible
3526 de julio de 2010
Almacenamiento de hidrógeno
•Hidrógeno a 700 atm. en depósitos resistentes y ligeros (fibra de carbono)
•Sistemas de almacenamiento químico (hidruros)•Sistemas de almacenamiento físico (MOFs)
5. Estado de la tecnología
J. Tollefson. Nature 464 (2010) 1262-1264
Más allá del Litio-ión: Pilas de combustible
3626 de julio de 2010
6. Conclusiones
Conclusiones y perspectivas de futuro.
3726 de julio de 2010
6. Conclusiones
Tecnología
•El vehículo eléctrico es una oportunidad para el sistema eléctrico actual
•La tecnología actual está lista para los vehículos híbridos
•El vehículo eléctrico puro tiene su punto débil en la batería
•Las baterías del futuro dependen de los avances en CyT de materiales
3826 de julio de 2010
6. Conclusiones
Medio Ambiente
•El vehículo híbrido reduciría las emisiones de CO2 un 25% (100 g/km)
•Con el mix actual de generación, el vehículo eléctrico reduciría las
emisiones de CO2 un 60% (55 g/km)
•El vehículo eléctrico alimentado a partir de renovables reduciría las
emisiones de CO2 un 98% (3 g/km)
M .de la Guradia. Nissan Iberia 2010
3926 de julio de 2010
6. Conclusiones
Mercado
•La fuerza impulsora del vehículo eléctrico es la generación renovable•El vehículo eléctrico es una oportunidad para el sistema eléctrico actual•La infraestrucutra eléctrica actual puede absober 6,8 M de vehículos•Los vehículos eléctricos e híbridos podrían dominar el mercado en 2030