El vehículo eléctrico desde el punto de vista energético

3,576 views

Published on

Jesús Palma del Val - Investigador Senior de IMDEA Energía

El vehículo eléctrico desde el punto de vista energético

  1. 1. El vehículo eléctrico desde el punto de vista energético Jesús Palma del Val Investigador Senior Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Energía - IMDEA Energía
  2. 2. Índice <ul><li>Introducción </li></ul><ul><li>Impacto energético </li></ul><ul><li>Eficiencia energética </li></ul><ul><li>Almacenamiento de energía </li></ul><ul><li>Estado de la tecnología y tendencias </li></ul><ul><li>Conclusiones y perspectivas de futuro </li></ul>
  3. 3. Valoración del interés actual por el vehículo eléctrico y la electrificación del transporte por carretera. 1. Introducción
  4. 4. 1. Introducción <ul><li>Reducción dependencia del petróleo </li></ul><ul><li>Reducción emisiones CO2 </li></ul><ul><li>Reducción emisiones gases contaminantes </li></ul><ul><li>Reducción contaminación acústica </li></ul>¿El vehículo eléctrico es una moda pasajera? <ul><li>El transporte supone el 39,35% del consumo de energía final </li></ul><ul><li>El 98,8%de la energía consumida en el transporte procede del petróleo </li></ul><ul><li>El transporte supone el 29,4%del total de emisiones de CO 2 </li></ul>
  5. 5. <ul><li>1831: Invención del motor eléctrico </li></ul><ul><li>1842: Primeros modelos eléctricos útiles </li></ul><ul><li>1859: Invención de la batería de plomo recargable </li></ul><ul><li>1899: El 90% de los taxis de Nueva York son eléctricos </li></ul><ul><li>1900: Se venden más coches eléctricos que de gasolina y vapor juntos </li></ul>1900 1910 1951 2010 1997 El vehículo eléctrico no es un invento reciente 1. Introducción <ul><li>1915: Comienza a imponerse el motor de combustión interna </li></ul><ul><li>1935: El vehículo eléctrico prácticamente desaparece </li></ul><ul><li>1973: La crisis del petróleo reabre el interés por los vehículos eléctricos </li></ul><ul><li>1990-2000: Normas y acuerdos sobre reducción de emisiones de CO 2 </li></ul><ul><li>2000-2010: Las principales marcas lanzan modelos híbridos y eléctricos </li></ul>
  6. 6. Comentarios sobre el impacto del vehículo eléctrico en la generación transporte y distribución de electricidad 2. Impacto energético
  7. 7. 2. Impacto energético ¿Qué novedades presenta la situación actual? <ul><li>Excedente eléctrico de origen renovable </li></ul><ul><li>Alta contribución de generación renovable </li></ul><ul><li>La dependencia energética española en 2008 fue del 81%, superior a la media europea del 50% </li></ul><ul><li>La producción de energías renovables representó en 2009 el 26%de la producción total de electricidad </li></ul><ul><li>La tasa de emisiones del sector eléctrico fue de 279 g CO 2 / kWh en 2009 </li></ul>En España
  8. 8. <ul><li>Necesidades red eléctrica </li></ul><ul><li>Almacenamiento electricidad </li></ul><ul><li>Aprovechamiento de excedentes renovables </li></ul><ul><li>Suavizado de picos y valles de demanda </li></ul>Oportunidad para el la introducción masiva del vehículo eléctrico J. Tollefson - Nature 456 (2008) 436-440 2. Impacto energético
  9. 9. <ul><li>Previsión de vertidos renovables 2016 </li></ul><ul><li>De 1.000 a 2.000 GWh/año según escenario </li></ul><ul><li>Energía para 350.000 – 700.000 vehículos eléctricos </li></ul><ul><li>Parque vehículos en España </li></ul><ul><li>28 millones de vehículos en 2010 </li></ul><ul><li>Electrificación consumiría 80 TWh </li></ul><ul><li>Aumento del 30% sobre consumo eléctrico actual </li></ul><ul><li>Vehículos eléctricos en España </li></ul><ul><li>1 millón de vehículos eléctricos en 2014 (previsión Ministro Industria) </li></ul><ul><li>Consumo estimado de 3 TWh </li></ul><ul><li>Aumento del 1% sobre el consumo actual </li></ul>2. Impacto energético
  10. 10. Impact on electricity demand Fuente: https://demanda.ree.es/comparativa_curvas.html <ul><li>Curva diaria de demanda </li></ul><ul><li>Demanda inferior a la media 8 horas/día </li></ul><ul><li>Importante diferencia de demanda entre picos y valle </li></ul><ul><li>Capacidad excedente debido a las renovables </li></ul>2. Impacto energético
  11. 11. Gestión inteligente de la demanda <ul><li>Llenado de valles hasta alcanzar consumo medio permite aumento del 7,5% </li></ul><ul><li>Electricidad para 6,8 millones vehículos (24% del parque actual) </li></ul><ul><li>No son necesarias inversiones significativas en la red </li></ul>Fuente: https://demanda.ree.es/comparativa_curvas.html 2. Impacto energético
  12. 12. Source: https://demanda.ree.es/comparativa_curvas.html <ul><li>Llenado de valles hasta alcanzar el consumo pico permite aumento del 18% </li></ul><ul><li>Electricidad para 16 millones vehículos (57% de parque actual) </li></ul><ul><li>Necesario almacenamiento masivo de energía y TICs para gestión inteligente </li></ul>2. Impacto energético Gestión inteligente de la demanda
  13. 13. 3. Eficiencia energética Consideraciones acerca de la eficiencia energética de los vehículos eléctricos, con especial atención a la influencia del peso.
  14. 14. 3. Eficiencia energética <ul><li>Mejora de la eficiencia energética </li></ul><ul><li>Cambios en los modos de conducción </li></ul><ul><li>Mayor eficiencia de los componentes </li></ul><ul><li>Reducción de peso </li></ul>
  15. 15. 3. Eficiencia energética <ul><li>Componentes más eficientes </li></ul><ul><li>Reducción del coeficiente aerodinámico </li></ul><ul><li>Reducción de la fricción de rodadura </li></ul><ul><li>Frenado regenerativo </li></ul><ul><li>Transmisión variable continua </li></ul><ul><li>Aumento de la tensión del sistema eléctrico </li></ul><ul><li>Motor de combustión a potencia constante (híbridos) </li></ul>
  16. 16. 3. Eficiencia energética Subaru R1e “switch”, 870 kg prototipo 2006 Mitsubishi Colt electric, 1‘150 kg prototipo 2006 VW Lupo 3l(diesel): 900 kg Consumo = 0.015 · Peso + 3.23 (kWh/100km) (kg) Reducción de peso del vehículo
  17. 17. 3. Eficiencia energética <ul><li>Baterías almacenan poca energía (< 160 Wh/kg) </li></ul><ul><li>Modelos ultraligeros de autonomía normal </li></ul><ul><li>Modelos convencionales de baja autonomía </li></ul>Reducción de peso de la batería 135 150 18 1000 220 150 11 500 100 150 25 1500 Autonomía (km) Batería (kg) Consumo (kWh/100km) Peso (kg) 150 170 18 1000 150 100 11 500 150 235 25 1500 Autonomía (km) Batería (kg) Consumo (kWh/100km) Peso (kg)
  18. 18. 4. Almacenamiento de energía Análisis de las dificultades para almacenar la energía que necesita el vehículo eléctrico y de las alternativas tecnológicas actuales
  19. 19. Calculation bases - vehicles A. Ceña, J. Santamarta – Energías Renovables, Jun. 2008, 66-80 4. Almacenamiento de energía <ul><li>Vehículo con motor de combustión interna </li></ul><ul><li>Consumo 43 kWh/100 km 5 L/100 km </li></ul><ul><li>Combustible (gasoil) 12.7 kWh/kg 8.7 kWh/L </li></ul><ul><li>Autonomía 1000 km para un tanque de 50 L </li></ul><ul><li>Vehículo eléctrico </li></ul><ul><li>Consumo medio 20 kWh/100 km </li></ul>
  20. 20. Storage Technologies Autonomía equivalente a la de un depóstio de 50 L de gasoil (1000 km) 4. Almacenamiento de energía 550 Zn-aire 1.250 Li-ion 2.220 Ni-hidruros 5.700 Pb-acido 133 Al-aire 22.000 Supercondensador 118 Li-aire 34 Gasoil Peso (kg) Tipo de almacenador
  21. 21. Peso equivalente al de un depósito de 50 L de gasoil (34 kg) 4. Almacenamiento de energía 62 Zn-aire 27 Li-ion 15 Ni-hydruros 6 Pb-acido 255 Al-aire 1,7 Supercondensador 288 Li-aire 1000 Gasoil Autonomía (km) Tipo almacenador
  22. 22. ¿Hay tecnologías de almacenamiento adecuadas? V. Srinivasan, 2008 <ul><li>No para los vehículos eléctricos </li></ul><ul><li>Sí para los requisitos de los vehículos híbridos </li></ul>4. Almacenamiento de energía
  23. 23. 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 <ul><li>Las soluciones actuales </li></ul><ul><li>Vehículos eléctricos con autonomía limitada a 100 – 150 km </li></ul><ul><li>Para trayectos superiores vehículos híbridos </li></ul>
  24. 24. 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 <ul><li>La gran familia de los híbridos </li></ul><ul><li>Parada-aranque: Motor eléctrico para arrancar el motor de combustión </li></ul><ul><li>Ligeros: Motor eléctrico suministra potencia extra al de combustión </li></ul><ul><li>Paralelo: Combinación de motor eléctrico y de combustión más adecuada </li></ul><ul><li>Serie: El motor de combustión se usa para recargar la batería </li></ul><ul><li>Enchufables: La batería se recarga con una conexión externa a red. </li></ul>Motor eléctrico HEV PHEV FCEV BEV 4. Almacenamiento de energía
  25. 25. Evolución de las diferentes tecnologías 4. Almacenamiento de energía
  26. 26. 5. Estado de la tecnología Resumen del estado actual de las tecnologías de almacenamiento de energía y de la tendencias en I+D
  27. 27. J. Tollefson. Nature 456 (2008) 436-440 5. Estado de la tecnología
  28. 28. <ul><li>Objetivos baterías Litio-ión </li></ul><ul><li>Aumentar energía por unidad de volumen o peso (200 Wh/kg) </li></ul><ul><li>Acortar tiempo de carga sin reducir tiempo de vida útil </li></ul><ul><li>Reducir costes </li></ul><ul><li>Mejorar Seguridad </li></ul><ul><li>Aumentar fiabilidad </li></ul>5. Estado de la tecnología 5.000 3.000 1.500 Ciclos 15 10 5 Duración (años) 150 300 500 Coste (€/kWh) 200 150 100 Autonomía (km) 200 150 100 Energía (Wh/kg) 2020 2015 2010
  29. 29. B. Kang & G. Ceder. Nature 458 (2009)190 http://www.a123systems.com/a123/technology/power <ul><li>Recarga rápida </li></ul><ul><li>Sistemas basados en nanopartículas de LiFePO4 </li></ul><ul><li>A123: dispositivos comerciales que se recargan en < 15 min </li></ul><ul><li>MIT: pruebas de laboratorio de carga y descarga en segundos </li></ul>5. Estado de la tecnología
  30. 30. Li-ion battery P. Poizot et al. Nature 407 (2000) 496-499 K. Amine and Z. Chen, ANL, ref. NYT August 24, 2009 STOBA by ITRI, Taiwan <ul><li>Ampliación del tiempo de vida </li></ul><ul><li>Sistemas nanométricos de óxidos metálicos en lugar de carbón </li></ul><ul><li>Menores tensiones por cambios de volumen </li></ul><ul><li>Mayor estabilidad en ciclos de carga y descarga </li></ul><ul><li>Mejora de la seguridad </li></ul><ul><li>Materiales de barrera que forman películas protectoras a T> 130ºC </li></ul><ul><li>Sumideros de electrones de fluoruro de boro en caso de sobretensión </li></ul>5. Estado de la tecnología
  31. 31. ¿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 <ul><li>A favor </li></ul><ul><ul><li>Contenido muy bajo (1/8 del Co o Mn) </li></ul></ul><ul><ul><li>Abundancia relativa media (1/2 del Co) </li></ul></ul><ul><ul><li>Abundancia relativa mayor que Pb, Sn, In, Ge… </li></ul></ul>
  32. 32. Baterías metal-aire 5. Estado de la tecnología Más allá del Litio-ión 200 Li-ión 1.700 1.500 350 Energía específica (Wh/kg) Li-aire Al-aire Zn-aire
  33. 33. <ul><li>Recarga eléctrica </li></ul><ul><ul><li>Electrolitos estables a potenciales muy reductores </li></ul></ul><ul><ul><li>Electrodo de aire estable en entorno fuertemente oxidante </li></ul></ul><ul><li>Potencia específica </li></ul><ul><ul><li>Ayudas a la reacción del electrodo de aire en la descarga </li></ul></ul><ul><ul><li>Evitar la migración de O2 y agua hacia el electrodo metálico </li></ul></ul><ul><ul><li>Catalizadores para la reacción de oxígeno </li></ul></ul><ul><ul><li>Evitar la pasivación del electrodo metálico </li></ul></ul>5. Estado de la tecnología Más allá del Litio-ión: Baterías metal-aire
  34. 34. <ul><li>Objetivos pilas de combustible </li></ul><ul><li>Ampliar autonomía (almacenamiento de hidrógeno) </li></ul><ul><li>Ampliar tiempo de vida útil </li></ul><ul><li>Reducir costes </li></ul><ul><li>Mejorar Seguridad </li></ul><ul><li>Aumentar fiabilidad </li></ul>5. Estado de la tecnología Más allá del Litio-ión: Pilas de combustible 100 300 1000 Contenido Pt (mg/kW) 15 10 5 Duración (años) 700 500 300 Autonomía (km) 2020 2015 2010
  35. 35. <ul><li>Almacenamiento de hidrógeno </li></ul><ul><li>Hidrógeno a 700 atm. en depósitos resistentes y ligeros (fibra de carbono) </li></ul><ul><li>Sistemas de almacenamiento químico (hidruros) </li></ul><ul><li>Sistemas de almacenamiento físico (MOFs) </li></ul>5. Estado de la tecnología J. Tollefson. Nature 464 (2010) 1262-1264 Más allá del Litio-ión: Pilas de combustible
  36. 36. 6. Conclusiones Conclusiones y perspectivas de futuro.
  37. 37. 6. Conclusiones <ul><li>Tecnología </li></ul><ul><li>El vehículo eléctrico es una oportunidad para el sistema eléctrico actual </li></ul><ul><li>La tecnología actual está lista para los vehículos híbridos </li></ul><ul><li>El vehículo eléctrico puro tiene su punto débil en la batería </li></ul><ul><li>Las baterías del futuro dependen de los avances en CyT de materiales </li></ul>
  38. 38. 6. Conclusiones <ul><li>Medio Ambiente </li></ul><ul><li>El vehículo híbrido reduciría las emisiones de CO2 un 25% (100 g/km) </li></ul><ul><li>Con el mix actual de generación, el vehículo eléctrico reduciría las emisiones de CO2 un 60% (55 g/km) </li></ul><ul><li>El vehículo eléctrico alimentado a partir de renovables reduciría las emisiones de CO2 un 98% (3 g/km) </li></ul>M .de la Guradia. Nissan Iberia 2010
  39. 39. 6. Conclusiones <ul><li>Mercado </li></ul><ul><li>La fuerza impulsora del vehículo eléctrico es la generación renovable </li></ul><ul><li>El vehículo eléctrico es una oportunidad para el sistema eléctrico actual </li></ul><ul><li>La infraestrucutra eléctrica actual puede absober 6,8 M de vehículos </li></ul><ul><li>Los vehículos eléctricos e híbridos podrían dominar el mercado en 2030 </li></ul>

×