La industria automotriz se está adaptando a los cambios en tendencia y está adoptando las tecnologías y el desarrollo de vehículos propulsados por electricidad.
Los vehículos con tecnología híbrida ha sido un paso intermedio para llegar a una tecnología totalmente impulsada por electricidad. El futuro de la movilidad en los vehículos apunta a que sea totalmente eléctrico. Los vehículos totalmente eléctricos están teniendo amplia aceptación y se impondrán en los mercados de diferentes países.
MAYOR EFICIENCIA: El motor eléctrico vs el de combustión interna
Un motor de combustión interna (MCI) es mucho más complicado que un motor eléctrico (ME). Un MCI requiere un cigüeñal con un contrapeso para trasladar el movimiento lineal de los pistones y convertirlo en movimiento rotacional, un volante (dispositivo mecánico para almacenar la energía rotacional) para suavizar la potencia de salida, un motor DC para arranque, un alternador para cargar la batería, un sistema de enfriamiento, así como otros muchos dispositivos que no son necesarios en un motor eléctrico.
Un motor de inducción (motor eléctrico), el cual produce directamente el movimiento rotacional y una salida uniforme de energía, es mucho más pequeño y ligero.
El MCI produce un torque utilizable y una potencia solo dentro de un rango limitado (típicamente 2.000-4.000 rpm), así que es necesario un sistema de transmisión para conectarlo y transmitir esta potencia a las ruedas. Un motor de inducción es igualmente eficiente desde los 0 hasta 18.000 rpm(Morris, C., 2017).
Los vehículos eléctricos (EV) usan una transmisión de una sola velocidad. El motor de inducción, de manera ininterrumpida suaviza la curva de entrega de energía hacia los engranajes de cambio, lo que conlleva a un mejor desempeño.
Los vehículos eléctricos tienen pocos componentes más que un MCI. Por ejemplo, se requiere de un inversor que es necesario para convertir la corriente DC de la batería a corriente AC de 3 fases que es la utilizada por el motor. Este inversor también controla la velocidad del motor.
Algunos vehículos de alta tecnología como los de Tesla usa paquetes de baterías de cerca de 7.000 pequeñas baterías cilíndricas, lo que permite a estos tubos cilíndricos, a base de glicol como sistema de enfriamiento, que éste se deslice entre los espacios de las celdas y así mantener la batería fría y extender su vida útil. Los modelos nativos de EVs actuales han sido diseñados con un banco o paquete de baterías de forma plana y que se ubica en la parte baja del chasis. Esto le otorga al vehículo un centro de gravedad bajo, lo que se traduce en mejoras en su maniobrabilidad y por otra parte evita restar espacio útil para pasajeros y carga (Morris, C., 2017).
Los vehículos híbridos ya no son tendencia
Por largo tiempo la industria automotriz ha desarrollado vehículos eléctricos híbridos (VEH o HEV, por sus siglas en inglés), los cuales combinan un motor convencional de combustión interna con un sistema de propulsión eléctrico. La presencia de este sistema tiene como objetivo lograr mayor eficiencia en el uso del combustible o mejor desempeño respecto a un vehículo convencional.
Los modernos VEH hacen uso eficiente de nuevas tecnologías como la del frenado regenerativo que convierte la energía kinésica del vehículo a energía eléctrica, la cual es almacenada en baterías o supercapacitores. Algunas versiones de VEH usan un motor de combustión interna para activar un generador eléctrico, el cual recarga las baterías o alimenta directamente el motor eléctrico.
De acuerdo al tipo de sistema de transmisión, existen 3 tipos de VEH: Los híbridos en paralelo, el motor de combustión interna y el motor eléctrico están conectados a la transmisión mecánica y pueden de manera simultánea transmitir energía a las ruedas para convertirla en movimiento (Hybridelectricvehicle, s.f).
Los híbridos en serie, solo el motor eléctrico generan la propulsión y el motor de combustión interna (de menor tamaño que uno convencional) trabaja como generador para el motor eléctrico o para recargar las baterías. Este modelo utiliza paquetes de batería mucho mayores que los híbridos en paralelo.
Los híbridos combinados en potencia, tienen los beneficios de la combinación de características de los modelos híbridos en serie y paralelo. Los modelos híbridos en serie tienden a ser más eficientes a bajas velocidad mientras que los híbridos paralelos son más eficientes en altas velocidades.
Aun cuando se han desarrollado e incorporado mejoras tecnológicas en los VEH, el futuro no es muy promisorio para la tecnología híbrida, ya que por su naturaleza sigue empleando combustibles fósiles y el componente eléctrico sirve principalmente como apoyo al sistema principal que es de combustión interna. Aun cuando hay grandes industrias automotrices, como Toyota, que siguen aportando al desarrollo de la tecnología híbrida, la tendencia mundial se está moviendo hacia vehículos totalmente eléctricos.
La empresa Toyota ha sido líder en desarrollo de tecnología híbrida, recientemente ha intentado estimular al resto de la industria en fabricar vehículos híbridos por medio de suministrar sin pago de regalías cerca de 24.000 de sus patentes relacionadas con sistemas y componentes para transmisión de vehículos híbridos. Esta apuesta de Toyota, ver figura 2, para mantener la relevancia de los vehículos híbridos se produce en momentos en los que la industria automotriz se está moviendo de forma masiva a vehículos totalmente eléctricos, (Lambert, F., 2019).
En consecuencia, la tecnología de propulsión híbrida sería considerada como un paso intermedio para llegar a una tecnología totalmente impulsada por electricidad. La cual ha tenido limitaciones para su masificación tales como los costos de las baterías, autonomía y disponibilidad de puntos de recarga. En la actualidad hay avances que han ido dejando atrás estas limitante y propicia el desarrollo y el inicio de la fabricación y uso amplio de vehículos totalmente eléctricos.
Figura 1. Toyota Prius, el vehículo híbrido de mayor venta a nivel mundial
Algunos de los avances en electrificación de vehículos
PORSCHE
El Taycan es el primer vehículo eléctrico de Porsche; este modelo tendrá la capacidad de generar 60 HP (447 Kilowatts) y tendrá la habilidad de acelerar a 96 Km/h en menos de 3,5 segundos y llegar a 200 Km/h en menos de 12segundos, su rango de autonomía es de casi 500 kilómetros. Todas estas características y desempeño harán del Taycan un vehículo eléctrico de alta potencia, ver figura 3.
Figura 2. El Taycan es el primer EV de Porsche y estará disponible para el 2020.
Este deportivo tendrá un súper cargador de 800 voltios que será capaz de recargar al 80 % en 15 minutos el paquete de batería ubicado en el piso del vehículo (característica primordial para un vehículo deportivo ya que esto contribuye a lograr un bajo centro de gravedad), ver figura 4. También Porsche anunció un sistema inalámbrico de recarga por inducción que se ubicará en el piso del vehículo (Motor1, 2019).
Figura 3. Paquete de baterías del Taycan ubicado en la parte más baja del vehículo
TESLA
Parte del éxito de Tesla es que fabrican vehículos eléctricos que la gente quiere y puede adquirir. La compañía Tesla fue fundada en el año 2003 y ha sido la pionera en el desarrollo de tecnología para EVs, su primer modelo eléctrico fue lanzado al mercado en el 2008. Esta empresa ha realizado asociaciones y ha trabajado de manera colaborativa con fabricantes de vehículos como proveedor de equipos originales, sin embargo su objetivo ha sido desarrollar la marca como fabricante de vehículos, en el 2015 y 2016 el modelo S se convirtió en el vehículo eléctrico de mayor venta a nivel mundial (Cox, L., 2017).
Como parte de la estrategia de Tesla para impulsar el desarrollo del mercado de vehículos eléctricos y tomando en cuenta que esta empresa es líder en innovación, Tesla anunció que pondría a disposición sus patentes de componentes de EVs como un intento por acelerar la transición hacia la producción de vehículos eléctricos (Lambert, F., 2019).
Figura 4. El nuevo vehículo eléctrico de Tesla – Model Y
Las Iniciativas mundiales para acelerar la electrificación de vehículos
El proyecto mejor conocido por su nombre inglés como The Electric Vehicle Initiative (EVI) es un foro multigubernamental establecido en 2009 cuyo objetivo es acelerar el desarrollo de vehículos eléctricos a nivel mundial.
La EVI se encarga de facilitar el intercambio de quienes desarrollan políticas a nivel gubernamental con el objetivo de apoyar el desarrollo de vehículos eléctricos (EV) y los diversos participantes como los fabricantes de vehículos, baterías y tecnologías.
Los gobiernos activos actualmente en la EVI incluyen a Canadá, La República Popular China (China), Finlandia, Francia, Alemania, India, Japón, México, Holanda, Noruega, Suecia, Reino Unido y Estados Unidos. Este grupo también incluye a los fabricantes de EV de mayor crecimiento y ventas a nivel mundial (IEA, 2018).
Canadá y China son los co-líderes de esta iniciativa. La Agencia Internacional de Energía participa como coordinador.
A la fecha, la EVI ha desarrollado diversos estudios que incluyen varias ediciones del Global EV Outlook y de manera exitosa ha comprometido a sectores privados involucrándolos en diversas mesas de trabajo, incluido el COP21 en Paris, para discutir el rol de la industria y gobiernos en el desarrollo de EV así como las oportunidades y retos para este mercado (IEA, 2018).
El mercado actual de vehículos eléctricos
De acuerdo con la Agencia Internacional de la energía, en su último reporte global 2018 (IEA, 2018). En el año 2017 el inventario de vehículos eléctricos alcanzo los 3,1 millones, lo que representó un incremento de 57% respecto al año anterior. Esta tasa de crecimiento es similar a la de 60% alcanzada en los 2 años previos. Los vehículos eléctricos a batería contabilizan el 2/3 del total de la flota.
Alrededor del 40% de la flota mundial de vehículos eléctricos se encuentra en China, mientras que la Unión Europea y los Estados Unidos contabilizan cada uno de 1/4 del total global. Por mucho, Noruega tiene la mayor proporción del mercado para vehículos eléctricos con 6,4% del total de vehículos.
Aun cuando el Mercado de EVs está en notable crecimiento, solo 3 de los países miembros de la EVI tienen una participación superior a 1% del mercado total para vehículos eléctricos: Noruega (6,4%), Holanda (1,6%) y Suecia (1,0%).
Adicionalmente a los 3,1 millones de vehículos eléctricos de pasajeros, hubo cerca de 250.000 vehículos livianos de uso comercial (LCV, por sus siglas en inglés). La mayor flota de estos vehículos está en China (170.000 vehículos), seguido de Francia (33.000) y Alemania (11.000).
China liderará la transición
La aceptación o penetración en el mercado de los vehículos eléctricos es por mucho, principalmente conducida por las políticas medioambientales. Los 10 países que lideran la adopción de vehículos eléctricos, todos tienen un conjunto de políticas para promocionar el desarrollo del mercado de EVs. Un ejemplo destacable es el de China.
La transición de motores de combustión interna a vehículos eléctricos será liderada por China, en el periodo hasta el año 2025 las ventas de EV contabilizarán para casi 50% de las ventas globales y 39% para 2030.
De igual modo, China liderará el cambio en el transporte público, las principales ciudades chinas están en camino a electrificar completamente su flota de autobuses (e-buses), se espera que logren el objetivo del 100% para el año 2020, ver figura 8.
China está presionando sobre las políticas industriales que tienen impacto sobre las políticas medioambientales y las de seguridad energética. Se ha venido desarrollando con objetivos de largo plazo un ecosistema de e-movilidad que es considerado como estrategia de estado. Las políticas chinas, tanto nacionales, regionales y municipales están impulsando y motorizando el desarrollo del mercado de EVs. Muchos subsidios nacionales serán eliminado para 2020 y a partir de 2019 los fabricantes de vehículos está siendo forzados a entrar en el sistema de crédito denominado “New EnergyVehicle”. Este programa similar al utilizado en California (EEUU), actúa como una cuota en el mercado de EV, requiere que los fabricantes generen créditos a través de las ventas de EVs y aquellos que no cumplen con la cuota son forzados a adquirir créditos de sus competidores.
Este plan es la más simple e importante pieza de la política global de China en cuanto a EVs y se ha constituido en el transformador de los planes para electrificación de los fabricantes de vehículos. Se espera que China incremente la cuota de manera de alcanzar el objetivo que para el año 2025 las ventas de EVs representen el 20% del total nacional.
Figura 5. China liderará la transición a vehículos eléctricos. En la foto, la provincia de Guangdong, en el sur de China, alcanzó un hito ambiental a principios de 2019, con el 99% de sus 21.689 taxis que ahora funcionan con electricidad
Electricidad, combustibles y baterías
Algunos de los colaterales en el desarrollo del Mercado de los EV está relacionado con el crecimiento en la demanda de electricidad, disminución en uso de combustibles fósiles y crecimiento exponencial en la demanda de baterías y algunas materias primas necesarias en su fabricación.
ELECTRICIDAD
La demanda estimada de electricidad proveniente del sector de vehículos eléctricos se ha incrementado en más de 20% comparado con el año 2017. Esta demanda fue equivalente a 0,2% del consumo global de electricidad en 2017.
Figura 6. Demanda de materiales y metales para batería litio-ion en vehículos eléctricos
Países como China y Noruega, que respectivamente tiene la flota más grande y la mayor participación de mercado para vehículos eléctricos, tienen una demanda de 0,45% y 0,78% del total del consumo nacional. Hasta el momento, la expansión en el número de EVs ha tenido un impacto limitado en la demanda de electricidad, lo cual ha dado señales prometedoras para la transición a una sociedad con mayores indicies de movilidad eléctrica. Sin embargo, en el mediano y largo plazo, en la medida que se incremente notablemente del desarrollo del mercado de EVs, esto aumentará la demanda e impacto en la generación, transmisión y distribución de la matriz energética mundial.
COMBUSTIBLE FÓSIL
La expansión en el uso de vehículos eléctricos tendrá un impacto en el consumo global de combustibles. Para el año 2040, en la medida en que las ventas de EVs sobrepasen el 50% de las ventas totales de vehículos, se espera el desplazamiento de 7,3 millones de barriles por día de combustible en el sector transporte.
La gasolina es el combustible predominantemente utilizado por los vehículos livianos a nivel mundial. La gasolina contabiliza para el 94% del combustible que sería desplazado por los vehículos eléctricos de pasajeros y la movilidad inteligente.
Para el año 2040 el diesel representaría cerca del 5% de la demanda de combustible desplazada, la mayoría de ello en Europa. De igual modo se espera para el año 2040 que la movilidad inteligente desplace cerca de 60 mbpd de la demanda de LGP (licuados de gas natural).
De la demanda desplazada, China contabilizaría para cerca de 2,5 millones de barriles por día (MMBPD), seguida de EEUU y Europa con 2,3 y 1,1 MMBPD respectivamente.
En el corto plazo, la mayor parte de la reducción en demanda de combustible, proviene del consumo de diesel, sin embargo la gasolina tomaría la delantera a partir de 2023. Para el año 2040, el diesel contabilizaría para cerca del 10% el volumen desplazado de combustibles, mientras que la gasolina desplazada por el uso de EVs superaría los 6,4 MBPD.
La gasolina lidera en cantidad de combustible utilizado que sería desplazado por el mercado de vehículos de pasajeros y el diesel hace lo correspondiente en el sector de flota de buses de transporte.
BATERÍA Y MATERIAS PRIMAS
El crecimiento en la demanda de vehículos eléctricos tendrá un impacto drástico en el aumento de la cadena de suministros de baterías de litio-ion, ver figura 9. La capacidad actual de fabricación de batería de Li-ion está alrededor de 131 GWh por año. Con base en anuncios de las plantas actuales y las que está en construcción, este número subiría a poco más de 400 GWh para el año 2021, con una capacidad global concentrada en China de 73%.
Grandes inversiones serán requeridas para satisfacer la demanda global esperada. Para el año 2030 se espera una demanda superior a los 1.500 GWh, este crecimiento también impondrá una mayor demanda y mayores precios para los materiales fundamentales en las baterías de Li-ion como lo son el cobalto, litio y níquel. En la figura 9 se muestra las materias fundamentales y su demanda estimada hasta el año 2030.
La demanda de los componentes que permiten la fabricación de baterías de litio-ion (electrodos y electrolitos), también se incrementaran de 0,7 millones de toneladas métricas a más de 10 millones de toneladas métricas.
REFERENCIAS:
Cox, L. (2017). Tesla Motors: Relentless Innovation as a Strategy. https://disruptionhub.com/tesla-motors-disruption-strategy/
Hybridelectricvehicle. (sin fecha). En Wikipedia. Recuperado el 5 de abril de 2019 de: https://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_electric_vehicle
IEA (2018). Global EV Outlook 2018. Recuperado de: https://www.iea.org/gevo2018
Lambert, F. (2019). Toyota opens patents to help save hybrid cars, but it won’t work. Recuperado de: https://electrek.co/2019/04/03/toyota-opens-patents-save-hybrid-cars/
Morris, C. (2017). Engineering 101: Tesla electric vehicle tech explained. Recuperado de: https://evannex.com/blogs/news/how-does-an-electric-car-work
Motor1 (2019). 2020 Porsche Taycan: Everything We Know. Recuperado de: https://www.motor1.com/news/195865/porsche-mission-e-everything-we-know/2488792/
Autor
MBA egresado del IESA – Venezuela. Ingeniero de Sistemas por la Universidad de los Andes – Venezuela. Amplia experiencia en proyectos para el negocio de petróleo y gas. Administración de bases de datos. Áreas de interés: Gerencia de Proyectos, economía, finanzas del negocio petrolero y Energía alternativas. Email: lenin.simancas@gmail.com
