El futuro del vehículo eléctrico

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La Facultad de Ciencias de Bilbao comenzó su andadura en el curso 1968/69. 50 años después la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU celebra dicho acontecimiento dando a conocer el impacto que la Facultad ha tenido en nuestra sociedad. Publicamos en el Cuaderno de Cultura Científica y en Zientzia Kaiera una serie de artículos que narran algunas de las contribuciones más significativas realizadas a lo largo de estas cinco décadas.

Al hablar del vehículo eléctrico surgen siempre las siguientes preguntas. ¿Puede el vehículo eléctrico satisfacer las necesidades de la sociedad en un corto periodo de tiempo? ¿Cuáles son los retos a los que se enfrenta?

La necesidad de eliminar las emisiones de efecto invernadero, el alcance del trucaje de los motores diésel, el incremento del precio de los carburantes, las exigencias de las normativas anticontaminación cada vez más restrictivas y los avances tecnológicos han fortalecido el mercado del vehículo eléctrico en los últimos años. Las empresas del automóvil se están replanteando el futuro del diésel. Por el contrario, el número de vehículos eléctricos estimado en siete millones para el año 2020 aumentará significativamente en los años siguientes.

El transporte eléctrico se puede considerar como una de las revoluciones tecnológicas más importantes después de internet y del teléfono móvil. En los vehículos eléctricos que utilizan baterías para el almacenamiento de energía, los tres principales retos son: i) reducción de costes, ii) eliminar la dependencia de materiales críticos como el cobalto y iii) desarrollo de baterías seguras con tiempos de carga inferiores a 15 minutos.

En las baterías la energía eléctrica es almacenada mediante la conversión de energía química a través de reacciones redox entre los electrodos, ánodo y cátodo, (ver Figura 1). Las baterías más utilizadas son las de ion litio ya que presentan mayor densidad energética y ofrecen actualmente las mejores prestaciones.

Figura 1. Bateria (izquierda) y supercondensador de doble capa (derecha). Fuente: US Department of Energy

Sin embargo, la demanda de este metal se está incrementando significativamente y en 2025 será 11 veces mayor que la actual hasta alcanzar las 300.000 toneladas (un 33% del consumo total en la industria). Esto ha dado lugar a un aumento importante de los precios que en algunos mercados se han incrementado más de un 200 % en pocos meses. Los países productores son fundamentalmente Chile y Argentina y recientemente se han encontrado reservas en Bolivia y Afganistán países que, junto con el riesgo de suministro, pueden alterar significativamente el precio del litio en los mercados. Asimismo, otro de los componentes de estas baterías es el cobalto que representa hasta el 20 % del peso del cátodo. Este metal es toxico, escaso y caro siendo la Republica Democrática del Congo el único país productor lo cual condiciona significativamente su uso. Por tanto, es importante desarrollar una política o estrategia estándar en materia de reciclaje de baterías para disminuir el coste de los vehículos. Actualmente se está desarrollando una intensa actividad en la búsqueda de otro tipo de baterías alternativas a las de litio ion con mejores prestaciones y costes más reducidos.

Respecto a la seguridad de las baterías es importante recordar que los electrolitos son materiales orgánicos inflamables que pueden dar lugar a incendios de las propias baterías. En este sentido, las compañías automovilísticas están invirtiendo cantidades importantes para la búsqueda de baterías con todos sus componentes sólidos.

Hoy día hay una gran actividad en las compañías automovilísticas para desarrollar en sus factorías el coche eléctrico. Tesla ha puesto en el mercado varios modelos con diferentes precios. El modelo ultralujo S con un coste de 95.000 dólares con autonomía de más de 500 km y el nuevo Modelo 3 por 37.500 dólares (Figura 2). La empresa Volvo sacará al mercado a partir de 2019 todos sus vehículos (cinco modelos entre 2019-2021) con motor eléctrico. La empresa Volkswagen ha desarrollado el e-Golf 100 % eléctrico con una autonomía de 300 km con un tiempo de carga combinada de 30 minutos a un precio de 36.850 €. Nissan ha puesto en el mercado el Nissan Leaf 3.Zero con 270 km de autonomía siendo el coche más vendido en Europa en 2018 con un precio desde 32.000 €. Opel/Vauxhall del Grupo PSA tendrá una versión 100 % eléctrica adaptando en breve su línea de producción en Figueruelas (Zaragoza). Finalmente, comentar que la UE financiará un proyecto estratégico (Battery 2030) con mil millones de euros en los próximos 10 años para garantizar la competitividad de Europa en la tecnología de baterías frente a los países asiáticos que gozan actualmente del predominio en esta tecnología.

Figura 2. Coches eléctricos de Tesla enchufados a postes de carga. Fuente: Tesla

La escasez de puntos de carga (electrolineras) es hoy día uno de los principales desafíos a los que se enfrenta el vehículo eléctrico. La electrificación es urgente y necesaria. No obstante, para paliar en parte este tema los fabricantes de vehículos están creando su particular red de distribución nacional instalando en sus concesionarios postes de suministro rápido.

Cuando nos referimos al vehículo eléctrico no solo hablamos del coche eléctrico sino también vehículos de mayor tamaño tales como autobuses, camiones, tranvías, etc. En este sentido, estos vehículos utilizan en algunos casos supercondensadores como sistemas de almacenamiento de energía eléctrica la cual es almacenada físicamente en la interfase electrodo electrolito con altas densidades de potencia, con rápida autodescarga y largos ciclos de vida (ver Figura 1). En un símil deportista se podrían considerar a las baterías como corredores de maratón (energía) y a los supercondensadores como esprínteres o corredores de cien metros lisos (potencia). En la ciudad de Shanghái (China) toda la flota de autobuses utiliza supercondensadores como sistema de almacenamiento energético. La rápida respuesta de carga y descarga del orden de 20 ó 30 segundos es suficiente para permitir su recarga en las paradas mientras acceden los viajeros al vehículo. La empresa CAF utiliza sistemas basados en combinación hibrida de supercondesadores y baterías de ion litio en sus tranvías que permiten la circulación sin catenaria en diversas ciudades como las de Sevilla y Zaragoza. Almacenan la energía cinética liberada en la frenada para ser utilizada posteriormente mejorando así la eficiencia energética del vehículo (Figura 3).

Figura 3. Tranvías de CAF. Fuente: CAF

La empresa Mazda ha desarrollado el i-ELOOP (Intelligent Energy Loop) que recupera la energía cinética en el momento que el conductor levanta el pedal del acelerador y el vehículo comienza a desacelerar mejorando la economía de combustible en aproximadamente un 10 % en condiciones de conducción reales. La versión Euro VI del modelo Citaro de Mercedes Benz permite ahorrar entre un 3 y un 5 % de combustible, aproximadamente 1.000 litros por año o 2,6 toneladas de CO2 año en condiciones normales de uso.

Para el futuro del vehículo eléctrico la mejor opción puede ser la combinación de baterías y supercondensadores diseñados para altas densidades de energía, larga duración de los sistemas y bajo coste. Además, pueden permitir el uso de baterías de alta densidad energética con insuficiente potencia para ser utilizadas estas individualmente.

Otro tipo de vehículos eléctricos funcionan con pilas de combustible que son dispositivos de conversión directa de energía, capaz de transformar en energía eléctrica la energía química de un combustible que debe ser suministrado constantemente (ver figura 4). Se podría decir que en vez de recargar a través del enchufe como en el caso de las baterías lo hace mediante la reacción de hidrógeno comprimido, que se recarga a través de una manguera y se aloja en un tanque de almacenamiento, con oxígeno. Su principal ventaja es que esta recarga se lleva a cabo en un par de minutos permitiendo autonomías de 600-700 km y un recorrido de más de 250.000 km. Es, pues, un coche que se puede usar tanto en trayectos diarios como de larga distancia.

Figura 4. Pila de combustible. Fuente: ISMN-UCM

Existen distintos tipos de pilas de combustible, pero las generalmente utilizadas en el vehículo eléctrico son conocidas como pilas de combustible de membrana polimérica (PEM-FC) que utilizan como combustible hidrógeno. Estos dispositivos tienen densidades de energía cinco veces superior a las baterías de ion litio. Los principales inconvenientes de estos sistemas para su implantación en el mercado son el coste de los materiales, fundamentalmente los catalizadores, y la infraestructura integral de hidrógeno (producción, almacenamiento y transporte) así como la falta de hidrogeneras que podría suponer una inversión inicial de más de tres mil millones de euros, muy superior al coste de la infraestructura de carga para baterías. Ambas tecnologías no tienen por qué ser competidoras sino más bien complementarias. Las baterías son más adecuadas para rangos más cortos y vehículos más pequeños. Por el contrario, las pilas de combustible probablemente ofrecerán mejores prestaciones para vehículos grandes y de largo alcance.

Existen tres compañías de automóviles Hyundai, Toyota y Honda que ya disponen de vehículos de pilas de combustible fabricados en serie. Hyundai ha sido la primera compañía en matricular un coche en España de pilas de combustible (Figura 5a) con cero emisiones que funciona con hidrógeno y cuenta con una autonomía de 666 kilómetros siendo su tiempo de carga de solo cinco minutos. Esta compañía ha anunciado su plan ‘FCEV Vision 2030que se desarrollará a largo plazo, reafirmando así su compromiso por acelerar el desarrollo de la sociedad del hidrógeno.

Figura 5. De izquierda a derecha: Nexo (Hyundai), Toyota Mirai y Honda Clarity Fuel Cell. Fuentes: Hyundai, Toyota y Honda.

Toyota ha sacado al mercado el modelo Mirai (que significa futuro en japonés) y consta de un motor eléctrico, dos depósitos de hidrogeno, una pila de combustible y una batería de níquel metal hidruro que tiene como misión almacenar los excedentes de energía producidos por la pila de combustible o por la energía generada en la frenada. Este vehículo tiene una autonomía homologada de 483 km y con un tiempo de recarga entre 3 y 5 minutos. Aún no se comercializa en España y tiene un precio superior a 70.000 €. La compañía Honda ha sacado el Honda Clarity Fuel Cell que es el primer coche de pila de combustible con cinco plazas y funciona con hidrogeno, se recarga en dos minutos y tiene una autonomía de 650 km. En el mercado japonés tiene un precio en torno a 57.000€ y no se comercializa aún en Europa. General Motors (GM) ha presentado el modelo Cadillac Provoq que combina la quinta generación de pila de combustible con autonomía de 483 km y con una batería de litio ion que puede almacenar hasta 9 kilovatios por hora de electricidad y proporcionar un pico máximo de 60 kilovatios. General Motors y Honda han acordado formar la primera empresa conjunta de fabricación de la industria del automóvil (Fuel Cell System Manufacturing) para producir en masa un sistema avanzado de pila de combustible de hidrógeno que se utilizará en los futuros automóviles de cada compañía.

Respecto a camiones con pilas de combustible se pueden mencionar el Class 8 de Toyota con 500 km de autonomía, el Maxity Electrique de Renault con una autonomía de 200 km y el nuevo camión eléctrico de Hyundai del que se desconoce actualmente el nombre y las especificaciones técnicas. Scania pondrá en funcionamiento su primer camión de basura de pila de combustible a finales de 2019, principios de 2020 para el tratamiento de residuos en las grandes ciudades.

La pregunta más inmediata que surge es ¿Será capaz de introducirse en el mercado el vehículo eléctrico de pilas de combustible en competición con el de baterías y/o supercondensadores?

Uno de los principales problemas para el desarrollo comercial de los vehículos de pilas de combustible es la falta de una red solida de estaciones de hidrogeno (Hidrogeneras). En Europa esta infraestructura es muy modesta y junto con su complejidad y elevado coste el progreso de incorporación de este tipo de vehículos en los próximos años será lento. No obstante, la Asociación del Hidrogeno de España considera que a pesar de que actualmente hay únicamente seis estaciones de servicio, que obtienen su combustible a través de electrolisis, en doce años habrá circulando más de 140.000 vehículos en este país.

Sobre el autor: Teófilo Rojo es catedrático en el Departamento de Química Inorgánica de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU.

2 comentarios

  • Avatar de Ramón Tejeiro

    El hidrógeno puede actuar también como una suerte de fluido de transporte de energía solar, que permita que regiones con muy alta insolación, p.e. todo el Sahara, produzcan hidrógeno a partir de energía solar, que después se puede utilizar como combustible en lugares menos soleados… y quien dice el Sahara, dice los Monegros.

  • Avatar de Hector

    Habría sido interesante leer una valoración sobre lo contaminantes que son los vehículos eléctricos. El incremento en la minería de Li y Cobalto parecen alejar a este de la lucha contra el cambio climático.

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