Las transformaciones y pérdidas de energía en los distintos tipos de vehículos

Antes de nada me gustaría indicar que no comparto la “lucha” que hay entre motores térmicos (ciclo Stirling, Otto, Atkinson, Diesel, Wankel, etc) y eléctricos, así que voy a tratar de analizar los tipos de vehículos desde un punto de vista de flujo de energía.
Menciono los distintos ciclos de motores térmicos porque todo el mundo los suele meter en el mismo saco sin distinción alguna, y realmente son distintos y están pensados para diferentes usos. Además, los ciclos mencionados están ordenados según el año de descubrimiento, por si a alguien le resulta curioso que se investiguen ahora los motores Stirling cuando en realidad son los más antiguos. Los distintos motores eléctricos no los incluyo porque la gran mayoría son muy parecidos tanto en su funcionamiento como en prestaciones; las diferencias son casi meramente funcionales (refiriéndome a la forma de “ponerlos a funcionar”), aunque también se pueden mencionar para no discriminarlos: motores de corriente continua, síncronos, asíncronos, de jaula de ardilla, etc. Sin embargo, para el tema que me gustaría explicar aquí, es independiente tanto el ciclo térmico específico, como el motor eléctrico que tenga el vehículo. Simplemente quería remarcar que no es todo lo mismo, y una vez aclarado, podemos analizarlos todos juntos. Cada uno tendrá sus peculiaridades y rendimientos, que es lo que voy yo a tener en cuenta de ahora en adelante.

En un primer lugar, voy a considerar únicamente los vehículos (térmicos y eléctricos) sin importar cómo ha llegado la “energía” al vehículo, bien sea de una gasolinera (no podemos olvidar que los combustibles de los coches no son más que una forma de almacenamiento de energía química), o bien de una electrolinera/enchufe (curiosamente las baterías también almacenan energía química).
Quizá alguno no estará de acuerdo con esto pero, según mucha bibliografía consultada, los combustibles fósiles (al igual que la madera de los árboles) son una forma de almacenamiento de energía solar. Pues las baterías también son unos sistemas de almacenamiento de energía química.
Las grandes diferencias están en que éstas son reversibles y, como almacenamiento de energía, son más ineficientes.

• Reversibles porque si se acaba el depósito de combustible, hay que rellenarlo en una gasolinera con nuevo combustible, mientras que si se agota una batería, hay que rehacer el proceso químico para que vuelva a estar la energía disponible (pero no cambiamos nada en la batería, sólo una transferencia de energía).
• Ineficientes porque, a igualdad de volumen, los combustibles fósiles tienen más energía (por ahora), y la “recarga” del depósito de combustible tiene una tasa de transferencia de energía por tiempo bastante más alta (también por ahora).

Ahora voy a tratar de analizar desde un punto de vista energético los tipos de vehículos que existen (según mi idea personal).

Vehículos con motores térmicos ICE

Con respecto a los motores térmicos, ICE en inglés, creo que todos más o menos tenemos claro cómo funcionan, pero según mi enfoque (espero que a alguien experto en el tema no le parezca mal si estoy equivocado en algún aspecto) habría que tener en cuenta:

1. La energía del vehículo está almacenada en el depósito de combustible; es energía química y, como la gran mayoría de los combustibles fósiles, sólo hay una forma de extraerla: a través de su combustión. Esta primera transformación de energía química en térmica no tiene un rendimiento del 100%; se podría asimilar la cantidad de CO₂ que se genera con el rendimiento de la combustión ya que el CO₂ se produce en las combustiones incompletas.
2. La energía térmica generada anteriormente en la combustión se usa como foco caliente y la temperatura ambiente se utiliza como foco frío. Recordando el ciclo termodinámico de Carnot, se podría calcular el rendimiento máximo de los motores térmicos, pero lo que quiero que se entienda es que los rendimientos de los motores son diferentes según la época y el lugar de residencia (la temperatura en Alaska no es la misma que en Arizona). Menciono dos lugares del mismo país porque, según las especificaciones de los fabricantes, los motores tienen un rendimiento fijo. Sin enrollarme más, la energía térmica de la combustión, gracias a una máquina térmica con un rendimiento **%, se transforma en energía mecánica.
3. Esta energía mecánica (en todos los casos menos en el ciclo Wankel), tiene un movimiento alternativo que hay que transformar en rotativo mediante el conocido sistema biela-manivela. Menciono esta transformación porque me parece un punto de inflexión y que no se le suele dar la importancia que tiene. Quiero decir que, por muy satisfactoria que sea la transformación del movimiento lineal de los pistones al movimiento rotativo del cigüeñal, dudo mucho que el rendimiento sea del 100%, de manera que tendremos unas pérdidas de energía (por muy pequeñas que sean) que se evitan en el ciclo Wankel (que, por supuesto, tiene otros inconvenientes).
4. Por último, la energía mecánica rotativa se transfiere a las ruedas a través de la transmisión, con una eficiencia diferente según la marcha que tengamos engranada. Este rendimiento es similar al anterior en el hecho de que por muy bueno que sea, siempre van a existir pérdidas (es irremediable).

Esquemáticamente, se pueden representar estos “flujos de energía” según se ve en la siguiente imagen, donde he supuesto que todas las pérdidas son iguales (por supuesto que no lo son) y agrupando las pérdidas mecánicas (los dos últimos puntos descritos) para simplificar. Creo que en esta ilustración queda bastante evidente que si suponemos los rendimientos tanto de la combustión como de la mecánica del 100%, el rendimiento global sería el de un ciclo térmico, que, según los fabricantes, muchos no superan el 50%.

Vehículos con motores eléctricos BEV

Con respecto a los vehículos eléctricos, BEV sus siglas en inglés, y paralelamente a lo anterior, el análisis sería el siguiente:

1. La energía del vehículo está almacenada en la batería. Es energía eléctrica directamente, es decir, el vehículo ya puede hacer uso de la energía directamente sin ninguna transformación. No obstante, a la hora de mover el motor, sí que hay un equipo intermedio entre la batería y el motor, que sería el variador de frecuencia. No tengo muy claro cómo está implementado ni que se llame así en los coches eléctricos, pero éste dispositivo es el que permite variar la velocidad de giro de un motor de corriente alterna. Lo que ocurre es que las baterías almacenan corriente continua y no alterna, de manera que antes del variador deberíamos de tener un inversor para cambiar de corriente continua a alterna. La realidad, en mi opinión y según lo que veo en la documentación de los coches eléctricos, es que el variador está “integrado” en el inversor, es decir, que el inversor genera directamente la corriente a la frecuencia correspondiente (en lugar de variarla posteriormente y hacer la transformación en dos etapas). En definitiva, este inversor tendrá un rendimiento y, obviamente, habrá pérdidas de energía en él.
2. La energía eléctrica de salida del inversor fluye directamente al motor eléctrico. El motor eléctrico sería el equivalente al ciclo térmico en los vehículos anteriores. Lo curioso es que, a pesar de tener un rendimiento menor del 100%, siempre va a ser superior a los rendimientos obtenidos de los ciclos térmicos (creo que los rendimientos más bajos de los motores eléctricos están entorno al 70%).
3. La energía mecánica rotativa se transfiere a las ruedas a través de la transmisión, pero en este caso con un rendimiento constante, ya que los vehículos eléctricos no suelen tener caja de cambios. Las diferentes velocidades se consiguen al variar la alimentación del motor con el inversor; e incluso la marcha atrás se puede conseguir de la misma manera, haciendo girar al revés al motor eléctrico, sin el uso de engranajes. Las pérdidas en este caso deberían de ser menores que en el caso de los motores térmicos, haciendo hincapié en que sí que las hay; siempre hay rozamientos que no se pueden evitar.
4. Por último, hay que remarcar uno de los aspectos más diferenciadores de los vehículos eléctricos, es que el motor eléctrico puede hacer también de generador devolviendo energía a la batería. Por supuesto este proceso tiene un rendimiento a tener en cuenta: por un lado el motor funciona peor como generador, y por otro, que la parte del inversor que funciona como rectificador (para cargar la batería) tampoco tiene el mismo rendimiento.

El esquema del “flujo de energía”, similar al anterior, se puede ver en la siguiente figura, donde, al igual que en el caso anterior, he supuesto que todas las pérdidas son iguales. Lo que más me gustaría reseñar en esta ilustración es la recarga de energía al utilizar el freno regenerativo. Sin embargo, esta recarga varía mucho según el conductor y los trayectos que hagamos. Si se opta por utilizar un vehículo eléctrico creo que es necesario un replanteamiento completo de nuestra forma de conducir para obtener el máximo rendimiento.

Vehículos mixtos – Híbridos

Los vehículos híbridos tienen las características explicadas en los dos modelos anteriores, pero con la peculiaridad de que los dos motores están engranados. Considero que este es el tipo de vehículo más difícil de analizar según las pérdidas de energía, así que voy a analizarlo en funcionamiento independiente; primero con el motor térmico, posteriormente con el eléctrico, y finalmente las conclusiones sobre el funcionamiento en conjunto.

Vehículos híbridos funcionando con el motor térmico MHEV

1. El primer punto del almacenamiento del combustible y la obtención del punto caliente es similar al punto ya contemplado, así que no lo volveré a tratar.
2. Con respecto al ciclo térmico para transformar esa energía térmica, he de enfatizar que los vehículos híbridos no suelen utilizar el ciclo Otto típico de los motores gasolina (ni el ciclo Diesel de los motores homónimos), sino un ciclo Atkinson. Este ciclo es el “responsable” de que los motores consuman menos, ya que tiene un rendimiento superior al ciclo Otto, aunque es un ciclo pensado para funcionar a bajas revoluciones, y en motores que no se les “exija” demasiada potencia. Dicho esto, me gustaría remarcar que no se puede comparar un coche con motor gasolina con un híbrido; ni los motores son iguales, ni están pensados para funcionar igual. Si la memoria no me falla, en alguna comparativa de consumos de coches gasolina y coches híbridos en autopista, los híbridos consumen más (no están pensados para responder a esas cargas).
3. Con respecto a la transformación de la energía mecánica lineal en rotativa, la explicación es la misma que para los motores térmicos, así que al igual que en el primer punto de esta parte, haré referencia a esa explicación en lugar de repetirla.
4. En esta última parte de rendimiento mecánico del cigüeñal a las ruedas es donde me gustaría aclarar otra gran diferencia con respecto al vehículo con motor térmico normal. El eje de giro de los vehículos híbridos, además de tener que mover todas las piezas mecánicas igual que el motor térmico estándar, tiene que “arrastrar” el motor eléctrico, ya que (por norma general) no se desacopla del eje. Esta carga mecánica adicional hace que las pérdidas mecánicas sean mayores que en los motores térmicos analizados; por muy perfecta que sea la transmisión, siempre hay pérdidas.

El esquema de energía es similar al mostrado para los motores térmicos; sólo remarcaré la idea de que las pérdidas mecánicas son mayores por el simple hecho de tener que mover el motor eléctrico.

Vehículos híbridos funcionando con el motor eléctrico

En este caso, el funcionamiento es idéntico a los vehículos con motor eléctrico explicados con anterioridad, existiendo únicamente diferencia en el apartado de las pérdidas mecánicas. En el caso del funcionamiento en modo eléctrico, ocurre de manera similar que en modo térmico; el motor eléctrico tiene que arrastrar al motor térmico, con lo que las pérdidas mecánicas son mayores.

Vehículos híbridos en conjunto HEV

A pesar del análisis por separado que acabo de hacer, no nos podemos olvidar de que los vehículos híbridos HEV funcionan en conjunto, son los típicos Toyota Prius; el motor térmico y el eléctrico están “pareados” y funciona uno o el otro en función de las necesidades. En este punto creo que es donde más influye la forma de conducir a la hora de sacarle el máximo provecho a un vehículo híbrido. Si nos gusta pegar acelerones o conducir a alta velocidad el vehículo híbrido va a estar trabajando casi siempre en modo térmico. Si por el contrario, conduces a baja velocidad, sin aceleraciones bruscas, el vehículo funcionará en modo eléctrico.

A estos modos de funcionamiento hay que añadirle que la batería es pequeña, así que cuando haya que recargarla, el vehículo usará parte de la energía del motor térmico para recargarla (haciendo uso del motor eléctrico en modo generador). En su momento alguien me dijo que el inicio de los vehículos híbridos no fue el de transición a los vehículos eléctricos; el propósito era disminuir la contaminación de las ciudades: baja velocidad y modo eléctrico en el centro; alta velocidad y modo térmico en el extrarradio. Sin embargo, creo que este concepto se ha desvirtuado; “compro un híbrido porque consume poco”, nadie explica que eso sólo es cierto en función del uso que hagas del coche.

Vehículos mixtos – Híbridos enchufables PHEV

Las únicas diferencias entre un vehículo híbrido y un híbrido enchufable PHEV están en el tamaño de la batería y en la posibilidad de recargar ésta no sólo con la energía “sobrante” del motor térmico (y la frenada regenerativa), sino también enchufándolo a la red eléctrica. Este es el motivo por el que no voy a analizar estos vehículos, ya que están analizados en el punto anterior. Lo que sí diré es que estos coches me parecerían “casi” ideales para la etapa de transición al coche eléctrico. Pero, curiosamente, están apareciendo más tarde de lo que debieran.

Los híbridos enchufables tienen más autonomía en modo eléctrico que los híbridos normales, de manera que permiten un funcionamiento más “limpio” y, en caso necesario, tendríamos igual el apoyo del motor térmico. Sin embargo, me parece un fallo muy a tener en cuenta el problema de mover siempre los dos motores (como comenté al hablar de los vehículos híbridos). La pérdida de energía que supone tener que moverlos todo el tiempo es un problema para la eficiencia global del coche; ésta se podría aumentar si el motor térmico se usará sólo en caso de “emergencia”.

Vehículos mixtos – Eléctricos con autonomía extendida EREV

El problema que acabo de mencionar al hablar de los híbridos enchufables, se soluciona con los vehículos eléctricos de autonomía extendida, EREV en inglés. En este caso, el funcionamiento del coche es puramente eléctrico, aunque el coche dispone de un pequeño motor térmico que hace las veces de generador cuando haya que recargar la batería. Modelos de este tipo de vehículos son el Opel Ampera, su clon el Chevrolet Volt y el BMW i3 rex.

En estos casos, no ocurre como en los híbridos, el motor térmico está desacoplado del motor eléctrico. Esto permite que cuando sea necesario encender el motor, éste va a funcionar cerca de su punto óptimo, ya que es independiente de la velocidad del vehículo es ese momento. Personalmente, creo que este tipo de coches sí que son los ideales para la transición de vehículos térmicos a eléctricos, aunque no se puede olvidar que los motores térmicos que llevan deberían de usarse sólo en caso de “emergencia”, es decir, cargar la batería con cargadores, no con el motor térmico.

A la hora de explicar su funcionamiento me gusta remarcar que el motor térmico no es capaz de dar la potencia que consume el motor eléctrico (ni es la idea). Considero que su uso se puede entender como tener un coche eléctrico y que no me importe donde estén los cargadores en los viajes largos; llevo mi propio grupo electrógeno de emergencia integrado.
Por esta explicación es por la que me decanto por este tipo de vehículos para la etapa de transición. Mencioné que los híbridos enchufables llegaron tarde al mercado, pero creo que los eléctricos con autonomía extendida son los ideales para los escépticos que nunca les llega la autonomía de las baterías.

No he considerado en este análisis los vehículos de pila de hidrógeno FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle), aunque son eléctricos, su funcionamiento para ser limpio y libre de emisiones requiere de hidrógeno verde (generado por electrólisis con excedentes de energías renovables); lo predominante es el H2 gris, generado desde hidrocarburos. De momento dista mucho de ser rentable tanto por efectividad como por economía, aquí el libro de nuestra Universidad donde se explica toda la particularidad de este vector energético: https://bit.ly/Hidrogeno-almacenamiento-futuro-energia-electrica