lunes, 5 de mayo de 2014

Apuntes sobre el coche eléctrico. Un poco de física.

Apuntes sobre el coche eléctrico. Un poco de física.

Por Beamspot

Si vamos a hablar de coches eléctricos y de electricidad, es importante repasar algunos conceptos básicos sobre esta materia. Al lector adormilado por la lectura del apartado anterior le irá bien el espabilarse: esto afecta a la factura de la luz. No es algo específico del coche eléctrico, si no que, al menos, la primera parte, es algo más genérico sobre la electricidad.
Algunos de los términos más populares de la electricidad son los siguientes:
Tensión eléctrica, o potencial eléctrico. Es la medida de potencial o capacidad para generar un trabajo que tiene la electricidad. Se mide en Voltios, en honor al italiano Alessandro Volta, el inventor de las pilas [1]. Uno es algo pequeño, uno y medio es lo que da una pila alcalina, 12V (en realidad alrededor de 13.5 – 14) es lo que da la batería de un coche normal, y 220V suele ser la tensión normal en una casa. A partir de 60 se considera peligrosa (según la normativa ISO 6469).
Si, hablamos de física y aparece de repente un documento legal. No hay rincón donde no se inmiscuyan los leguleyos, pero en este caso considero que hacen falta. Estamos hablando de seguridad y de riesgo de muerte, así que esto no es broma. Y por tanto, debe haber algún tipo de regulación.
Otro término común es la corriente, o la cantidad de electricidad que pasa por un punto por segundo. Se mide en Amperios, en honor a André-Marie Ampère [2].
Los valores de amperaje dependen mucho del uso. Un equipo electrónico puede consumir microamperios en reposo, y un edificio industrial puede consumir miles de amperios. Una estufa de casa suele consumir entre 5 y 10 A en una toma de corriente de 220V. Podemos tener una tensión en un enchufe sin que haya ningún aparato enchufado, pero no una corriente.
La potencia eléctrica, como otras, se mide en Watios, en honor a James Watt [3] y es la medida de energía por unidad de tiempo en el sistema internacional. En electricidad, se puede obtener la potencia consumida por un elemento eléctrico simplemente multiplicando la tensión de alimentación por la corriente que consume.
Por ejemplo, una estufa de 220V y 10 A está consumiendo 2200W (220 x 10). Eso no es una estufa muy pequeña. Una vitrocerámica consume entre 500 y 3500 W. Una bombilla de bajo consumo, menos de 20W. Un aire acondicionado entre 500 y 1500W. Un taladro eléctrico, del orden de 300 o 400W, valores parecidos a una nevera. Una tele, unos 50 – 100W.
Sin embargo, ya que vamos a hablar de coches, en automoción otra medida habitual es el Horse Power (Potencia de Caballo, pero en inglés). Pronunciado en un inglés con tono posh queda de lo más resultón como técnico, pero eso es todo. Bueno eso y que equivale a unos 746W, aunque hay variaciones según se use o que se escoja el equivalente hispánico del Caballo Vapor, que en realidad equivale a 736W, aproximadamente.
Dado que los coches tienen bastante potencia en CV o HP (ojo, no confundir con Hewlett Packard), lo habitual suele ser expresar la potencia eléctrica en KW (kilo, mil Watios) para este tipo de vehículos. Para barcos se usan múltiplos mayores, los MegaWatios, que equivalen a 1 millón de W. Para generadores y plantas eléctricas, estamos hablando de decenas a centenares de MW. Para la potencia instalada total en un país, ya estamos en el orden de GigaWatios (1000 MW), y a nivel mundial, TeraWatios (1000GW).
Habitualmente, un hogar en España tiene contratada una potencia del orden de 4 a 10KW. Un coche tiene potencias del orden de 40KW a 150KW, con los súper deportivos claramente por encima de estos valores. Como se puede ver, un coche demanda bastante más que una casa, y eso, en su momento, será importante.
En la factura de la luz, hay un término fijo bajo el concepto de ‘potencia contratada’, que es la potencia máxima que podemos demandar al proveedor, y en teoría, hay un elemento protector (magnetotérmico) que ‘salta’ si se sobrepasa el límite más una cierta tolerancia. Este es el término que más o menos se suele mantener fijo, y que no depende del consumo, y uno de los pocos sobre los que podemos actuar fácilmente para reducir la factura.
Y queda un término importante por explicar. La energía. Es decir, la potencia gastada durante un tiempo. Por eso, aunque la medida habitual es Julio, y también suene la Caloría, lo que nosotros pagamos a las compañías eléctricas bajo el epígrafe ‘Consumo’ son KWh o KiloWatios – hora.
Si tenemos una estufa de 1KW de potencia (valor más o menos habitual) encendida durante una hora, habremos consumido un KiloWatio-hora. Simple, ¿no?
1KWh equivale a 3.6 millones de julios o 3.6MJ o alrededor de 860KCalorías. Es la unidad básica de facturación de energía eléctrica en todo el mundo. Sin embargo, no todos los KWh son iguales.
Por las maravillas de esa ciencia esotérica, lo KWh se pueden discriminar, separar, en KWh diurnos y KWh nocturnos, para facturar a diferente precio. Eso es importante a la hora de reducir la factura de la luz, y por tanto, a la hora de calcular consumos, bien sea de poner una lavadora, bien sea de poner a cargar el coche eléctrico.
Más adelante, cuando hablemos de baterías, un elemento de medida importante será la energía que éstas pueden almacenar. Evidentemente, lo mediremos en KWh. Sin embargo, las baterías suelen dar su capacidad en Amperios – hora. La conversión se realiza multiplicando la tensión nominal en Voltios, por la capacidad nominal en Amperios – hora.
Pero ¿Qué es un Amperio-hora? Pues nominalmente lo llamaremos a la capacidad de suministrar en descarga un amperio de forma continua durante una hora seguida. Se usa esta medida debido a que la tensión varía según el estado de carga, y lo veremos en más profundidad en epígrafe correspondiente.
Una última fórmula importante, aunque sólo se usará en este apartado, es la de las pérdidas en un conductor metálico, resistivo. También conocidas como pérdidas por efecto Joule, se expresan en Watios = I2*R, donde I es la corriente en amperios que circula por el conductor, y R su resistencia eléctrica, en Ohmios (en honor a Georg Simon Ohm [4]).
La resistencia eléctrica depende de la longitud (expresada habitualmente en metros) del cable: más largo, más resistencia, y de la sección (habitualmente expresada en mm2) de la misma, más sección, menos resistencia.
Esta aparente inocua expresión matemática tiene sin embargo serias implicaciones. Básicamente fuerza a que se usen tensiones lo más elevadas posibles para reducir la corriente al transmitir una potencia sobre unos conductores. También fuerza a usar cables lo más gordos posibles.
Y esto es válido para cualquier caso, tanto sea la MAT como el coche eléctrico como el enchufe de casa. La MAT, pensada para llevar mucha potencia, del orden de cientos de MW, y una gran longitud, cientos de Km, trabaja a 400KV. No en vano, la REE cita una media de pérdidas por transmisión y transformación (los enormes transformadores básicamente tiene pérdidas por este tipo de pérdidas) del 9%, aunque en los picos de demanda, en ciertos lugares, las pérdidas pueden suponer hasta el 40%.
Los coches trabajan a unos 300 – 400V para unas decenas de KW. Aún así, los cables del motor son gruesos con ganas. Si para las estufas de casa, a 10 A se ponen cables de 4 mm2 de sección, los cables de los motores de coche, para 400 A se ponen entre 50 y 100 mm2 lo cual es enorme: una barra de un centímetro de lado de cobre. Estamos hablando de cables del grosor de un dedo. Y no sólo el cable que va al motor, sino también el bobinado que hay dentro del motor también tiene que estar dimensionado de la misma manera.
Como muestra un botón: un motoalternador de un coche con Start-Stop, que suelen estar dimensionados a unos 10KW, para ‘chupar’ de la batería de plomo del coche, a 12V, demanda del orden de 1000 A. Lleva tres cables (son motores trifásicos), si estos cables son de 1M de largo cada uno, fácilmente pueden perder 1KW en el conjunto de los tres cables. Es decir, tiene unas pérdidas del 10%, con una resistencia mínima de 1 miliOhmio (realmente muy muy baja).
Si dicho motor funcionase a 120V, la corriente necesaria sería de menos de 100 A, y con los mismos cables de 1 mOhm, las pérdidas serían de 10W.
Dicho de otra manera: hay gran cantidad de pérdidas que la gente generalmente no ve, u obvian los optimistas, pero que luego ‘pesan’ y hace que los números reales no cuadren. Este es un ejemplo.
Otra observación: estos cables gruesos, pesan. Son habitualmente de cobre, que no es barato. Se puede usar aluminio, pero la resistencia eléctrica es peor (por sección, pero no por peso), con lo que haría falta que fuesen mucho más gruesos si fuesen de este último material. Y tanto el cobre como el aluminio, son caros. Además, se usan muy profusamente en el coche eléctrico, básicamente, por estas causas. Y donde más se utilizan, es en las baterías.
Volviendo al tema legal, hay un asunto importante, aunque generalmente desconocido, que es el del aislamiento eléctrico. Resulta que el aire es un mal aislante eléctrico, que ahora mismo comentaremos, pero es que resulta que además, muchas veces se deposita suciedad en los circuitos eléctricos, que también pueden enviar al traste los aislamientos si no se tiene en cuenta.
Estos detalles han propiciado, acertadamente en mi opinión, la proliferación de ‘normativas de seguridad’. Por ejemplo la EN-61010, que es una que tengo por mano, pero que además es relativamente sencillita. Por supuesto, hay más, especialmente en el sector de la automoción.
Y no son tan directas como parece. Más que nada, porque el aire no sólo es mal conductor, si no que no se comporta igual en la costa mediterránea que en México capital o en Saint Moritz, puestos por caso. Resulta que el aire, y en general los gases, cuanta menos presión, más fácilmente conducen, hasta que dicha presión es tan baja que ya no hay aire para conducir.
Uno de los ‘efectos colaterales’ de este comportamiento, es la llamada cromatografía de gases. Otro, que muchos coches tienen que poder funcionar aunque estén en cotas muy altas (a más altura, menor presión atmosférica), pues que se sepa, hay coches en México y Saint Moritz. Y eso impone separar más los conductores, cosa que en electrónica significa directamente aumento (significativo) del tamaño, y eso es negativo, o añadir capas de aislantes mejores que el aire, y eso además, es sucio y caro.
Todo esto tiene que ver con que puede saltar la chispa, arco eléctrico o descarga eléctrica a través del aire. Y con tensiones de más de 60V, corrientes de más de 100 A, y personas, no se juega.
El coche eléctrico es muy peligroso, más aún cuanto más profundicemos en él, aunque de momento, saber que tensiones de trabajo del orden de 300V son habituales, y que además, se pueden calentar componentes como los cables. Así que uno no sólo puede electrocutarse, sino que también puede quemarse.
Que no cunda el pánico (aún). Pasa exactamente lo mismo en casa. Uno puede electrocutarse con el enchufe, y quemarse con la cocina o una estufa. Y sin embargo, no es algo habitual.
Pero para los bomberos que acuden a un accidente de tráfico, o para los mecánicos del coche, sí representa un añadido importante.
Referencias:

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