Análisis en profundidad sobre la viabilidad del coche eléctrico

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Queridos lectores,

Beamspot es un ingeniero con años de experiencia que escribe con cierta frecuencia en el Foro Crashoil. Hace ya algún tiempo me ofreció una larga serie de artículos para discutir de manera bastante detallada los problemas que hacen inviable la opción del coche eléctrico, y analiza también otros aspectos interesantes (como si realmente se puede considerar a los vehículos eléctricos como una "opción verde", tal y como evoca la imagen que abre este artículo). Los artículos tienen muy buen nivel y creo que arrojarán mucha luz en esta discusión en particular. Como la serie es muy larga (tiene cuatro partes con unos cuatro artículos cada parte) y cada parte será publicada de manera no consecutiva he creado esta entrada donde iré actualizando los enlaces a cada artículo, y así se podrá enlazar el conjunto de manera sencilla.

Lista de los artículos:

• Apuntes sobre el coche eléctrico:
• Introducción y un poco de historia.
• Un poco de física.
• El balance energético teórico.
• Motores eléctricos y transmisión. 

• Apuntes sobre baterías para coches eléctricos:
  • Fundamentos.
  • Baterías de litio.
  • Futuro y otros elementos de almacenamiento.
  • Hidrógeno.  
• Apuntes sobre otras componentes.
• Apuntes sobre Vehículos Híbridos.
• Apuntes sobre la fabricación del coche eléctrico. El punto de vista de los fabricantes. 
• Apuntes sobre vehículos eléctricos: algunos números. 
• Apuntes sobre la logística en los vehículos eléctricos e híbridos
• Apuntes sobre coches eléctricos: Electrificación
• Apuntes sobre coches eléctricos: Petróleo
• Apuntes sobre el coche eléctrico. ¿Futuro?
• Apuntes sobre el coche eléctrico: Epílogo

Salu2,
AMT

Qué es la densidad energética y por qué es tan importante

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Queridos lectores,

Luis Cosin me ha hecho llegar un par de ensayos sobre dos conceptos clave para comprender las dificultades que tendremos que remontar en las próximas décadas: la densidad energética y la intensidad energética.

En el ensayo de hoy discutirá el primero de esos conceptos, la densidad energética. Con su estilo didáctico habitual, Luis nos explica el concepto y por qué algunas de las propuestas de sistemas energéticos que se discuten hoy en día no cumplen con las expectativas de un sistema que siempre necesita crecer. Espero que les resulte útil.

Salu2,
AMT

EL PROBLEMA DE LA DENSIDAD ENERGÉTICA

La energía para uso humano debe capturarse desde las fuentes de energía genuinas y transferirse minimizando el coste y las pérdidas hasta los lugares en los que se le va a dar el uso final.

Este proceso de captura y de transporte usa lo que se conoce como “vectores”, que son materiales y sustancias capaces de almacenar energía de forma recuperable, con pocas pérdidas y con una densidad energética que las haga usables en la práctica.

Cada uno de los vectores, como son la electricidad (que entenderemos como diferencia de potencial entre dos conductores eléctricos), los combustibles refinados, el gas extraído de pozo, el hidrógeno…etc. introduce además sus propias limitaciones físicas, que condicionan los usos para los que son adecuados.

Uno de los principales es la densidad energética, que es la cantidad de energía acumulada en un vector energético por unidad de volumen o de masa (según el contexto).

En general, son preferibles las fuentes de energía y los vectores de mayor densidad, ya que muchos usos finales requieren la concentración de dicha energía, y concentrar la energía de un vector requiere el consumo de una parte de dicha energía en el proceso.

El gasto energético del transporte y almacenamiento en condiciones adecuadas es función directa de la masa y el volumen, y de nuevo aparece la densidad energética como uno de los principales factores limitantes.

Por ejemplo, el gas natural descomprimido a la salida de pozo no es utilizable directamente en las aplicaciones humanas, sino que debe ser licuado a una milésima parte de su volumen normal, en un proceso de concentración que consume una parte significativa de la energía que contiene, para poder ser transportado y utilizado eficientemente.

El siguiente cuadro da una idea gráfica de las intensidades energéticas de varios vectores energéticos:

En general, los combustibles, especialmente los de bajo peso molecular, tienen densidades energéticas muy superiores (casi en dos órdenes de magnitud, es decir, una proporción de 100 a 1) a las de los dispositivos de almacenamiento eléctrico, entre los cuales los más eficientes en términos de energía almacenada por unidad de masa, siguen siendo las baterías de ión-litio.

Esto explica, por ejemplo, el elevado peso y la baja autonomía relativa de un vehículo eléctrico frente a un motor convencional de combustible derivado del petróleo o del gas natural.

Se trata de una limitación difícilmente salvable, a no ser que aparezcan nuevas tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica mucho más eficientes y con una densidad energética de 10 a 100 veces mayor.

Los mejores acumuladores eléctricos apenas llegan a 1/100 de la energía acumulada en un peso equivalente de combustibles refinados del petróleo, y las más habituales (las de plomo y las de níquel), apenas alcanzan un 3/1000.

Tipo	Energía/ peso	Tensión por elemento (V)	Duración (número de recargas)	Tiempo de carga	Auto-descarga por mes (% del total)
Diésel	11700 Wh/Kg
Gas Natural	10800 Wh/m3
Plomo	30-40 Wh/kg	2 V	1000	8-16h	5 %
Ni-Fe	30-55 Wh/kg	1,2 V	+ de 10 000	4-8h	10 %
Ni-Cd	48-80 Wh/kg	1,25 V	500	10-14h *	30%
Ni-Mh	60-120 Wh/kg	1,25 V	1000	2h-4h *	20 %
Li-ion	110-160 Wh/kg	3,16 V	4000	2h-4h	25 %
Li-Po	100-130 Wh/kg	3,7 V	5000	1h-1,5h	10%

El hidrógeno, en teoría, presenta una densidad energética muy interesante, pero esta afirmación es sólo una media verdad, ya que obvia el hecho que aún no se conocen formas seguras y eficientes de almacenar dicho hidrógeno con una densidad energética suficientemente alta, que permita su uso en las aplicaciones a las que se pretende destinarlo.

Se descarta prácticamente el almacenamiento duradero en tanques o depósitos, por la peligrosidad de su manejo, la fatiga y envejecimiento a la que el hidrógeno somete los materiales (el hidrógeno elemental es muy reactivo y forma aleaciones quebradizas y frágiles con casi todos los metales, debilitando las estructuras), y la imposibilidad de contener las lentas y persistentes fugas a través de las paredes (el hidrógeno es la molécula más pequeña con diferencia, y se difunde con mucha facilidad a través de los poros y las grietas de casi todos los materiales).

Quedan por explorar las posibilidades del almacenamiento de hidrógeno por adsorción sobre materiales de muy elevada porosidad (por ejemplo, nanotubos de carbono), o la formación reversible de hidruros metálicos, sistemas que en la actualidad no consiguen superar, en las mejores condiciones de laboratorio, el 5-10% de peso en hidrógeno y tienen, por tanto, una densidad energética superior a la de las baterías de ión-litio, pero aún muy por debajo de la de los combustibles fósiles.

Los hidrocarburos y el carbón, en este sentido, siguen siendo los reyes por su gran densidad energética y la gran versatilidad de sus aplicaciones. La maquinaria pesada es, hoy en día, impensable sin estas sustancias. Sus cualidades hacen intuir que, en el futuro, quizá sigan siendo vectores energéticos muy usados, aunque su origen ya no sean los pozos petrolíferos o gasísticos, sino que provengan de procesos de síntesis (como el proceso Sabatier) a partir de la energía procedente de otras fuentes.

Referencias:

http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_de_energ%C3%ADa

http://www.uclm.es/area/amf/Antoine/Energias/baterias.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Adsorci%C3%B3n

http://www.google.es/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web&cd=1&ved=0CC4QFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.aah2.org.ar%2Falmacenamiento.htm&ei=FsSAUrStAaml0QWYsoD4CQ&usg=AFQjCNGRT0LsBYS30j-5jP_m8qqfA_zTKA

Viabilidad y límites de las Energías "Verdes"

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Querido lectores,

Siguiendo con el actual ritmo de publicación, doy paso a un análisis sobre la viabilidad de los sistemas de generación de energía renovable, efectuado por un ilustre lector y compañero de tertulia en Radio Libertad, un viejo conocido de Crisis Energética: Rafael Íñiguez. Rafa ha tenido la amabilidad de desarrollar en todo un post un comentario que intercambiamos el otro día. Les dejo con su análisis, que no sólo es excelente sino que tiene graves implicaciones para nuestro futuro.

Salu2,
AMT

 

Viabilidad y límites de las Energías ‘Verdes.’

Diciembre de 2011.

No soy científico, soy analista; no me preocupan los datos absolutos, tan solo cómo los componentes ‘económicos’ actuales interactúan. Ninguna gran industria es fina en sus apuntes, se estiman y aproximan datos, que en algún momento un técnico firma y se publican; y desde ese instante pasan a conformar los ‘datos de nuestra realidad’, y en ciertos casos son hasta la ley. Así de burdo es el mundo real: las medidas exactas casi nadie, ni las tiene, ni las quiere; sólo los científicos cuantifican exactamente para conocer las leyes naturales y prever los sucesos dentro de ciertos límites. Sin embargo, el universo no se desvía ni un infinitésimo de las leyes naturales que nos rigen, y se ríe de nosotros a cada paso en que nos equivocamos, o cuando pretendemos hacerle trampas.

En el universo en que vivimos sólo existen manifestaciones de la energía que hemos conducido a nuestros fines e intereses mediante la tecnología inventada por nosotros los humanos. En los últimos 25 años, le hemos incorporado el control electrónico y sobre éste, el informático, y la disponibilidad de vastas cantidades de energía, ahora controlables nos han hecho creer ser dioses; hemos quemado y transformado tanta energía como hemos querido, sin pensar mucho más allá de nuestro capricho y vanidad. Ahora, la energía disponible para cada uno está disminuyendo, y vemos además como nuestro entorno, se ha deteriorado notablemente a causa de nuestras actividades energéticas. Todos estamos contrariados, enfadados, porque nos echan de nuestros tronos, pero en realidad no somos reyes de nada: solo hemos sido unos advenedizos y nos llega la hora de despertar de lo que fue ‘el sueño de un día’.

Tras ésta necesaria introducción les voy a hablar de otro destronado, el buque insignia de la flota salvadora de nuestro sueño. Entre las energía renovables, la que parecía más prometedora, la energía eólica, los majestuosos aerogeneradores que nos iban a garantizar el suministro de electricidad para el confort de nuestros hogares, el funcionamiento de nuestras ciudades y la capacidad generadora de nuestra fábricas. El dios Eolo a nuestro servicio. ¡Qué dominio del mundo tan completo!

La falta de conocimientos específicos que todos tenemos de las ramas del saber que no dominamos nos hacen muy vulnerables a la confusión; pero si además existe la intención de confundirnos, el cóctel es perfecto. Nos hablan de las energías renovables y de sus excelencias, que son limpias, inagotables, gratuitas, ecológicas, verdes..., la mayoría de estos calificativos son correctos, pero no nos lo cuentan todo; una cosa es la energía en sí y otra su captación, su transformación, y su transporte.

En el caso de la energía eólica, la captación supone una obra de ingeniería muy complicada, multidisciplinar y costosa, desde la fabricación del molino, el estudio del emplazamiento, la limpieza forestal del mismo, la realización de viales con curvas de grandes radios, los movimientos de tierras, la cimentación, el montaje, la instalación, el transporte de todos los componentes, las instalaciones de alta tensión con las necesarias talas forestales, los alquileres de los terrenos, los estudios de impacto medioambiental, los costes administrativos...; todos estos trabajos suponen un elevado esfuerzo económico, ecológico y energético.

Una vez todo instalado, necesitamos un viento fuerte y constante, pero para nuestra desgracia éste suele ser intermitente y variable; se manifiesta desde ligeras brisas no aprovechables a huracanes destructores, en una intemperie extrema, con saltos de temperatura de hasta 50 grados y lluvias, nevadas, heladas, insolaciones, rayos... y esto en una instalación continental. Las instalaciones off-shore o marinas, son una aventura tecnológica aun mayor, con todos los inconvenientes anteriores, y además, con los problemas de la ubicación en el mar, el corrosivo ambiente marino y la fuerza de las olas, y todo se suple y se vence a base de inyectar energía, ¿adivinan su procedencia?..., sí, principalmente del petróleo, máquinas diésel, hormigón armado, costosas fibras y materiales sintéticos de las petroquímicas, preciados metales como las tierras raras, elaboradas aleaciones  -de un gran coste energético-, el cobre y los aceros. Un gran festival de energía, pero no obstante, un aerogenerador devuelve en energía eléctrica de 50 a 60 veces la inversión energética de su construcción en las instalaciones en tierra firme y la mitad en los situados en el mar y todo esto durante una vida de 20 ó 25 años. Claro que esto solo ocurrirá si aún con la crisis se mantienen y miman; si no, ocurrirán sucesos imprevistos, como por ejemplo, que no puedan funcionar porque les roben las líneas eléctricas de cobre. 

Una vez en marcha este sistema de captación, queda qué hacer con la energía que tenemos en el par de fuerzas del eje del aerogenerador, que hay que transformarla en energía eléctrica. Con las limitaciones que nos impone el 2º Principio de Termodinámica en el proceso de transformación perderemos  energía, y otra parte se disipará por fricción en calor y en esfuerzos de torsión. Después, tendremos que transportarla hasta la red eléctrica principal, sincronizarla y llevarla al normalmente lejano punto de consumo, y todo esto supondrá que a la energía que nos quedaba tendremos que descontarle otro 50% más de pérdidas, así que, con suerte, la cuarta parte de la energía mecánica aprovechable del viento nos servirá a nosotros, y la mayor parte de las veces aún menos, así de limitados son nuestros aprovechamientos de alta tecnología, pero no porque seamos torpes o ignorantes, son leyes físicas que imponen estas proporciones, sin posibilidad de negociarlas.

¿Por qué he hecho esta descripción tan ensañada en las pérdidas?, Por dos motivos: uno, mostrar la ineficiencia en sí del propio sistema de captación; otro, justificar que el otro 50 % que queda en el molino, no se desintegra como en las películas de Star Trek, muy al contrario, hace muy bien su trabajo de fastidiarlo todo. ¿Porque? Muy sencillo, esa energía desgasta, calienta, fatiga, degrada, deteriora, rompe... ¿Qué? Piñonería, rodamientos, lubricantes, fijaciones, estructuras, materiales de juntas, retenes, transformadores, circuitos, semiconductores, etc. ¿De qué estoy hablando? De la doble contabilidad que conlleva la eficiencia, debido a los continuos costes de 'mantenimiento', esa palabra olvidada en nuestro país cuando se planifica, y que nos recuerda permanentemente la caducidad de todo, y más de lo que está sometido a grandes tensiones y esfuerzos, y que si hace más esfuerzo menos durará; si más hostil es el ambiente, aún menos; y si pasamos de determinadas escalas cuanto más grande más vulnerable será. Un gigante de varios megavatios en la cumbre de una serranía española, imponente al principio, cederá a las fuerzas de la climatología, más pronto que tarde. 

Principales averías de un aerogenerador

Un forero argentino, participante en los debates de energía, resumía situaciones de su profesión de técnico de mantenimiento de un parque eólico en la Patagonia, y nos contaba la aparición de averías, sobre todo cuando las condiciones climáticas eran extremas, y las muertes de compañeros por accidentes en torres de 80 metros de altura, trabajando en escaleras heladas, con poca luz y fuertes vientos. También contaba que en el parque en el que él trabajaba, los molinos gigantes prácticamente no daban beneficios por los altos costes de mantenimiento, y como éstos se iban abandonando para centrarse en los aerogeneradores medianos y pequeños más fáciles de mantener y que tenían una mayor rentabilidad.

¿Que podemos aprender de todo esto? Pues la evidencia: el viento es renovable, los aerogeneradores no. Los aprovechamientos de energías de fuentes renovables no son autosuficientes y su construcción, instalación y mantenimiento son completamente dependientes de la disponibilidad del petróleo y de las demás energías fósiles. Y yo iría mas allá: diciendo que necesitan que las energías fósiles sigan siendo muy rentables, o dicho de otra forma, que sean abundantes y por ende, baratas, lo que es en realidad nuestra mayor preocupación, porque esta premisa se acaba y esto es lo que nos ha empujado a buscar soluciones en las renovables. ¿Es lo que parece? Sí, estamos en una situación de bucle en la que gastamos energía fósil sin parar y no existe condición de salida con una solución. 

Esta problemática está descrita y reconocida en el estudio de la crisis energética, como que los actuales aprovechamientos de energías renovables son usados como un ‘Fossil Fuel Extender’, o extensiones de los combustibles fósiles. Al final, sólo los Estados y las grandes empresas pueden desarrollar estas industrias que resultan ser un exclusivo BAU más. Sólo que dependiente de una regulación legal energéticamente desastrosa y unas subvenciones públicas mas desastrosas aún, ya que sobre la verdadera sostenibilidad energética no ha intervenido, sólo se ha hecho para el beneficio económico rápido y la promoción política. 

Debido a que existió una confluencia de condiciones como la necesidad de mayor suministro energético propio y libre de emisiones, la existencia de abundante capital inversor público y privado, la falta de rigor en el estudio de la rentabilidad real, un claro apoyo de los gobiernos y la visión de oportunidad de negocio de las grandes corporaciones, ahora convertidas en ‘ecológicas’, se comprende el por qué se ha producido la reciente proliferación de instalaciones de parques eólicos por todo el mundo. Lo principal, como siempre, ha sido la alta ‘rentabilidad’ económica, pero no por su propia naturaleza, sino por la facilidad del crédito, las onerosas subvenciones y el pago subvencionado de la generación eléctrica eólica. Esto desató una codicia inversora, que llevó, por ejemplo, la acción de Gamesa hasta 35 € cuando ahora no vale ni la décima parte. Si la energía eólica, tal y como está montada, realmente fuera rentable, habría subido como la espuma, al igual que los precios del petróleo o de la propia electricidad. Sin la burbuja financiera y las ayudas estatales, las ‘energías renovables’ tienen discretos retornos y en las que no calculó correctamente su rentabilidad, fácilmente demostrarán ser un sumidero. De hecho está sucediendo, por ejemplo, que campos eólicos enteros se están abandonando en los Estados Unidos en la llamada 'debacle verde'.

Podríamos también analizar la energía solar fotovoltaica, o los biocombustibles, que tienen una TRE mucho menor, pero esa sería otra larga y detallada historia de picaresca, pelotazos y desvaríos, que adelanto, es más de lo mismo. Por tanto, no son en sí fuentes energéticas en la que podamos confiar nuestro futuro.