Por el Ing. Hector L. Gasquet

INTRODUCCION

La pregunta clásica es: ¿Por qué el auto (carro en otros lugares de habla española) eléctrico no se ha difundido? Respuesta: la tecnología no ha alcanzado a satisfacer los deseos del consumidor moderno.

Esta respuesta conduce a una nueva pregunta: ¿Qué es lo que el consumidor moderno pide?  Respuesta: un producto que reemplace al existente, el auto con motor de combustión interna (MCI). Remplazar implica, en la mente del consumidor, por lo menos tres condiciones esenciales:

  1. Igual rango de acción (Km de recorrido por carga energética).
  2. Costo comparable.
  3. Durabilidad comparable.

ENSEÑANZAS DEL PASADO

Quiero resaltar, citando algunos datos históricos, las consecuencias que trajo la aceptación, por parte del consumidor, del auto con MCI, ya que un fenómeno similar ocurrirá cuando la tecnología del auto eléctrico (AE) alcance aceptación. Este período histórico tiene dos partes: antes de Henry Ford, y después de Henry Ford.

Antes de que Henry Ford creara su segunda fábrica (1911), los europeos habían fabricado miles de automotores, pero estas unidades, muy elaboradas, eran adquiridas sólo por un sector social con enorme capacidad de compra. Cuando Ford crea su segunda fábrica, ya que los inversores en la primera estaban en contra de su idea, su obsesión fué producir un automóvil que la mayoría de sus compatriotas pudieran comprar, hechos con la mejor calidad que pudiera incorporar en el producto. Para abaratar los costos inventó la producción en serie, lo que le permitió satisfacer la enorme demanda que tuvo su producto.

Resultado: el Ford T (el Ford “a bigotes” de mi infancia), un automotor casi legendario. Como nota adicional, agregaré que el Sr. Ford pagó 15 dólares por día a sus trabajadores, unas 5 a 10 veces el salario de entonces, para que ellos pudieran comprar lo que fabricaban. El bajo costo del producto, y su alta calidad, representaron una fuerte competencia para los AEs que ya circulan.

La historia del AE comienza con la invención de la batería recargable de plomo-ácido (Gaston Planté, 1859), la que, por primera vez, permite almacenar energía eléctrica en un vehículo. Las constantes mejoras introducidas a la misma culminan con la introducción del primer vehículo eléctrico capaz de transportar varios individuos o carga, producido por el ingeniero inglés Thomas Parker en 1888 (Figura 1). Agrego, como nota complementaria, que Parker había previamente electrificado los tranvías y los subterráneos en un Londres que agonizaba con la polución generada con el quemado de toneladas y toneladas de carbón para calentar las casas londinenses.

¿Aceptaba el consuauto de thomas parkermidor de fines del siglo XIX y comienzos del siglo XX al AE? Yo diría que en forma parcial, ya su costo superaba al de su contraparte, el MCI. Sin embargo, para un grupo social con recursos económicos amplios, el mayor costo del AE se justificaba ampliamente, pues no tenían que luchar dándole manija para arrancar el motor (sobre todo si la temperatura exterior estaba por debajo del 0ºC) y todos ellos ofrecían una lujosa cabina cerrada, muy conveniente en días fríos o lluviosos, con ventanillas que podían abrirse parcialmente en el verano.

¿Satisfacía al consumidor de esa época el escaso rango de acción y la baja velocidad con la que podían desplazarse? La respuesta es: Sí, ya que no había ni calles ni carreteras pavimentadas. La necesidad de movilidad era urbana, en ciudades con calles de tierra que tenían enormes huellas en días secos dejadas por todos los medios de transporte, las que se convertían en lodazades con la lluvia, o al derretirse la nieve.

Es fácil entender porqué en los EEUU las mujeres preferían al AE. Esta popularidad se refleja en los avisos de la época, donde siempre aparece una mujer elegantemente vestida contemplando un AE.

Varias fábriBatería Edisoncas, tanto en Europa como en los EEUU, comienzan a ofrecer autos y camiones eléctricos. Alguna de ellas (EEUU) usaban la batería de níquel-hierro (Ni-Fe), que Thomas A. Edison fabricó en cantidades industriales a principios del siglo XX (1910). La Figura 2 ilustra un auto con esta tecnología.

Todo cambia en 1912, cuando el ingeniero norteamericano Charles Kettering inventa el motor de arranque eléctrico, después de inventar el cajón de abertura automática de una caja registradora.

La aceptación de un más alto costo para el AE recibe un “golpe casi mortal”, y digo casi porque el verdadero golpe mortal lo trajo la creación de una infrestructura de apoyo al MCI.

Este movimiento fué impulsado por los nuevos intereses petroleros, que vendían la nafta (gasolina en otros países de habla española), y los gobiernos, que dan a la nueva tecnología un enorme valor económico, militar ó unificador (EEUU).

El EV-1 de GM

Este tema, el de la infraestructura, es extremadamente importante. Cuando el AE alcance la aceptación del consumidor, el problema de proveer estaciones de carga (o reemplazo) de baterías deberá ser resuelto. Esta consideración suele escapársele al lector que piensa, exclusivamente, en el aspecto tecnológico del problema.

Antes de que existieran las carreteras y estaciones de servicio, poco importaba si el auto con MCI podía cubrir más kilómetros que el AE, o alcanzar mayores velocidades. Pero cuando la infraestructura se convirtió en realidad, el AE no pudo satisfacer los deseos del consumidor. La inexistencia de mejores baterías agudizó el panorama competitivo, y el mercado para el AE debió esperar hasta fines del siglo XX (1999), cuando aparece el EV-1 de la GM (Figura 3).

Hoy día el AE necesEl tesla Roadsterita otro Henry Ford. Yo creo que el fundador de Tesla, el Sr. Elan Musk es esa persona, ya que decidió crear un AE completamente nuevo, capaz de competir con otro de combustión interna. Como Ford, está obsesionado con bajar su costo, mantener una excelente calidad y crear la infraestructura que apoye la popularización del mismo.

Por el momento ha llegado a cumplir con su primera meta: un AE igual o mejor al que usa un MCI. El nuevo mojón es abaratar el costo y, al mismo tiempo, impulsar la creación de una nueva infraestructura de apoyo.

Al respeto, las condiciones han cambiado muchísimo, ya que a principios del siglo XX el servicio eléctrico domiciliario no estaba popularizado, mientras que hoy es muy común. Esto permite a Tesla (y a otras compañías) ofrecer, gratuitamente, asistencia técnica al comprador que opta por instalar una estación de carga a nivel profesional en su casa. La creación de la infraestructura es necesaria para permitir los viajes “a cualquier parte”.

Su manera de pensar cubre todos los aspectos del costo de un auto, incluso el costo de compra. Al respecto quiere eliminar al intermediario, el agenciero, y vender su producto directamente al consumidor. Su campaña, resistida furiosamente por la asociación nacional de agencieros, sólo ha conseguido su fin en muy pocos estados. Otro aspecto que contempla es que las estaciones de carga que estén lejos de la red eléctrica sean solares.

Su espíritu emprendedor lo muestra al estar al frente no sólo de Tesla, pero de una empresa que diseña y fabrica nuevos cohetes espaciales (X-Space) en contrato con la NASA y otra que genera energía eléctrica solar (Solar City Corp.).

CARACTERISTICAS TECNICAS DE AMBOS VEHICULOS

Empezaré por señalar qué tienen en común. Ambas versiones acumulan un valor finito de energía dentro de su estructura, la que transforman en energía mecánica, la que permite mover las ruedas del vehículo. Para que lo aceptemos, deberá tener un rango de acción de cientos de Km, alcanzar velocidades de más de 100 Km/hr en el menor tiempo posible, hacer funcionar la radio, el sistema de aire acondicionado (calor/frío), el sistema satelital de ubicación, un poderoso equipo de audio, etc, etc, etc. Mencioné estos detalles para que el lector (consumidor) no se olvide de que sus “necesidades” requieren el uso de energía, y se convierten en requisitos mínimos para la venta de la nueva unidad.

La acumulación de energía es lo único que tienen en común. El valor porcentual de la eficiencia de conversión es drásticamente distinto. Para un auto con MCI ésta sólo representa un 15% de la energía almacenada.  En un AE este valor es del 75%.

Quiero señalar que los valores dados, 15 y 75%, respectivamente, consideran al automotor solamente. Lo aclaro porque algunos investigadores incluyen las eficiencias de las usinas de generación, lo que baja drásticamente el valor del porcentaje de eficiencia del AE. Entiendo el mensaje, pero me resulta incompleto, pues no existe manera alguna de traducir en porcentajes de eficiencia los daños ambientales derivados de la extracción y el transporte del petróleo (o carbón), nunca asumen la generación eléctrica usando energías renovables, y siempre se olvidan del tema de la polución ambiental.

COMPARACION

Dado que un motor eléctrico puede convertirse en generador, al frenar el vehículo, la pérdida de energía cinética se transforma en corriente de carga para el banco de baterías.

Otra enorme diferencia es el grado de polución que producen. AE = CERO. Auto con MCI = a lo que respiramos todos los días más la contribución al calentamiento global.

Dado que el tipo de energía acumulada es diferente (química en uno; eléctrica en el otro), necesitamos recurrir a un factor de conversión para comparar los diseños. A este valor se lo conoce como el valor eléctrico equivalente para la nafta. Informaciones técnicas provenientes de los EEUU dan el valor en Cal/galón. Utilizan para este coeficiente la abreviatura GCE (Gasoline Convertion to Electricity).

Para mantenernos en el sistema métrico yo daré su valor en KWh/lt (8,82 KWh/lt). Este valor representa un valor promedio, ya que existen una gran variedad de naftas y mezclas de naftas con otras substancias. Para mi exposición es más que adecuado, ya que las variaciones son mínimas.

Asumiendo que Ud carga 40 litros en su tanque, cuando sale de la estación de servicio ha acumulado una energía eléctrica de 353 KWh. Si quiere tener una idea de cuánta energía representa, mire su boleta de electricidad y compare los valores.

PRESENTE

¿Dónde estamos en la carrera de energía acumulada? Tesla ofrece, en la actualidad, dos modelos de AE. Uno acumula 85 y el otro 60 KWh. Antes de que se ponga a llorar, recuerde que de los 353 KWh que cargó en su auto, sólo el 15% son convertidos en energía mecánica, es decir sólo 53 KWh son útiles!! En el Tesla que acumula 85 KWh Ud dispondrá de 63.8 KWh; en el otro de 45 KWh.

Dada la mayor eficiencia de conversión, los valores de energía útil son comparables. Los 53 KWh útiles en su auto representan un valor intermedio entre los dos modelos de Tesla.

¿Qué ocurre cuando comparamos distancias a recorrer? Si su auto tiene 4 cilindros, tendrá un rendimiento de 10Km/lt. Con los 40 litros de nafta, Ud podrá recorrer 400 Km. Esta especificación, que fué siempre el talón de Aquiles del AE, aparece como entre buena y excelente para el Tesla, ya que el modelo con 85 KWh de reserva tiene un alcance de 424 Km, y el otro de 390 Km.

Nota

Otra manera de expresar la eficacia es calcular la relación Km/KWh acumulados (no útiles). Se lo dejo como ejercicio.

¿Cuál es la reacción de un conductor de un AE?  Yo puedo darle la mía cuando probé, junto a mi hijo, el famoso EV-1 de la GM, el primer auto eléctrico diseñado como tal, y no usando el chassis de otro modelo a nafta. Este auto contaba con una batería Niquel-Metal.

La contestación es: SENSASIONAL.  Sí, con mayúsculas.

La razón es técnica. El valor de la cupla (newton.m) que genera un motor eléctrico es independiente del número de revoluciones por minuto (RPM) del motor. Esto permite el acoplamiento directo del motor eléctrico a las ruedas. En un MCI el valor de la cupla varía con el número de RPM del motor, alcanzando su valor máximo a miles de RPM. Existe en estos motores una discrepancia entre el número de RPM que corresponde a la cupla máxima y el de las ruedas al empezar a moverse. Esto dicta la necesidad de una caja de velocidades.

Cuando el semáforo muestra la luz verde, para usar una expresión argentina, Ud sale “como tiro”, dejando a sus rivales atrás, cambiando de marchas para poder acelerar. A eso súmele el típido ruido de un motor eléctrico, un super bajo coeficiente de roce entre las ruedas y el pavimento, y una carrocería tan aerodinámica como la de un avión caza de combate, y tendrá una idea de lo que se siente estando detrás del volante de un EV-1. Me pregunto: ¿qué reacción tendría si manejara un Tesla?

Autos hibridos

Los razonamientos dados hasta este momento, explican porqué compañías como la Toyota (Prius), GM (Chevrolet Volt), y otras, han recurrido a una solución híbrida. En estas unidades la propulsión es eléctrica (la más eficaz), pero la batería tiene un menor valor de reserva (más económica). Cuando ésta muestra signos de agotamiento, un MCI, optimizado para trabajar a su máximo punto de rendimiento (no hay que variar RPM), carga a la batería. El rango del vehículo alcanza distancias comparables con el de los modelos tradicionales que usan sólo un MCI, con un alto incremento en el valor de Km/ltr, y un nivel muy bajo para la polución que producen. Este diseño tiene la ventaja de que puede usar la infraestructura existente.

Notas

  • Los motores usados en los autos eléctricos (o híbridos) son motores de CA (corriente alterna). Como el banco de baterías tiene un voltaje de CC (corriente continua), existe un inversor (CC a CA) entre los dos.
  • La necesidad de un inversor baja la eficiencia total del vehículo, pero al usarse mayores valores de voltaje del lado de alterna, las pérdidas electricas en el cableado disminuyen, pues disminuye el valor de la corriente.

FUTURO

Este tronco tiene muchas ramas, algunas conocidas y otras no.

Si el futuro del AE se asocia exclusivamente al desarrollo de una mejor batería, entonces necesitamos introducir un nuevo concepto, la densidad de energía, para entender el presente. La relación entre la energía acumulada (en Wh) y su peso (Kg) define la densidad de energía.

Volviendo a la nafta, vimos que su valor eléctrico equivalente es de 8,82 KWh/lt, ó 8.820 Wh/lt. El litro de nafta pesa menos que el de agua (0,737 Kg) de manera que la densidad energética de un litro de nafta es de 11.967 Wh/Kg.  Una cantidad enorme.

La mejor batería de Tesla tiene una densidad energética de 132 Wh/Kg (87 veces menor).

COSTO DE PRODUCCION

Siendo el costo de la batería el de mayor incidencia, es lógico pensar en reducir el de este componente. Un esfuerzo en esa dirección fué iniciado este año (2014) por Tesla, al comenzar la construcción de una super-fábrica de baterías (la más grande del mundo) en el estado de Nevada. La intención es no sólo utilizarlas para sus automotores, pero ofrecerlas a quien quiera producir un AE. Para extender el mercado, Tesla venderá estas baterías a las usinas eléctricas, como acumulador de energía. El Sr. Musk, conciente de los cambios tecnológicos, promete incorporar cambios en los futuros diseños.

La batería de Litio es excelente, pero necesita que su temperatura de trabajo (carga/descarga) se mantenga dentro de un cierto rango. Como consecuencia de este requerimiento, se necesita incorporar medios para monitorizar y mantener este rango. Si no se agrega este componente auxiliar la batería sufre un acelerado proceso, que termina en explosión, como se produjo con las baterías de este tipo usadas en el nuevo Boeing 777. Este agregado aumenta el peso del sistema de acumulación, disminuyendo el valor de su densidad energética.

NUEVAS BATERIAS

Otra posibilidad es la aparición de una nueva batería. Al respecto, IBM, asociada con otra compañía, está explorando la posibilidad de hacer recargable la conocida batería de Zinc-Aire, que tiene un muy alto valor de densidad energética, pero que por el momento no es recargable.

Otra batería que está siendo investigada es la batería de estado sólido, donde hasta el electrolito es sólido. Su fabricación requiere un proceso similar al de un semiconductor, pero a escalas gigantescas, debido al tamaño de los electrodos y del electrolito. La compañía que trabaja en esta idea indica que esta batería podría tolerar elevados valores para las corrientes de carga (y descarga) durante años de uso, sin deteriorización visible.

NUEVOS GENERADORES

Otra alternativa sería eliminar enteramente el banco de baterías y reemplazarlo con un nuevo generador eléctrico (fuel-cell). En su forma más pura, este generador recibe oxígeno e hidrógeno en entradas separadas. Usando una membrana separadora especial, se consigue un intercambio iónico, generándose electridad. El único residuo de esta transformación es agua.

En la práctica podría usarse al aire como fuente de oxígeno y un hidrocarburo de bajo precio como fuente de hidrógeno, pero la operación se hace más difícil, menos limpia, y la membrana separadora se contamina muy rápidamente. La molécula de hidrógeno es sumamente reducida, haciendo difícil su envasado, y menos a presión, lo que dificulta tener cantidades suficientes del mismo en un automotor, donde el espacio es reducido. Si llegare a usarse, se necesitaría una nueva infraestrutura que permitiera cargar hidrógeno frecuentemente.

CERCA DEL CIERRE

¿Quién será el ganador de esta carrera tecnológica? Mi respuesta: el primero que diseñe un AE que remplace al que emplea nafta, y construya la mejor red de soporte, con un tiempo de carga (o remplazo) comparable al de la carga de nafta.

¿Morirá nuevamente el AE?  Me arriesgo a decir que no, basado en dos consideraciones: la electricidad se ha convertido en sinónimo de energía y los problemas ecológicos van a empeorar considerablemente.

NOTA FINAL

La ciudad de Austin, donde vivo, ofrece en las playas de estacionamiento de todos los edificiones públicos, incluyendo los de las bibliotecas de barrio, cargadores eléctricos gratuitos. Esta actitud ha sido emulada por las cadenas de super-mercados, los que ubican a esos sitios muy cerca de la puerta de entrada.