15.1 Antecedentes de ciclos de manejo
Un ciclo de manejo es un compendio de datos segundo a segundo de la velocidad de un vehículo durante un período de tiempo y suele ser representativo de los hábitos de manejo de una determinada región. Las agencias reguladoras coordinan generalmente estos estudios con el fin de obtener el consumo de gramos de carbono y combustible, el primero con enfoque de reducir la contaminación, el segundo con el enfoque de impacto económico. En la página de la Asociación de Estándares Mundiales (http://www.dieselnet.com/standards/) se mencionan algunos ciclos de manejo para América, Europa y Asia.
Cuando se tiene un ciclo de manejo dado se pueden obtener las fuerzas tractivas a cada instante, sin embargo, es práctica común referirse a la fuerza tractiva promedio de todo el ciclo, que es la que se utiliza para las estimaciones de consumo de combustible. Por ejemplo, si se considerara el ciclo de manejo europeo NEC con duración de 1171 segundos a lo largo de un recorrido de poco más de 11 km (figura 1), se podrá observar que hay ciclos muy marcados de aumentos de velocidad, reducción de velocidad y otros donde se mantiene. A lo largo de dicho recorrido deberá haber consumo de energía para vencer las resistencias de rodamiento, aerodinámica y de inercia, de las cuales solamente la última por tratarse de energía cinética, pudiera ser en cierto grado recuperable dependiendo de los sistemas regenerativos del automóvil (si los tuviera). En esta primer parte del tema se supondrá que el vehículo no cuenta con sistemas regenerativos de energía y por ende la energía cinética que lleve en movimiento se transformará totalmente en energía no recuperable (rodamiento y aerodinámica), así como fricción en caso de aplicarse los frenos. Por tal razón solamente nos interesan los instantes donde el vehículo se encuentra en modo tracción.
En la figura 2 se muestra el acumulamiento de energía dividido en sus tres partes principales:
- Energía no recuperable (aerodinámica y rodamiento).
- Energía cinética.
- Total de la energía consumida total.
Todas ellas cuando el vehículo se encuentra en modo tracción.
Figura 1. Ciclo de Manejo NEC.
Figura 2. Energía acumulada en modo tracción (ciclo NEC) para vehículo de 1457 Kg.
Se puede observar que a lo largo de los 11 km de recorrido hasta los 1171 segundos, la energía total correspondiente a la fuerza tractiva total fue de 1592 Wh equivalentes a 5,731,200 Joules, lo que equivaldría a una fuerza tractiva promedio de:
El anterior resultado corresponde a un automóvil cuyo peso es de 1457 kg y el concepto de fuerza tractiva promedio es útil porque se puede estimar el consumo de combustible para este tipo de automóvil en una cierta distancia, asumiendo por supuesto el ciclo de manejo considerado.
15.2 Cálculo energético
Estime el consumo de combustible en 100 km de recorrido de un automóvil que pesa 1457 Kg cuya fuerza tractiva promedio es de 521 N. Utilice los datos del ciclo de manejo NEC de este apartado.
Dado que el trabajo realizado es igual a la fuerza por la distancia, (en este caso la fuerza promedio a lo largo de los 100 km), el trabajo total sería de 14.47 kWh:
En el caso de que dicho vehículo fuera de gasolina, tendremos que conocer la energía que acumula un litro de gasolina para poder estimar la cantidad de litros necesarios. Un litro de gasolina acumula aproximadamente 32,000,000 Joules (32 MJ), sin embargo, considerando una eficiencia de 30% correspondiente a la energía que se pierde durante la combustión y el tren motriz, se reduce a 9.6 MJ/litro lo que es equivalente a 2.66 kWh/litro, lo que representaría un consumo de combustible de 5.42 litros de gasolina a lo largo de los 100 km, lo que equivale a un consumo de 18.42 km/litro.
Por otro lado, la densidad específica de la gasolina es de 0.770 kg/litro, entonces en 5.42 litros necesarios el peso de la gasolina sería de 4.22 Kg.
Para el caso de un vehículo eléctrico, la cantidad de kg que se necesitan para la batería dependerá de las especificaciones de la misma, por ejemplo, si consideramos unas baterías cuya capacidad energética sea de 0.10 kWh/kg y motores eléctricos con 90% de eficiencia, necesitaremos aproximadamente de 163 kg de baterías para una autonomía de 100 km.
15.3 Cálculo de costos energéticos
Estime los costos que tendría el consumo energético para el caso de vehículo de gasolina y eléctrico.
Asumiremos que el precio de la gasolina en México es de 13 pesos por litro, por otro lado si asumimos que un vehículo eléctrico se recargará con la red eléctrica de casa donde el kWh tiene un costo de 1.2 pesos por kWh, entonces tendremos la siguiente estimación:
Tabla 1. Comparativo de rendimiento Gasolina vs Baterías para recorrido de 100 km en ciclo de manejo NEC.
Como podremos observar, para el tipo de baterías seleccionado sería más económica la recarga eléctrica que la gasolina, sin embargo, estos números obviamente cambiarán dependiendo del ciclo de manejo, peso del automóvil, precio de combustible, y para el caso de las baterías su densidad específica medida en kWh/kg.
Hoy por hoy los vehículos eléctricos siguen su rumbo lento pero ascendente en cuanto a penetración en el mercado, pero aún queda mucho desarrollo. Podemos notar en nuestro análisis que 5.42 litros de gasolina pesan aproximadamente 4.22 kg contra 163 kg que se necesitarán para acumular energía.
Pero veamos ahora cómo cambian los números si suponemos que se contara con sistema regenerativo de energía, el cual es el caso de vehículos eléctricos.
Asuma que se cuenta con sistema regenerativo de energía de recuperación total (100%), estime el costo total y la implicación que tendría en el consumo de combustible.
Figura 3. Energía acumulada en modo tracción (ciclo NEC) para vehículo de 1457 Kg con y sin sistema regenerativo.
Podemos observar la diferencia de la energía acumulada de la fuerza tractiva cuando se recupera y cuando se pierde el 100% de la energía cinética. Cabe aclarar que el supuesto de energía 100% es utilizado para fines académicos y de referencias ideales.
La energía acumulada para recorrer 11 km en 1171 segundos del ciclo NEC llega a ser de 1341 Wh (vs 1543 para el caso no recuperable), lo que equivale a una fuerza promedio de 438 N (vs 521 para el caso no recuperable), como se demuestra.
1341 Wh equivalen a 4,827,600 Joules:
Como se ha mencionado, la fuerza promedio es un parámetro para estimar otras perspectivas de distancia, de las cuales las de 100 km son de suma utilidad. En este caso se demuestra que se necesitarán solamente 12.16 kWh (vs 14.26 cuando es no recuperable) para recorrer 100 km.
Considerando un densidad gravimétrica específica de 0.1 kg/kWh con una eficiencia de motores eléctricos del 90%, se necesitarán ahora 135 kg de batería como se observa en la siguiente tabla comparativa:
Tabla 2. Comparativo de rendimiento Gasolina vs Baterías.
