Alfredo Jesús Ramírez Díaz Mayo 2013
PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES Tecnología del hidrógeno y pilas de combustible M.U. en Energías Renovables
PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES
1. Introducción ¿Por qué buscar alternativas al transporte?
PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES
1. Introducción ¿Por qué buscar alternativas al transporte?
[3]
PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES
1. Introducción ¿Es buena la alternativa de los ZEV (Zero Emission Vehicle)?
SIN RUIDOS SIN EMISIONES DIRECTAS
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2. Funcionamiento de BEV
1
Estado de Marcha
1
BEV (Battery Electric Vehicle)
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2. Funcionamiento de BEV
1
Frenado Regenerativo
1
BEV (Battery Electric Vehicle)
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2. Funcionamiento de BEV
1
Estado de Carga
1
BEV (Battery Electric Vehicle)
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2. Funcionamiento de BEV
1
Tesla Model S 2013 (berlina, alta gama)
Características principales
1
Modelo
Model S 65 kWh
Peso
2107 kg
Toma de corriente
J1772
Potencia
225 kW
Capacidad de batería
60 kWh
Autonomía
368 km
Precio
42548 € *
Freno Regenerativo
SI
V. Máxima
192 km/h
Aceleración 0-100km/h
5,9 seg
Eficiencia (milleage)
1,26 km/MJ
BEV (Battery Electric Vehicle) * Con ayudas del gobierno
[24]
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2. Funcionamiento de BEV
1
Nissan Leaf 2013 (Utilitario)
Características principales
1
Modelo
Nissan Leaf 2013
Peso
1525 kg
Toma de corriente
J1772, CHAdeMo
Potencia
80 kW
Capacidad de batería
24 kWh
Autonomía
175 km
Precio
19.900 €*
Freno Regenerativo
SI
V. Máxima
145 km/h
Aceleración 0-100km/h
11,9 seg
Eficiencia (milleage)
1,53 km/MJ
BEV (Battery Electric Vehicle) * Con ayudas del gobierno
[25]
PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES
3. Funcionamiento de FCEV
2
HHC (Hard Hybrid Configuration)
[5], [6], [7], [9] 2
FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)
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3. Funcionamiento de FCEV
2
SHC (Soft Hybrid Configuration)
[5], [6], [7], [9] 2
FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)
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3. Funcionamiento de FCEV
2
Sistemas Auxiliares de un FCEV
[11] 2
FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)
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3. Funcionamiento de FCEV
2
Honda Clarity FCX 2012 (Berlina, alta gama)
Características principales
2
Modelo
Honda Clarity FCX 2012
Peso
1611 kg
Potencia PEMFC
100 kW
Peso PEMFC
66 kg
Autonomía (Capacidad)
384 km (132,57 kWh)
Precio
21.000 €* (Modo leasing a 3 años 600 €/mes)
Freno Regenerativo
NO
V. Máxima
160 km/h
Aceleración 0-100 km/h
9,2 seg
Eficiencia (milleage)
0,81 km/MJ
Capacidad Tanque / presión
3,98 kg a 350 bares
FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) *Solo disponible en el Estado de California
[15]
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3. Funcionamiento de FCEV
2
Mercedes Benz F-Cell (Utilitario)
Características principales
2
Modelo
Mercedes Benz F-Cell 2012
Peso
1893 kg
Potencia PEMFC
90 kW
Autonomía (Capacidad)
384 km (133 kWh)
Precio
N.D. (Modo leasing a 1 años, 30000 km 849 $/mes)
Freno Regenerativo
SI
V. Máxima
132 km/h
Aceleración 0-100 km/h
9,4 seg
Eficiencia (milleage)
0,70 km/MJ
Capacidad Tanque / presión
3,99 kg a 350 bares
FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)
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4. Almacenamiento: Baterías vs Hidrógeno Almacenamiento
Hidrogeno liquido
Deposito 350
Deposito 700
Ion Litio
NiMH
Estado de desarrollo
Desarrollo Prototipo
Desarrollo
DesarrolloPrototipo
DesarrolloMercado
Mercado Madurez
Kia Sportage FCEV
Mercedes Benz Clase C
Hyundai Hyundai iX35 FCEV
Tesla Model S
EV1
BMW Hydrogen 7
Honda FCX Clarity
Nissan Leaf
Toyota Prius
Modelos
Opel Amera Renault Fluence ZE Presión
bares
-
350
700
-
-
Densidad Energética
kWh/l
2,2
0,8
1,4
0,15-0,2
0,15-0,3
kWh/kg
2,8
1,3
3,7
0,1
0,08
-
-
-
10-30 C
5C
nºciclos (km)
-
192.000 km 1
-
3000 -5000 (450.000)
500 (100.000)
Coste KWh
USD/kWh
-
5,28
15,74
464
240
Coste de la recarga
USD/kWh
0,476
0,574
0,114
0,114
1000,000
1700,000
25,000
16,000
Energía Específica Capacidad de descarga Ciclos de vida
Coste del deposito 1
€/kg de H2
150
Vida útil de la PEMFC
[16], [17], [18], [19]
PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES
5. Eficiencia Energética de BEV y FCEV 1,26 km/MJ
1,53 km/MJ
0,81 km/MJ
0,70 km/MJ
0,45 km/MJ
0,43 km/MJ [21], [20], [22], [23]
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5. Eficiencia Energética de BEV y FCEV Acceleration VS Mileage 16
BEV
14
HEV
Aceleration 0-60mph (seg)
12
FCEV
10
PHEV
8
ICEV 6
4
2
ICEVSC 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Mileage (km/MJ)
1,4
1,6
1,8
Tesla model S Nissan Leaf Tesla roadster Smart For2 Scion iQ Ford Focus EC Renault Fluence ZE Honda FCX Clarity Mercedez Benz F-CELL BMW Hydrogen 7 Toyota Prius 2013 Chevrolet Volt 2013 Ford C-Max Hybrid Honda Accord 2014 Toyota Priux C Ford C-Max Hybrid VW Jetta Hybrid Honda Insight vW Passat VW Golf Audi A3 Audi A8 L Audi TT Coupe Cuattro Aston Martin DBS Ferrari 458 Italia Lamborghini Adventator Bugatti Veyron
[21], [20], [22], [23]
PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES
5. Eficiencia Energética de BEV y FCEV Pérdidas por transporte y distribución: 8 %
Pérdidas del proceso de carga: 7 %
1,26 1,07km/MJ km/MJ 1,53 1,30km/MJ km/MJ Pérdidas en el proceso de electrolisis: 47 % Pérdidas por transporte y distribución: 8 %
Pérdidas por fugas (alm. Transporte): 4 %
0,81 0,35 km/MJ km/MJ
Extracción y transporte crudo: 9 %
0,70 0,30 km/MJ km/MJ Refinado y distribución: 9,3 %
0,45 0,36 km/MJ km/MJ
0,43 0,34 km/MJ km/MJ [20]
PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES
6. Emisiones de GHG asociadas EMISIONES ASOCIADAS PENINSULA 2011:
EMISIONES ASOCIADAS CANARIAS 2007:
[25]
PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES
6. Emisiones de GHG asociadas EMISIONES ASOCIADAS PENINSULA 2011:
58,56 gCO2/km 47,94 gCO2/km 183,12 g CO2/km
210, 3g CO2/km
140 g CO2/km
122 g CO2/km
[20]
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6. Emisiones de GHG asociadas EMISIONES ASOCIADAS CANARIAS 2007:
138,8 gCO2/km 113,63 gCO2/km 434 g CO2/km
500 g CO2/km
140 g CO2/km
122 g CO2/km
[20]
PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES
7. Conclusiones La revolución en el sector de la automoción para hacer frente al desafío de reducir los GHG pasa por la introducción de fuentes de energía alternativa como energía de alimentación. Con un mix cercano al 100 % de energía térmica procedente de fuel, las emisiones totales de un BEV frente a un ICEV son prácticamente iguales. Para la que las emisiones indirectas de un FCEV sean similares a un ICEV , el mix eléctrico de una zona debe estar representado entre el 65-80% por energías limpias, teniendo una tasa de emisiones media de 100 gCO2 /kWh producido. Las tendencias y mejoras en los BEV pasan por la búsqueda la de nuevos materiales, la mejora de la densidad energética (mejora de autonomía) y los ciclos de vida de las baterías, y la reducción de los tiempos de carga. Las mejoras en los FCEV pasan por el desarrollo de nuevos materiales, la mejora de las eficiencias de la PEM. Y el desarrollo de tecnologías de 350 bares y 700 bares y abaratamiento de costes.
8. Referencias
PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES
[1] Informe Brundland (1987) http://www.un.org/es/comun/docs/?symbol=A/42/427 [2] Informe del Protocolo de Kyoto (1998) http://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpspan.pdf [3] End-user GHG emissions from energy - Reallocation of emissions from energy industries to end users 2005–2010. EEA, European Environment Agency [4] http://europa.eu/legislation_summaries/energy/energy_efficiency/en0002_es.htm [5] Battery Management Systems for Large Lithium-Ion Battery Packs. Davide Andrea [6] PFC Proyecto de Sustitución de Motor de Combustión por Motor Eléctrico en una Motocicleta (2010)/ Alfredo Jesús Ramírez Díaz. ULL [7] http://amhistory.si.edu/onthemove/collection/object_1303.html [8] http://www.ecogeek.org/automobiles/1298 [9] http://www.citroen.es/citroen-ds5/tecnologia-hybrid4/ [10] Electric and Hibrid Vehicles / Power Sources, Models, sustainability, infrastructure and the Market/ Gianfranco Pistoia Ed. ELSERVIER [11] Hydrogen Fuel Cells For Road Vehicles / P.Corbo, F. Migliardini, O. Veneri [12]http://www.forococheselectricos.com/2013/02/especial-baterias-parte-i-el-abc-de-las.html [13] Updated hydrogen production costs and parities for conventional and renewable technologies. Ricardo Guerrero Lemus, José Manuel Martínez Duart [14] Vehicular Hydrogen Storage Using Lightweight Tanks /Fred Mitlitsky, Andrew H. Weisberg, And Blake Myers. Lawrence Livermore National Laboratory [15] http://automobiles.honda.com/fcx-clarity/specifications.aspx [16]http://blogs.elpais.com/coche-electrico/2013/01/al-volante-del-hyundai-de-hidrogeno.html [17] Apuntes Tecnología de Hidrogeno y pilas de combustible Tema 3.1 y 3.1. Almacenamiento / M.U. Energías Renovables [18] Diseño de una desaladora de O.I. y producción de hidrógeno para el transporte/ A. Ramírez, J.C. Daza, G. Rios, C. Quinto [19] http://www.ev-power.eu/Winston-40Ah-200Ah/ [20] The 21st Century Electric Car / Martin Eberhard and Marc Tarpenning Tesla Motors Inc. Wednesday, July 19, 2006 [21] Sistema Eléctrico Español.Análisis De Mercados Y Funcionamiento Del Sistema. A. Ramírez, J.C. Daza [22] Energía del hidrogeno, Estado, contexto actual y perspectivas de futuro. Clara Fenández Bolaños-Badía [23] http://www.fueleconomy.gov/feg/Find.do?action=sbs&id=32154 [24] http://www.teslamotors.com/models [25] WWF, Emissions Report