Baterias electricas vs pilas de combustible en automoviles by Alfredo Ramírez Díaz

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

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

2. Funcionamiento de BEV

Estado de Marcha

BEV (Battery Electric Vehicle)

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

2. Funcionamiento de BEV

Frenado Regenerativo

BEV (Battery Electric Vehicle)

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

2. Funcionamiento de BEV

Estado de Carga

BEV (Battery Electric Vehicle)

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

2. Funcionamiento de BEV

Tesla Model S 2013 (berlina, alta gama)

Características principales

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

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]

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

2. Funcionamiento de BEV

Nissan Leaf 2013 (Utilitario)

Características principales

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

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

HHC (Hard Hybrid Configuration)

[5], [6], [7], [9] 2

FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

3. Funcionamiento de FCEV

SHC (Soft Hybrid Configuration)

[5], [6], [7], [9] 2

FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

3. Funcionamiento de FCEV

Sistemas Auxiliares de un FCEV

[11] 2

FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

3. Funcionamiento de FCEV

Honda Clarity FCX 2012 (Berlina, alta gama)

Características principales

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

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]

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

3. Funcionamiento de FCEV

Mercedes Benz F-Cell (Utilitario)

Características principales

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

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)

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

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

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

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]

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

5. Eficiencia Energética de BEV y FCEV Acceleration VS Mileage 16

BEV

HEV

Aceleration 0-60mph (seg)

FCEV

PHEV

ICEV 6

ICEVSC 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

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]

PILAS DE COMBUSTIBLES DE HIDRÓGENO VS BATERÍAS ELÉCTRICAS EN APLICACIONES PARA AUTOMÓVILES

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