En el marco de la llamada "transición verde" , el coche eléctrico es el que, según los "expertos", garantiza el mayor rendimiento energético de toda la categoría: ese 90 por ciento anunciado por los aficionados a los BEV ( Battery Electric Vehicles ). Derrotas sin posibilidad de replicar la miserable eficiencia termodinámica de los coches con motores de combustión interna o ICE ( Internal Combustion Engine ), GLP, gasolina y turbodiésel.
Ah sí, porque el primero y el segundo, es decir, los que van con el tan denostado ciclo Otto, apenas logran alcanzar un 25-30 por ciento de eficiencia termodinámica y los segundos luchan por no más del 30-35 por ciento, llegando al 40 por ciento. en condiciones verdaderamente óptimas. Dicho así, parecería que no hay historia : frente a estos números, ¿qué loco podría seguir prefiriendo los coches ICE a los BEV? ¡Juego, set y partido , se podría decir!
Pero tal vez las cosas no sean exactamente así, así que armémonos de nuestra paciencia habitual y llamemos al proverbial sirviente para que nos ayude a hacer los cálculos sobre cómo son realmente las cosas . ¡Sígueme en este excursión, verás cosas hermosas!
La producción de electricidad.
Para calcular los verdaderos rendimientos de un coche BEV partimos de los orígenes, es decir, de la producción de su "combustible": la electricidad. En Italia, la producción de electricidad se confía a una combinación de varios tipos de tecnologías , las principales de las cuales son:
• Centrales termoeléctricas a carbón
• Centrales termoeléctricas a gas
• Centrales termoeléctricas alimentadas con combustóleo y sus derivados.
• Centrales termoeléctricas de biomasa
• Centrales hidroeléctricas
• Parques eólicos
• Parques fotovoltaicos
Los tres primeros son no renovables , es decir, queman combustibles de origen fósil -carbón, gas natural y fuel oil y sus derivados, respectivamente-, convirtiendo una fracción de la energía térmica desarrollada en energía eléctrica según su propio ciclo termodinámico y eficiencia asociada; las cuatro siguientes son renovables, es decir, utilizan fuentes que, directa o indirectamente, derivan de la radiación solar que llega a la Tierra.
A estos siete tipos principales de producción se suman otras muy pequeñas contribuciones de sistemas, en su mayoría experimentales, entre los que mencionamos, por ejemplo, las turbinas submarinas que explotan las corrientes del Estrecho de Messina y los sopladores boracíferos de Larderello, cuyos valores de energía Sin embargo, de las necesidades nacionales totales son completamente insignificantes . Por último, la necesidad se completa con una cierta cantidad de electricidad comprada en el extranjero, principalmente en Francia y Suiza, procedente principalmente de centrales nucleares.
La eficiencia de la producción de energía.
Una vez enumeradas las tecnologías de producción eléctrica, ahora debemos calcular los retornos asociados a cada una de ellas. Sin embargo, si en el caso de las tecnologías renovables nos limitáramos a calcular el rendimiento bruto como una mera fracción de la energía capturada de la fuente primaria y transformada en electricidad, este enfoque sería demasiado penalizador para ellas. De hecho, tomando como ejemplo un sistema fotovoltaico, sabemos que apenas consigue captar el 20 por ciento de la radiación solar incidente. Lo mismo ocurre con la energía eólica que, en condiciones óptimas, no es capaz de capturar más del 40-42 por ciento de la energía asociada a la corriente de aire que incide en el rotor de la turbina.
Lo único que tenemos que hacer es cambiar nuestra perspectiva por completo: síganme en mi razonamiento.
Plantas de energía renovable : para estimar los rendimientos de los diversos sistemas de generación de fuentes renovables, partimos del supuesto de que lo que producen estos sistemas es todo "agotamiento", independientemente de la eficiencia de transformación de la planta en particular en comparación con su fuente renovable específica. en cuestión. Es decir, consideramos que el rendimiento de las fuentes renovables es convencionalmente igual al 100 por ciento, lo que equivale a decir que todo lo que logramos tener lo ganamos o, como escuchamos a menudo por ahí, "el agua, el sol y el viento son gratis" .
Lo único que, en la perspectiva general de la llamada "transición verde" -que es también la única razón "ética" para cumplirla, sería necesario utilizar vehículos BEV en lugar de ICE-, tendremos que tener cuidado Lo ideal sería reducir, de la energía total que la planta producirá a lo largo de su vida, la parte que se gastó en construir la propia planta que, obviamente, servirá para "reembolsar" esa energía.
En esencia, nos estamos preparando para definir el "rendimiento" de un sistema de energía renovable no como el vinculado a los métodos particulares de capturar energía de su fuente, sino más bien como cuánta energía el sistema podrá "darnos" además de lo necesario para construirlo .
Para realizar este cálculo nos ayuda el concepto de EROEI ( Retorno Energético de la Energía Invertida ). De hecho, este número expresa la relación entre la energía total que producirá esa planta a lo largo de su vida y la que fue necesario gastar en el momento "0" para construir esa planta. Se trata, por tanto, de un número mayor que 1 cuyo inverso – menor que 1 – nos da la medida de qué parte de la energía que se producirá idealmente debe "reservarse" para reembolsar la energía necesaria para construirlo. En otras palabras, el factor:
ⴄeq = 1 – EROEI-1
nos dará el rendimiento equivalente de esa fuente renovable en el sentido que acabamos de definir. Los distintos valores de EROEI para cada fuente renovable están tabulados en la literatura.
Sistemas de energía no renovables : el enfoque definido para las tecnologías renovables, en teoría, también puede extenderse a las no renovables. Sin embargo, éstas funcionan durante toda su larga vida gracias al uso (combustión) de flujos casi incalculables de combustibles fósiles: la vida de una central termoeléctrica puede llegar a durar hasta 100 años (ver a este respecto la gloriosa central de Porto Marghera) – de modo que la energía que se utilizó en el momento “0” para construir la central acaba siendo sólo una fracción infinitesimal de toda la energía quemada durante la vida de la propia central. Por tanto, para las centrales que utilizan energía no renovable, la eficiencia de conversión tal y como la hemos definido en la acepción anterior acaba coincidiendo sustancialmente con la termodinámica propia de cada tipo de central termoeléctrica.
Una vez que hayamos aclarado el enfoque básico, veamos ahora los resultados de las fuentes individuales enumeradas en el párrafo anterior.
- Centrales termoeléctricas de carbón : la eficiencia termodinámica de una central termoeléctrica de carbón es de aproximadamente el 45 por ciento. En otras palabras, el 45 por ciento de la energía térmica generada por la combustión del carbón en la caldera se convierte en electricidad.
- Centrales termoeléctricas alimentadas por gas : la eficiencia termodinámica de una central termoeléctrica con turbina de gas es de alrededor del 65 por ciento. En otras palabras, el 65 por ciento de la energía térmica generada por la combustión del gas en la caldera se convierte en electricidad.
- Centrales termoeléctricas de fueloil y sus derivados – La eficiencia termodinámica de una central termoeléctrica de fueloil es de alrededor del 40 por ciento, un poco menor que la de las centrales de carbón.
- Centrales termoeléctricas de biomasa – Al ser la biomasa una fuente renovable, de acuerdo con lo expuesto anteriormente, utilizamos para ello el concepto de EROEI. Una central eléctrica de biomasa tiene una TRE que ronda el 3 – 5. Situándonos en el punto medio 4, tendremos una eficiencia equivalente al 75 por ciento (1 – 1/4 = 0,75 = 75 por ciento).
- Centrales hidroeléctricas – Una central hidroeléctrica tiene una TRE decididamente mejor que una de biomasa y vale aproximadamente 50. La eficiencia equivalente será, por tanto, del 98 por ciento (1 – 1/50 = 0,98 = 98 por ciento).
- Parques eólicos: una sola turbina eólica tiene, en condiciones óptimas, una EROEI = 20, lo que conduce a una eficiencia equivalente del 95 por ciento (1 – 1/20 = 0,95 = 95 por ciento). Sin embargo, en un parque eólico siempre hay interferencias mutuas entre las distintas turbinas debido al llamado "efecto estela" que provoca que se pierda una determinada cantidad de energía producible. Este fenómeno es casi inevitable, especialmente en parques eólicos donde las turbinas están separadas por menos de 5 diámetros de rotor, y vale en promedio aproximadamente el 5 por ciento de la suma de las energías teóricamente producidas por las turbinas individuales (eficiencia por lo tanto igual al 95 por ciento). . Además, otro factor importante es el factor de disponibilidad de las turbinas, que en condiciones óptimas de mantenimiento se sitúa en torno al 96 por ciento. Por tanto, la eficiencia global de un parque eólico será el producto de estas tres eficiencias, es decir, 87 por ciento (0,95 ∙ 0,95 ∙ 0,96 = 0,87 = 87 por ciento).
- Parques fotovoltaicos – Vimos hace algún tiempo que un solo panel fotovoltaico de silicio monocristalino tiene una EROEI = 1,95, lo que conduce a una eficiencia equivalente del 49 por ciento (1 – 1/1,95 = 0,49 = 49 por ciento). Sin embargo, un parque fotovoltaico está sujeto a cuatro factores adicionales de pérdida de energía:
• Pérdidas debidas al efecto de "sombra" , es decir, cuando uno o más paneles y/u objetos externos proyectan una sombra sobre los otros paneles (aproximadamente del 2 al 5 por ciento);
• Pérdidas de acoplamiento entre las distintas series de paneles (alrededor del 3-4 por ciento);
• Pérdidas en los circuitos de corriente continua (1-2 por ciento);
• Pérdidas en inversores DC/AC (4 – 6 por ciento).
Por tanto, el rendimiento global de un parque fotovoltaico será el producto de estos cinco rendimientos. Situándonos en el punto medio de cada intervalo, tendremos por tanto un rendimiento global del 43 por ciento (0,49 ∙ 0,965 ∙ 0,965 ∙ 0,985 ∙ 0,95 = 0,43 = 43 por ciento).
El mix energético nacional
Una vez que hemos analizado los rendimientos de las fuentes individuales de producción de electricidad, veamos ahora cómo se integran en el mix energético nacional. Los datos del GSE al respecto nos dicen que nuestra “mix de combustibles” en 2022 fue:
• Carbón: 9,43 por ciento
• Gas: 46,92 por ciento
• Fuel oil y sus derivados: 6,81 por ciento
• Renovables: 36,84 por ciento, de las cuales:
o Biomasa: 8,31 por ciento
o Hidroeléctrica: 13,57 por ciento
o Viento: 10,13 por ciento
o Fotovoltaica: 4,83 por ciento
Por tanto, a partir de los datos anteriores podemos calcular la media ponderada del mix de combustibles , obteniendo así la eficiencia equivalente de producción de electricidad en Italia:
ⴄprod = 0.45∙0.0943+0.65∙0.4692+0.40∙0.0681+0.75∙0.0831+0.98∙0.1357+0.87∙0.1013+ 0.43∙0.0483
Que quieres decir:
ⴄprod = 67,9%
Este valor nos dice que la eficiencia promedio de la generación eléctrica en los distintos puntos de producción es del 67,9 por ciento de la energía proveniente de fuentes primarias.
De la producción a las columnas
Una vez producida, la electricidad viaja a través de las llamadas "líneas eléctricas" de alta tensión (150-220 kV) que la transportan a lo largo de las principales líneas troncales que atraviesan a lo largo y ancho de la Península. Junto a ellos se encuentran los cables submarinos que conectan las islas (Sicilia y Cerdeña) con el continente. Todo ello forma una red de distribución de alta tensión de la que se ramifican multitud de estaciones de transformación AT/MT (150-220 kV / 15 – 20 kV), en las que el valor de la tensión se reduce a 15 – 20 kV, de cada una de las cuales A su vez se ramifican los cables de media tensión que distribuyen electricidad a nivel territorial. El sistema de distribución se completa finalmente con las cabinas de transformación MT/BT (15-20 kV / 380 – 220 V) en las que finalmente se reduce la tensión al valor adoptado por todos los usuarios finales que conocemos.
La electricidad, por tanto, realiza un largo recorrido antes de llegar a nosotros, un viaje que puede durar incluso cientos de kilómetros. El precio a pagar por esta maravillosa distribución capilar -muy similar al sistema de arterias, venas y capilares que distribuyen la sangre dentro de nuestro organismo- son lamentablemente las pérdidas de energía eléctrica en forma de calor (el llamado "efecto Joule"). ” ) a lo largo de los cables de distribución (esas mismas pérdidas que pagamos en la factura bajo el epígrafe “pérdidas de red”), así como las pérdidas en forma de calor en los transformadores AT/MT y MT/BT.
En promedio, las pérdidas totales de electricidad en el sistema de distribución son de alrededor del 2 por ciento en la sección de alta tensión, del 4 por ciento en la sección de media tensión y del 10 por ciento en la sección de baja tensión. En total, las pérdidas en la red representan alrededor del 16 por ciento de la energía transportada. En otras palabras, la eficiencia del transporte de electricidad es:
ⴄtr = 1 – 0,16 = 0,84 = 84 por ciento
Obviamente, esto se aplica a todos los usos posibles de la electricidad, incluida la carga de la batería de un coche eléctrico.
Por tanto, para todo lo visto hasta ahora, la eficiencia en la estación de carga será igual a la eficiencia de producción multiplicada por la eficiencia de transmisión previamente calculada:
ⴄcol = ⴄprod ∙ ⴄtr = 0,679 ∙ 0,84 = 0,57 = 57 por ciento
Pero la cuenta de las pérdidas de un coche eléctrico no acaba aquí. De hecho, aún es necesario considerar cuatro factores :
• Pérdidas de energía en el ciclo de carga/descarga de la batería de a bordo;
• Energía necesaria para construir la batería, compensada en parte por el menor gasto de energía para construir un automóvil BEV en comparación con un ICE similar (30 por ciento menos componentes);
• Eficiencia del grupo motor eléctrico + accionamiento;
• Mayores pérdidas de energía mecánica por fricción de rodadura de un coche BEV respecto a un coche ICE similar debido al mayor peso del coche provocado por el peso de la batería.
Pérdidas en el ciclo de carga/descarga de la batería
En una batería de iones de litio, la eficiencia en un ciclo de carga/descarga, es decir, la relación entre la energía extraíble de la batería cargada y la energía administrada para cargarla , es aproximadamente del 90 por ciento , incluyendo también la eficiencia de los componentes electrónicos de carga y descarga.
El número máximo de ciclos de carga/descarga de una batería de iones de litio, es decir, el número de ciclos que, con su inevitable degradación electroquímica, provocan la reducción progresiva de la capacidad de la batería hasta el 80 por ciento de su valor umbral inicial (umbral inferior que en el (en la industria del automóvil se considera la duración de las baterías) es de aproximadamente 2.000, valor declarado para las baterías de última generación.
Energía necesaria para construir la batería.
Vimos hace un tiempo que la construcción de una batería de iones de litio, elemento fundamental de los BEV y que es también el elemento que diferencia sustancialmente un coche BEV de un ICE, requiere una gran cantidad de energía , aproximadamente 1.300 kWh por cada kWh de batería. capacidad.
El menor gasto energético para la construcción de un vehículo BEV debido a los menores componentes a bordo equivale, en cambio, a aproximadamente 15 MWh para un vehículo del segmento "C". Imaginando repartir este ahorro energético en la batería (suponiendo que tenga una capacidad de 50 kWh), se obtiene un ahorro de 15.000 / 50 = 300 kWh por cada kWh de capacidad de la batería. Por tanto, el equilibrio conduce a una carga final de aproximadamente 1.000 kWh por cada kWh de capacidad de la batería.
Adoptando el mismo enfoque ya utilizado para evaluar el rendimiento de las tecnologías renovables, para "reembolsar" esta energía tendremos que imaginarnos repartiéndola a lo largo del número de ciclos de vida de la batería. Tendremos por tanto una energía "reservada", y por tanto una pérdida equivalente, de 1.000/2.000 = 0,50 kWh por cada kWh cargado. En otras palabras, para el coche eléctrico habrá que considerar una pérdida equivalente al 50 por ciento de energía , es decir, una eficiencia equivalente al 50 por ciento.
Eficiencia del grupo motor + accionamiento
El punto fuerte de la tracción eléctrica está, sin duda, representado por la eficiencia del conjunto motor + accionamiento que, en condiciones óptimas de par y potencia entregada, puede alcanzar hasta el 96 por ciento.
Pérdidas por aumento de fricción mecánica.
Dado que un automóvil BEV es más pesado que su equivalente ICE , estará sujeto a mayores pérdidas de energía debido a la fricción de rodadura. De hecho, mientras que el componente de energía mecánica resistente ligado a la viscosidad del aire es invariante con respecto al tipo de motor, dependiendo únicamente de la forma y del coeficiente aerodinámico (Cx) del automóvil (así como de la velocidad al cubo y tiempo de viaje), el ligado a la fricción de rodadura aumenta a medida que aumenta el peso del automóvil.
Para hacer este cálculo, hagamos referencia a un coche que lleva una batería a bordo que pesa 300 kg: este es el caso, por ejemplo, de muchos coches del segmento "C". Suponiendo que la versión ICE similar tenga un depósito de 50 litros, la diferencia de peso entre los dos coches variará entre 250 y 300 kg, respectivamente, con el depósito del coche ICE lleno y vacío. Refiriéndose a la situación de un tanque medio lleno, podemos suponer que la diferencia de peso promedio es igual a 275 kg . Por tanto, si el coche ICE pesa de media 1.600 kg, el coche BEV pesará de media 1.875 kg.
El componente de fricción de rodadura es directamente proporcional al peso del automóvil y al coeficiente de fricción de rodadura. En consecuencia, la componente de energía mecánica resistente dependerá del producto de estos dos factores por la velocidad del coche y el tiempo de viaje:
Eres = μv ∙ m ∙ g ∙ v ∙ T
Dónde:
Eres: energía mecánica resistente por fricción de rodadura;
μv: fricción de rodadura, normalmente igual a 0,015;
m: masa del coche, 1.600 y 1.875 kg, para el coche con motor de combustión interna y el BEV, respectivamente.
g: aceleración gravitacional (9,81 m/s2)
v: velocidad del coche (en m/s)
T: tiempo de viaje (en segundos).
Las dos energías mecánicas resistentes ligadas únicamente al rozamiento por rodadura serán:
EICEres = μv ∙ mICE ∙ g ∙ v ∙ T
EBEVres = μv ∙ mBEV ∙ g ∙ v ∙ T
La diferencia de energía mecánica resistente será por tanto:
∆Emres = μv ∙ (mBEV – mICE) ∙ g ∙ v ∙ T
Lo cual equivaldrá a un porcentaje de pérdida de energía respecto al coche ICE igual a:
∆Emres / EICEres = (mBEV – mICE) / mICE
La mayor pérdida por fricción de rodadura del coche BEV dependerá, por tanto, en porcentaje únicamente del aumento de masa respecto a la del coche ICE.
Con los números dados en el ejemplo, tendremos una pérdida de:
∆Emres / EICEres = (1.875 – 1.600) / 1.600 = 0,172 = 17,2 por ciento.
En un vehículo del segmento "C" que circula a una velocidad de crucero de entre 60 y 120 km/h, las pérdidas de energía debidas a la fricción por rodadura representan el 67 y el 34 por ciento de las pérdidas totales, respectivamente.
Situándonos, como siempre, en el centro de la gama, podemos afirmar que, de media, las pérdidas por fricción por rodadura representan, en casi todos los casos, el 50 por ciento de las pérdidas totales.
Es decir, la desventaja del mayor peso de un coche BEV respecto a un ICE se traduce en una mayor pérdida de energía igual a la mitad de ese 17,2 por ciento calculado anteriormente, es decir, un 8,6 por ciento, con un rendimiento equivalente igual a:
100 – 8,6 = 91,4 por ciento.
resumamos
Teniendo en cuenta todas las consideraciones realizadas hasta ahora, el rendimiento global de un coche eléctrico "planta a rueda" finalmente valdrá la pena:
ⴄtot = 0,57 ∙ 0,90 ∙ 0,50 ∙ 0,96 ∙ 0,914 = 0,225 = 22,5 por ciento
Descubrimos así que las verdaderas prestaciones de un coche eléctrico son incluso inferiores a las de un coche de gasolina con motor atmosférico, por así decirlo, el famoso ciclo Otto.
¿Aturdido? A la luz de este impactante resultado, ¿todavía está dispuesto a ironizar fácilmente sobre el rendimiento de los automóviles con motor de combustión interna? ¿Quién anotó realmente el punto de partido ?
El artículo ¿Es realmente cierto que los coches eléctricos ganan más dinero que los de gasolina? Proviene de Nicola Porro .
Esta es una traducción automática de una publicación publicada en Atlantico Quotidiano en la URL https://www.nicolaporro.it/atlanticoquotidiano/quotidiano/aq-economia/e-proprio-vero-che-le-auto-elettriche-rendono-di-piu-di-quelle-a-benzina/ el Tue, 18 Jun 2024 03:57:00 +0000.