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El híbrido eléctrico combina un motor de combustión interna y motor eléctrico

El vehículo híbrido, un progreso hacia el ideal de contaminación cero

El híbrido es un vehículo cuyo sistema de propulsión combina dos fuentes de energía. Nos referimos más comúnmente al híbrido eléctrico, que combina un motor de combustión interna y motor eléctrico. Hay otros tipos que no consideramos aquí: los que incorporan una célula de combustible, un supercondensador, motor de aire comprimido, etc. Se trata de un progreso hacia el ideal de contaminación cero, y más económico. El primer híbrido llegó a España el año 2000.

Buscamos la mayor eficiencia energética con la utilización de sistemas de recuperación de energía, tales como el freno regenerativo. La consecuencia es un menor consumo energético y menor generación de CO2. Con los vehículos grandes, camión, autobús, las ventajas del sistema de propulsión híbrido a menudo superan los inconvenientes: mayor peso y complejidad del sistema motriz, batería de mayor capacidad: son el híbrido de freno regenerativo.

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Porsche 918 Spyder preparado para carreras, un híbrido con un chasis de fibra de carbono, que pesa solamente 1640 kg.

En el híbrido en paralelo el motor de combustión interna y el motor eléctrico, accionado por el freno regenerativo, se instalan de manera que ambos motores puedan accionar el vehículo individualmente, o en conjunto. La caja de engranajes está acoplada por medio de embragues controlados automáticamente. El motor eléctrico es compacto en general, con menos de 20 kW, para dar energía adicional de asistencia durante la aceleración, y sobre todo generar energía en la fase de desaceleración regenerativa. Ambos motores cargan la batería, generalmente de ión litio. Una larga lista de vehículos en la calle cumplen estas normas.

La potencia de los dos motores puede ser compartida para accionar las ruedas a través de un divisor de potencia, que es un simple conjunto de engranaje planetario. La relación puede ser cualquiera, por ejemplo: 40% para el motor eléctrico y 60% para el motor de combustión. En carretera la fuente de energía primaria es el motor de combustión interna. Para adelantar, cuando se requiere la máxima potencia, el motor eléctrico ayuda. Esto aumenta la potencia disponible para un corto período, dando el efecto de tener un motor más grande que el realmente instalado.

Respecto al coche normal la disminución de consumo de combustible puede variar entre 10% y 50%, si el uso es exclusivo de ciudad y no en carretera. Hay además la reducción fiscal, porque el híbrido tiene un motor de combustión algo menor que el coche tradicional, tiene menos caballos fiscales. Mejora también la sensación al volante, porque gracias al motor eléctrico la aceleración es inmediata, contrariamente al motor térmico. Los ruidos también disminuyen, porque, a baja velocidad, el motor térmico está apagado. Hay vehículo híbrido enchufable. Al final de la jornada se enchufa para evitar la carga con el motor de combustión a bordo. Así se minimizan las emisiones en carretera. Se presupone que la electricidad es más barata que la gasolina/diésel.

Respecto al coche normal la disminución de consumo de combustible puede variar entre 10% y 50%, si el uso es exclusivo de ciudad y no en carretera.

El freno regenerativo

La recuperación de energía durante el frenado fue estudiada por los Ferrocarriles y Metros, y lograron un ahorro energético del 13%. Al regenerativo en inglés le llaman: Kinetic Energy Recovery System (KERS), la energía obtenida al frenar es almacenada para un uso futuro: el freno dinámico. Se basa en el principio de que un motor eléctrico puede utilizarse como generador eléctrico. El motor eléctrico de tracción del ferrocarril se reconecta como generador durante el frenado, y los terminales de alimentación se convierten en suministradores de energía.

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Mercedes Benz ofrece el híbrido de lujo S500 Plug-In-Hybrid, que genera 69 gr/km de CO2 y consume 3 litros/100 km.

El primer freno dinámico se aplicó en 1967 al vehículo Amitron, de American Motors Corporation. El vehículo era accionado con baterías, que se recargaban por frenado regenerativo, con incremento del rendimiento energético del Amitron. KERS entró en vigor en 2009, en la escudería BMW, en la competición Fórmula 1, en el circuito Montmeló. Unido al volante de inercia, rendía una potencia extra de 60kW durante 6.67 segundos en la fase de aceleración tras la frenada. Permitía aumentar el número de adelantamientos.

En el ferrocarril el Proyecto Elecrail redujo el consumo energético, porque aprovechaba la devolución de energía a la red eléctrica durante el frenado regenerativo. El freno convertía la energía cinética almacenada en el vagón en energía eléctrica, pero producía energía alterna, que había que rectificar, para introducirla en la red de corriente continua. El frenado regenerativo forma parte del Sistema de Conducción Automática (ATO) incorporado a muchas líneas de Metro en España. El primer ATO se incorporó a la línea 3 del Metro de Madrid con un ahorro del 12%. Las líneas 9 y 10 del Metro de Barcelona también disponen de ATO.

Reducción de emisiones

En el híbrido, el motor de combustión interna es para uso medio, no de potencia pico, por tanto es más pequeño. La batería tiene una capacidad importante de almacenamiento, y reutiliza la energía recuperada, especialmente en el 'stop and go' típico de la ciudad. Con paradas frecuentes de cabotaje y periodos de marcha en vacío. Se recupera la energía del frenado, que normalmente se pierde en forma de calor.

El freno regenerativo disminuye la velocidad del vehículo mediante la conversión parcial de la energía cinética en electricidad. Un coche en forma de caja o camión requiere más fuerza para moverlo a través del aire. La mejora de la forma y la aerodinámica del vehículo es una buena manera de ayudar la economía del combustible. La utilización de neumáticos de baja resistencia a la rodadura, que causen menor fricción mecánica; con mayor presión de inflado que los neumáticos regulares, más rígidos. La estructura de la carcasa y el compuesto de caucho son especiales, con menor resistencia al rodamiento. Los ruidos en carretera son reducidos, sobre todo en marcha vacía y con velocidad baja de operación. El híbrido no es el vehículo más apropiado para autopista de alta velocidad.

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El híbrido Toyota Yaris que competirá en Le Mans.

Las emisiones del vehículo híbrido están más cerca del nivel recomendado por la EPA, la Agencia de Protección Ambiental: 5.500 kg de CO2 para un vehículo común de pasajeros. Los tres vehículos híbridos más populares: Honda Civic, Honda Insight y Toyota Prius, logran una emisión de 4,1, 3.5 y 3.5 toneladas de CO2, una mejora importante. Los híbridos llegarán a reducir las emisiones de CO2 a la mitad: 2.800 kg de CO2.

Los híbridos llegarán a reducir las emisiones de CO2 a la mitad: 2.800 kg de CO2.

Una batería más ecológica

La mayoría de los híbridos hoy día tienen una batería de ión litio, o hidruro metálico de níquel. Ambas baterías son consideradas más ecológicas que las de plomo y ácido, que constituyen el grueso de los coches de gasolina. La batería de ión litio es la menos tóxica. La batería de hidruro metálico de níquel, del híbrido, tiene un nivel de toxicidad menor que las de ácido de plomo, o níquel cadmio. Compuestos de níquel, como el cloruro de níquel y óxido de níquel han conocido efectos cancerígenos en embriones de pollo y ratas. El compuesto más común de níquel en la batería es el NiMH, oxihidróxido de níquel (NiOOH), usado en el electrodo positivo.

La batería de ión litio

Sin ella no entendemos al híbrido. Recordemos lo más elemental. Es una celda electroquímica, que convierte la energía química almacenada en energía eléctrica. Cada celda consta de un ánodo, o electrodo positivo, un cátodo, o electrodo negativo y el electrolito, que permite que los iones se muevan entre los electrodos. Es recargable, es decir, pueden revertir sus reacciones químicas mediante el suministro de energía eléctrica a la celda, hasta el restablecimiento de su composición química original. La composición original del electrodo puede ser restaurado por la corriente inversa. El principio de funcionamiento es un proceso químico reversible de reducción-oxidación (Redox), un proceso en el cual uno de los electrodos se oxida (pierde electrones), y el otro se reduce (gana electrones). Los electrodos cambian su estado de oxidación, y que a su vez pueden retornar a su estado original.

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Un híbrido enchufable por la noche, Huber+Suhner, Inc.

En la década de 1980 Sony creó la primera batería de ión litio recargable, con electrodo de cobalto y litio. El litio permite una gran densidad de carga (la relación energía-masa), que varía entre 160 y 200 Wh/kg, o sea, unas seis veces mejor que la batería de plomo. Pero todavía quedamos lejos de los 10.000 Wh/kg de los combustibles líquidos. Se pueden recargar hasta 3000 veces para una pérdida de capacidad del 20%. Algunas baterías de ión litio-polímero se pueden descargar en menos de 2 minutos, y con baja tasa de autodescarga. Tras seis meses de reposo la batería retiene hasta el 80% de su carga. La célula ión litio presenta un alto voltaje, de 3.7V, lo mismo que 3 baterías de Ni-Cd.

La litio-ión tiene tres componentes: ánodo, cátodo y el electrolito. El ánodo es grafito y el cátodo puede ser óxido estratificado (como el de cobalto y litio), el fosfato de FeLi y el óxido de manganeso y litio. Según qué materiales se escojan en la batería cambiará mucho el voltaje, la capacidad, vida útil y seguridad. En la Tabla de los Elementos no encontramos nada mejor para la batería que el litio: su potencial electroquímico (-3.05) es el más negativo de todos los elementos. Entre otras ventajas tiene un electrón de valencia, que lo cede con facilidad para formar el catión. Tiene una densidad de 0.534 g/cm3, el más ligero de los elementos sólidos, flota en los hidrocarburos. El litio es blando y se puede cortar con un cuchillo. Es relativamente abundante en forma de compuestos en nuestro planeta. Se aisla por medio de la electrólisis de una mezcla de cloruro de litio y cloruro potásico. El país más productor de litio es Chile.

En la batería litio ión los iones litio van entre el electrodo de grafito (negativo) y el de óxido de cobalto y manganeso (positivo). La capacidad y potencia de la batería dependen de su resistencia interna, y ésta depende de la superficie de los electrodos: los electrodos nanoestructurados. Con la espuma de grafito, un electrodo de gran superficie, se multiplica por 5 la potencia de las versiones anteriores. El electrolito es una sal de litio en un disolvente orgánico. Durante la carga los iones litio van del ánodo al cátodo, y en la descarga es proceso es inverso. Cuando se extraen electrones la batería produce trabajo útil, que fluyen por el circuito externo.

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Un autobús articulado híbrido, con tecnología SKA12, excelente para ciudad.

En 2015 lo último es la batería de litio-azufre, que duplica la autonomía. Se calcula en 480 km, pero hay que demostrarlo. Su energía específica es más del doble de las baterías de litio convencionales (Densidad de entre 350-500 Wh/kg), y más económica. La celda tiene un ánodo de litio metal, un cátodo de óxido de grafeno recubierto de azufre y un electrólito líquido iónico. La batería de ión Litio de los híbridos protege al Medio Ambiente, porque tiene mayor densidad de energía y mantiene una tensión muy superior a la de la batería de hidruro de níquel; tiene una durabilidad excelente, más o menos equivale a la vida media del vehículo.

Más costes en materias primas

El híbrido usa Tierras raras, tipo Disprosio, para fabricar el motor eléctrico. Neodimio es otro metal de Tierra rara, ingrediente de los imanes de alta resistencia, de imanes permanentes. Casi todas las Tierras raras vienen de China, y su capacidad de exportación es desconocida. Fuera de China hay Hoidas Lake, en Canadá y Mount Weld, en Australia.

Mercadotecnia

La industria que vende millones de híbridos es Toyota, Honda, Ford y BMW. En EE UU en 2011 la compra de un híbrido es de solo el 2,2% de los coches vendidos. En Japón se llega al 17,1%. Con el transcurso del tiempo el porcentaje seguirá aumentando, pero al parecer, en EE UU el porcentaje de híbridos nunca llegará al 10%.

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