evaluación de las implicaciones ambientales derivadas de la introducción del vehículo eléctrico...

Evaluación de las implicaciones ambientales derivadas de la introducción del vehículo eléctrico en la Comunidad Autónoma de Castilla y León

Evaluación de las implicaciones ambientales derivadas de la introducción del vehículo eléctrico en la Comunidad

Autónoma de Castilla y León

Óscar Marcos Sánchez Javier Onecha Celestino Miguel Pascual Berjón

SUMARIO:

1. Resumen ........................................................................................................................................ 1 2. Introducción .................................................................................................................................. 1 3. Estimación del mix energético 2015 .............................................................................................. 2 4. Cálculo de las emisiones del vehículos eléctrico............................................................................ 3 5. Comparación técnica entre el vehículo convencional y el eléctrico .............................................. 3 6. Resumen comparativo en el impacto ambiental por uso de ambos vehículos .............................. 6 7. Análisis del impacto ambiental de las baterías de Li-Ion ............................................................... 6 8. Contribución ambiental del reciclado de las baterías de Litio ....................................................... 9 9. Parque de vehículos en 2015 ....................................................................................................... 11 10. Cálculo de la reducción de las emisiones de CO2 en la fase de funcionamiento en 2015 ............ 13 11. Conclusiones ................................................................................................................................ 15 12. Bibliografía .................................................................................................................................. 15

Ciencia y Tecnología del Medio Ambiente 5º curso de Ingeniería Industrial (Abril de 2011)

Escuela de Ingenierías Industriales. Universidad de Valladolid


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1. RESUMEN En el presente trabajo se analizarán las

implicaciones ambientales derivadas de la introducción del vehículo eléctrico en el año 2015 según la Estrategia Regional del Vehículo Eléctrico 2011-2015. Para poder tener en cuenta dichas implicaciones será necesario estimar el mix energético y el parque automovilístico regional en el 2015 con el fin de obtener resultados cuantitativos de la reducción de emisiones que el coche eléctrico producirá en nuestra comunidad.

Asimismo también se tratarán aspectos constructivos y del reciclado de dichos automóviles eléctricos. Para este fin analizaremos a las baterías de Ión Litio que dichos automóviles utilizan por ser el componente más diferenciador respecto a los turismos convencionales. 2. INTRODUCCION

Actualmente los países más desarrollados del mundo se encuentran en un período de evolución y cambio constante en la industria. Este cambio se ha orientado fuertemente hacia el ahorro energético y hacia la disminución del impacto medioambiental el máximo posible. Por eso, el vehículo eléctrico es la herramienta perfecta para perseguir estos fines. Se trata de cambiar la tecnología de los medios de transporte para dejar atrás el consumo energético de un recurso tan escaso y contaminante como es el petróleo. Este cambio pretende dar lugar al uso y desarrollo de un sistema de transporte más limpio y con energías más renovables. Sin embargo, el cambio tecnológico supone un cambio mucho más allá del vehículo en sí, pues es necesaria la implantación de un sistema de distribución de la energía que poco a poco deberá ser tan bueno como lo es el del petróleo. Además, se debe tener en cuenta la capacidad de generación eléctrica de cada país, pues de ella dependerá la viabilidad económica y el impacto medioambiental que va a suponer el vehículo eléctrico.

Actualmente existen 800 millones de vehículos en circulación en el mundo (cifra que se doblará en 20 años). Como orden de magnitud el transporte consume un tercio de la energía mundial generando aproximadamente la cuarta parte de las emisiones de CO2. Si además tenemos en cuenta que 4 de cada 5 trayectos son de menos de 100km nos encontramos claramente ante un problema cuya solución parece ser el vehículo eléctrico.

Centrándonos en España, el Ministerio de Industria ya ha llegado a acuerdos con las empresas energéticas para promover la implantación de puntos de carga de baterías (electrolineras). Además, para el año 2014 se cree que podría llegar a hacer 250 000 vehículos eléctricos en todo el país, por lo que se hace necesaria la implantación de las electrolineras y de una estrategia energética que gestione estas recargas, como las tarifas nocturnas.

Si nos centramos en Castilla y León podemos ver que el papel de la automoción es sin duda uno de los principales ejes de la economía de la comunidad. Ocupa a 38000 personas y supone el 15% del Valor Añadido Bruto Industrial y el 25% del PIB industrial. Además, en Castilla y León se produce el 15% de los vehículos del país y se exporta el resto. Por eso está claro que la apuesta por el vehículo eléctrico parece muy acertada, incentivando además económicamente a los compradores.

Por otra parte, la ciudad de Valladolid ha apostado fuertemente por el sector industrial del vehículo eléctrico, pues ya cuenta con factorías de automoción en las que precisamente se está comenzando la producción de coches eléctricos. La estrategia a seguir en la ciudad está enfocada en tres aspectos. El primero consiste en la rápida implantación de las infraestructuras necesarias (como puntos de recarga) para que esto no suponga un arranque lento de la implantación del coche eléctrico. La segunda es dar ventajas a este vehículo, como por ejemplo menos impuesto de circulación y ventajas en zonas de ORA. Por último La ciudad apuesta por el uso en del vehículo eléctrico en el transporte público.

Por todo esto vamos a realizar un estudio sobre el impacto que va a suponer la implantación de estos nuevos transportes sobre el medio ambiente. El enfoque a seguir consiste en el estudio del impacto de un vehículo eléctrico, desde su construcción hasta su desecho, pasando obviamente por su vida útil. Además nos centraremos únicamente en aquello que suponga una diferencia respecto a los vehículos tradicionales. Una vez comparados se estudiará el impacto que supone en Castilla y León esta implantación, basándonos en el plan de la comunidad para el vehículo eléctrico en 2015.


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3. ESTIMACIÓN DEL MIX ENERGÉTICO 2015 La contaminación asociada al coche eléctrico está íntimamente ligada a la procedencia de la energía eléctrica con la que sus baterías se recargan. Si bien el coche eléctrico en su fase de funcionamiento no produce directamente emisiones contaminantes, si que produce una contaminación indirecta debido a que actualmente gran parte de la electricidad con la que se recarga procede de fuentes de energía que tienen asociadas una contaminación. Por tanto es imprescindible realizar una estimación del mix energético que existirá en Castilla y León en el año 2015. Para ello vamos a realizar las siguientes consideraciones: A. Suponer que la energía consumida en Castilla y León proviene de la propia comunidad. En realidad la energía eléctrica puede proceder de otras comunidades autónomas pero puesto que Castilla y León produce bastante más energía que la que consume ( en 2009 por ejemplo produjo unos 24000 GWh y consumió aproximadamente 13000 GWh, lo que supone sólo un 54% de lo producido) es una hipótesis asumible. B. Considerar que el mix energético de la comunidad apenas va a cambiar con respecto a los últimos años. Es más que probable que la cantidad de energía eléctrica producida por fuentes renovables aumente en los próximos años, pero no lo vamos a tener en cuenta por dos razones: 1.-Es difícil prever exactamente la potencia instalada que habrá en 2015 de energías en la comunidad. Sin embargo, como la situación actual es casi con toda seguridad más desfavorable que la que habrá en 2015 respecto a contaminación podemos asumir sin tomar demasiados riesgos que el mix en el 2015 será una media entre los que había en 2008 y 2009. 2.-Además, el posible cierre de la central nuclear de Santa María de Garoña en el año 2013 dificulta más el cálculo. Sin embargo, supondremos que en el caso del cierre de la misma la energía procedente de esa central se sustituiría por energías renovables (lo cual no modifica ningún cálculo respecto a emisiones

de CO2) C. No poseemos el desglose de energía térmica generada en la comunidad por carbón y por ciclo combinado pero se puede suponer que el porcentaje es similar al que se dio en la península en el año 2009 (un 66% de la energía térmica provino del ciclo combinado y un 33% del carbón) Teniendo en cuenta las anteriores simplificaciones y los datos de producción de energía de la comunidad (tabla) podemos calcular el mix energético que consideraremos en el año 2015:

Con este mix y teniendo en cuenta los factores medios de emisión de los distintos contaminantes por GWh producido que se exponen en la siguiente tabla podremos estimar las emisiones de los diferentes contaminantes por MWh generados en Castilla y León en el año 2015. Como no conocíamos el desglose de energía térmica que provenía de las centrales de carbón y de ciclo combinado en la comunidad, hemos considerado los datos de producción de energía térmica en la península en el 2009 donde se produjeron aproximadamente un 33% de energía térmica por medio de carbón y el resto, un 66%, mediante ciclo combinado. Obtenemos por tanto que se emiten unas 0.24 tCO2/ MWh generado. Este dato es algo menor que el relativo a España para el año 2009 que fue de unos 0.278 tCO2/ MWh generado lo cual tiene sentido puesto que Castilla y León es una de las comunidades con mayor implementación

Fuente de energía CO2

(Tm/GWh) NO2

(Tm/GWh) SO2

(Tm/Gwh) Particulas (Tm/GWh)

CO (Tm/GWh)

HC (Tm/Gwh) % Mix Energetico

Carbón 950,2 2,896 2,971 1,626 0,267 0,102 0.4·0.333= 0,133 CC Gas natural 420 0,251 0,336 1,176 0 0 0.4·0.667= 0,267

Nuclear 8,6 0,034 0,029 0,003 0,018 0,001 0,14 Biomasa 0 0,614 0,154 0,512 11,36 0,768 0,025

Total Mix 2015 239,7206 0,472295 0,492765 0,54347 0,322031 0,032906

Año

2008 2009 Media 2008-2009

%Media (Mix

estimado 2015)

Energía

Térmica 14.903

7.082 10.993 40,03

Nuclear 4.021 3.580 3.801 13,84 Hidráulica

5.323 5.661 5.492 20,00

Eólica 5.583 6.580 6.082 22,14 Solar 261 556 409 1,49 Biomasa 697 681 689 2,51 Total 30.78

8 24.14

0 27.464 100,00


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de energías renovables y por tanto su nivel de emisiones de CO2 es menor que el de la media de la península. Pese a ello y para una mayor seguridad los cálculos de emisiones de CO2 asociados al coche eléctrico los realizaremos con ambos índices de emisiones permitiéndonos comparar las respectivas reducciones de emisiones esperadas. 4. CÁLCULOS DE LAS EMISIONES DEL

VEHÍCULO ELÉCTRICO

Para calcular las emisiones producidas por el BEV hay que tener que estas dependerán del mix considerado y que la energía primaria obtenida en las centrales eléctricas una vez producida tendrá una series de pérdidas hasta su consumo final: hay que tener en cuenta un 10% de pérdidas por transformación y transporte, las pérdidas de conversión de la electricidad en energía química almacenada en la batería y posteriormente otra vez a electricidad (85% de eficiencia) y un 85% de rendimiento del motor eléctrico.

Se estima que se requieren unos 14.1 KWh/100 Km para impulsar a un vehículo del tamaño y peso de un Volkswagen Golf. Para calcular la energía eléctrica que necesitaremos obtener en nuestras centrales deberemos utilizar los rendimientos descritos.

14.1/ (0.9·0.85·0.85)= 21.7 KWh/100Km= 0.217 KWh/Km

Con esto y conociendo las emisiones medias de los diferentes contaminantes para el mix energético considerado se pueden calcular las emisiones producidas por kilómetro:

Tipo emisión Emisiones energía

producida (Tm/MWh)

Emisiones vehiculo (g/Km)

CO2 mix 2009 0.278 60.32

CO2 mix 2015

0.24 52.08

NOx 2015 0.472 0.102 SOx 2015 0.493 0.107 Partículas 0.543 0.118 CO 2015 0.322 0.07 HC 2015 0.033 0.0072

Pese a estos cálculos hay que considerar que en las centrales eléctricas al encontrarse la producción de energía más localizada se pueden eliminar más fácilmente las emisiones de partículas y otros gases nocivos, algo que es mucho más complicado realizar en los vehículos de combustión interna.

5. COMPARACIÓN TÉCNICA ENTRE EL VEHÍCULO CONVENCIONAL Y EL ELÉCTRICO

En este apartado se va a estudiar las diferencias entre el vehículo eléctrico y el vehículo convencional, comparando influencia del tipo de tecnología en el consumo y la contaminación asociados a cada uno.

Actualmente existen varias tendencias en el desarrollo de diferentes tecnologías dentro del sector del automóvil, que podemos agrupar en las siguientes:

1. Vehículo de gasolina avanzado 2. Vehículo diesel avanzado 3. Vehículo de gasolina híbrido 4. Vehículo diesel híbrido 5. Vehículo eléctrico de pila de

combustible 6. Vehículo eléctrico de batería (BEV)

En el presente trabajo se van a comparar los vehículos eléctricos de batería con los de combustión interna alternativos, pues son los que representan casi el total de los vehículos actuales.

En cuanto al “vehículo base” (carrocería, asientos, accesorios, lunas, etc.) cabe destacar que prácticamente no hay diferencia entre los diferentes tipos de coche. La diferencia está en su sistema de propulsión y su fuente energética. Los motores de combustión interna alternativos funcionan quemando directamente el combustible y transformándolo en trabajo y calor.

Para poder calcular mejor el ahorro energético que supondría sustituir un vehículo de combustión actual por uno eléctrico se tienen que calcular los rendimientos y la energía que ambos consumen. Un litro de gasolina almacena 9,5 kWh (un kilogramo, unos 13 kWh); pero como el motor que utiliza dicho combustible disminuye ese rendimiento hasta dejarlo en aproximadamente en un 25-30% (en los motores de ciclo diésel es de un 40-45%), la energía final disponible se queda en unos 2,5 kWh por litro. Si se tiene en cuenta que para recorrer 100 km se necesitarían unos 20 kWh, el consumo aproximado sería de ocho litros para circular esa distancia, un valor realista y acorde con los rendimientos de los coches en la actualidad.


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Es decir, que en un depósito de combustible con 50 litros de capacidad disponemos de una energía bruta de 9,5 x 50 = 475 kWh, y neta de 2,5 x 50 = 125 kWh, con un peso de unos 38 kg. Otro dato importante es la potencia del motor térmico, que en este caso supondremos es de 100 CV (75 kW).

Por su parte el vehículo eléctrico almacena energía eléctrica en baterías que luego usa para mover uno o varios motores eléctricos. En el transporte de la energía eléctrica tenemos un rendimiento aproximado del 90%. En la carga un 95% mientras que los motores podrían trabajar en condiciones óptimas y tener un rendimiento cercano al 90%. Combinando los tres rendimientos se tiene un rendimiento global del orden del 77%, sin tener en cuenta aún el origen de esa energía. Otro dato importante es que los vehículos eléctricos necesitarán unos 24kWh para tener una autonomía media de 150km.

Si consideramos un vehículo similar al anterior de gasolina, movido por la energía almacenada en baterías de litio (el elemento sólido más ligero de la tabla periódica y cuyas características son las que ofrecen un mejor resultado para las necesidades de un vehículo eléctrico) se tiene que un kg de litio puede ofrecer aproximadamente 150 Wh a un coste de unos 500 euros por kWh. Para disponer de la misma energía de 125 kWh que nos ofrece el motor térmico y teniendo en cuenta el rendimiento del electrico, necesitaríamos una batería de unos 1080 kg (que además nos costaría 81200 euros).

Para poder estudiar mejor las diferencias

entre el consumo y la contaminación hay que analizar primero el impacto del consumo de combustibles derivados del petróleo. Con esto y conociendo el impacto de la generación eléctrica se pueden estudiar casos más concretos, comparando coches que sean similares en cuanto a tamaño y prestaciones. Impacto en vehículos de combustión interna:

Si se analiza la composición de los gases de

escape de un vehículo de combustión se puede obtener un gráfico como el siguiente:

Los principales contaminantes son NOx,

CO, hidrocarburos sin quemar y partículas sólidas.

En la tabla anterior se recogen los valores máximos permitidos de contaminantes para un vehículo de combustión por kilometro para que cumpla la normativa Euro5.

Teniendo en cuenta que la combustión

completa de un litro de gasolina produce 2.370 gCO2 y usando el dato calculado anteriormente como media de consumo de 8 l/100km tenemos que se generan 189.6 gCO2/km. Es un valor algo elevado para coches que cumplen la Euro5 pero sí que es representativo de la media


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de los coches que actualmente hay en España. Para poder comparar estos datos con la

contaminación de un coche eléctrico hay que conocer o calcular la contaminación que supone la generación de 1kW de energía eléctrica y luego ver cuántos kW son necesarios para desplazar 1km un vehículo eléctrico.

Una primera suposición sería afirmar que

el vehículo eléctrico obtenga su energía de fuentes renovables. En este caso, la contaminación asociada al consumo de esa energía sería únicamente la generada en el proceso de fabricación del generador eléctrico (molinos, turbinas, placas solares…). Esta contaminación puede suponerse casi despreciable frente a la generada por un vehículo de combustión. Por esta razón, se podría afirmar que la sustitución de un vehículo tradicional por uno eléctrico supondría la reducción de la cantidad de los contaminantes recogidos en la tabla anterior.

En la actualidad, la energía eléctrica en

España no es 100% renovable, lo que supone una contaminación asociada a su generación.

En el apartado de estimación de emisiones

del BEV utilizando el dato de la emisión de CO2 calculado en el apartado de la previsión del mix energético en Castilla y León para 2015, el rendimiento de la distribución de energía eléctrica y el consumo por km de un vehículo eléctrico obtuvimos que este emite unos 52 g CO2/Km

Estudio comparativo de dos casos de vehículos reales

Por otra parte, es interesante comparar casos reales de vehículos actuales con vehículos eléctricos similares para evidenciar aun más la diferencia de consumos y contaminación.

Un ejemplo lo encontramos en el estudio “Cost and CO2 aspects of future vehicle options in Europe under new energy policy scenarios” de Christian Thiel, se recogen algunos datos reales de distintos tipos de vehículos. Comparando el de gasolina con el eléctrico podemos sacar algunas conclusiones:

Si nos fijamos en el consumo de ambos coches, por cada 100km el coche de gasolina necesita 52.6 kKh (4.3 litros) mientras que el coche eléctrico necesita 19.2 kWh. La primera conclusión es que el vehículo de gasolina

necesita casi tres veces más energía para realizar el mismo trabajo. 1.3 GDI

turbo BEV

Combustible Gasolina Electrico Potencia (kW) 70 80 Depósito (l) 42.3 - Energía almacenada (kWh) 377.4 24

Autonomía (km) 717 125 Peso (kg) 1256 1442 Consumo (kWh/100km) 52.6 19.2

Emisiones CO2 (g/km) 139 *

Como segundo ejemplo de caso real, se puede plantear el beneficio que resultaría de sustituir el actual Renault Clio dCi de 75cv por un Renault ZOE eléctrico con la siguiente información obtenida de la página web de Renault: Clio 75cv ZOE 60kW Combustible Gasolina Electrico Potencia (kW) 55.5 60 Depósito (l) 55 - Energía almacenada (kWh)

490.7 24

Autonomía (km)

692 160

Peso (kg) - 1392 Consumo (kWh/100km)

71 15

Emisiones CO2 (g/km)

135 *

Normativa Euro5 Euro5

En este caso, según el fabricante, la carga de la batería se podría hacer a 220V y potencias de 3.5 y 2.2 kW, por lo que no sería necesaria una modificación de las instalaciones eléctricas domésticas. El único cambio será la instalación de un enchufe denominado “wall-box” que es un enchufe controlado a distancia para asegurar que la carga se realiza en las horas valle. Esto supone que, a corto plazo, mientras el vehículo eléctrico represente un porcentaje pequeño de todos los vehículos no habrá que modificar la red eléctrica, evitando así los problemas ambientales que se podrían ocasionar. En este caso, la diferencia de consumo en kWh sigue siendo mucho mayor. Cuenta con una batería de unos 160 kg.


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6. RESUMEN COMPARATIVO EN EL IMPACTO AMBIENTAL POR USO DE AMBOS VEHÍCULOS

Por último se va a recoger en una tabla un

resumen del consumo y contaminación del vehículo eléctrico frente a lo que contamina (de media) un vehículo con motor de combustión interna alternativo (MCIA)

MCIA V.Eléc Diferencia unidad

Consumo 0.7 0.2 -0.5 kWh/km

ɳglobal 0.3 0.75 - - CO2 189 52 -137 g/km CO 1810 70 -1740 mg /km NOx 170 102 -68 mg /km HC 130 7.2 -122.8 mg /km Partículas* 5 118 +113 mg /km

* Las emisiones de partículas en una central eléctrica pueden ser recogidas mediante filtros.

7. ANÁLISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL DE

LAS BATERÍAS LI-ION

La estructura del coche eléctrico es similar a la de un coche convencional a excepción del motor eléctrico, la transmisión y la batería. De estas tres la batería es el elemento más crítico y diferenciador a la hora de evaluar el impacto ambiental del coche eléctrico.

En la actualidad se conoce poco acerca de los impactos de la producción, uso y tratamiento tras el uso de las baterías de Ión litio. Esto hace difícil comparar los impactos de los coches eléctricos (BEV) con los de combustión interna (ICEV). Por eso se hace necesario un estudio detallado acerca del impacto de las baterías Li-Ion a lo largo de todo su ciclo de vida.

Para realizar este estudio nos vamos a basar en un estudio realizado por Empa (Technology Society Laboratory, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) según el cual el impacto total de la batería sobre la movilidad eléctrica llega al 15% y el impacto debido a la extracción del Litio apenas llega al 2.3% siendo el mayor impacto ambiental debida a los cátodos de la batería, a la carcasa de la misma y a los cables que incluye. Elección de la batería

En el pasado, los coches eléctricos que se intentaron desarrollar utilizaban baterías de plomo-ácido, de hidruro metálico de níquel

(NiMH) o de sodio-níquel-cloro (ZEBRA). Sin embargo, los nuevos coches eléctricos utilizan baterías de iones de litio (Li-ion).

La razón principal de este uso son las

más favorables características materiales del litio. En primer lugar, es un metal muy ligero y proporciona un gran potencial electroquímico, lo que se traduce en una alta potencia y densidad de energía. Adicionalmente, las baterías de Li-ion requieren poco mantenimiento en comparación con el resto de baterías, no tienen efecto de memoria, la auto descarga de la batería es mínima y no requieren de un ciclo de vida determinado para prolongar su vida útil. La fabricación de celdas de Li-ion está en constante cambio y desarrollo: por ejemplo, el comúnmente usado, pero caro, Cobalto está siendo sustituido por fosfato de hierro o de manganeso. Las baterías comerciales de Li-ion están utilizando varios tipos de materiales catódicos, uno de ellos es el LiMn2O4. Éste es atractivo para el coche eléctrico en muchos aspectos: su bajo coste, su relativamente fácil proceso de producción y por su seguridad térmica. Además, el manganeso es abundante en la naturaleza y está consolidado en la industria de fabricación de baterías.

A pesar de elegir el cátodo de Manganeso se comprueba mediante un análisis de la sensibilidad que el utilizar otros materiales (níquel, cobalto o hierro) sólo produce pequeños cambios en la carga ambiental. Por tanto, para una evaluación genérica parece razonable no tener en cuenta la diversidad de materiales.

Métodos y definiciones para el estudio Análisis del ciclo de vida (Life Cycle Assesment, LCA): es un método para contabilizar y evaluar el impacto medioambiental causado por los productos, procesos y actividades. Con el LCA se aspira a cuantificar la energía y el flujo de materiales usados en todas las etapas de la vida


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de un producto, así como los desechos y emisiones asociados a esta. En el estudio se compara el uso de las baterías de Ión Litio y se evalúan si las ventajas del uso de la transmisión eléctrica se compensan con las cargas medioambientales asociadas al uso de baterías. Para ello la unidad funcional elegida será un kilómetro promedio recorrido por un coche eléctrico de baterías de Li-Ion en la red europea de carreteras. Batería: Se ha elegido una batería de LiMn2O4, porque parece razonable suponer que el manganeso en un futuro próximo sustituirá al níquel y al cobalto debido a su menor coste y a la mayor disponibilidad del manganeso. Vehículo Eléctrico: El vehículo que estudiamos es comparable a un Volkswagen Golf en tamaño y potencia, con una autonomía de unos 200 km por recarga. La batería pesa 300kg y su capacidad es de 0.114 KWh/(Kg de batería) con un tiempo de vida previsto de 150 000 km. El consumo energético para la operación del vehículo eléctrico se estimó en función de los vehículos existentes (se necesitan 14.1 KWh cada 100 km para propulsar a un vehículo similar a un Golf con una eficiencia total del 80%. Adicionalmente la calefacción, refrigeración y los componentes electrónicos consumen 2.9 KWh/100 Km dando un requerimiento total de 17 KWh/100 Km)

Es necesario destacar que el resultado del estudio del LCA de la movilidad de vehículo eléctrico depende principalmente del perfil ambiental del mix energético considerado para la obtención de la electricidad (en este caso se escogió el mix energético de la UCTE, con más del 50% de contribución de los combustibles fósiles). Vehículo de referencia: Se tomó un coche de gasolina que cumple la norma Euro 5 para la comparación, ya que representa un nivel tecnológico similar al de un coche eléctrico. Éste ICEV consume 5,2 litros de gasolina cada 100 km, resultando en una emisión directa de 0,12 kg de CO2 por kilómetro. Asignación y límites del sistema

La asignación de los inputs y outputs a los productos es un difícil problema en el análisis de ciclo de vida. Sin embargo, la asignación que se realizará se elige de manera que se le asignen las mayores cargas medioambientales a las baterías, es decir, por

ejemplo todos los gastos de explotación de sal de litio se le asignan a las baterías, aunque la salmuera sirva para producir otro subproducto.

Siguiendo este principio, todas las cargas de producción de materiales se asignan al primer producto fabricado incluso si el producto puede ser reutilizado (las baterías usadas pueden usarse en otras aplicaciones estacionarias) Evaluación del Impacto Ambiental: Las cargas ambientales se pueden expresan como potencial de calentamiento global (GWP), aplicándolo a un periodo de tiempo de 100 años; la demanda de energía acumulada (CED) en la cual sólo se incluyen las no renovables (combustibles fósiles y nuclear); y el Ecoindicador 99 con ponderación media EI99 H/A, este último se incluye los efectos tóxicos sobre los ecosistemas y los seres humanos. El agotamiento de los recursos se indica en el potencial de agotamiento abiótico (ADP) que estudia el uso de los recursos especialmente en el caso de los metales.

Figura 1: Modelo de estructura de la movilidad eléctrica. El estudio considera los procesos relevantes en la producción de la batería dando los inputs de energías necesarios.


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Descripción de la producción de la batería: La figura 1 muestra los pasos

necesarios para la producción de baterías Li-Ion desde la extracción de litio y producción de los electrodos hasta los componentes del vehículo eléctrico y la movilidad con el vehículo. Para todas las etapas de producción los flujos de energía térmica y eléctrica están referidos a 1 kg de batería de Li-Ion.

Emisiones e impactos

Como se muestra en la figura 2 la batería de Li-ion juega un papel secundario con respecto a la carga ambiental de la movilidad eléctrica, independientemente del método de evaluación de impacto utilizado.

El transporte con vehículos con motor de combustión interna causa mayor carga ambiental que con vehículos eléctricos (ADP, + 37,47% o 261 kg equivalentes de antimonio; GWP, + 55,3% o 37.700 kg equivalentes de CO2; CED, + 23,5% o 593.000 MJ equivalentes; EI99 H/A, + 61,6% o 2.530 puntos; Figura 2). La parte del impacto ambiental de la movilidad eléctrica causada por la batería está entre un 7% (CED) y un 15% (EI99 H/A).

El estudio también muestra que no hay diferencias entre un ICEV y un BEV con respecto a la carga ambiental relacionados con su uso en carretera (infraestructura, mantenimiento y eliminación) y tampoco

Figura 2. Cargas medioambientales del vehículo de motor de combustión interna (ICEV, valor en % del BEV) y un coche eléctrico a batería (BEV, se establece como 100%) que se evalúan con cuatro métodos de evaluación ADP, CED, GWP, y Ecoindicador EI99 H/A.

Figura 3. Carga ambiental de los principales componentes de la batería ion-litio y los electrodos expresada a través del Ecoindicador EI99 H/A, CED, GWP, y ADP. Se distinguen entre los componentes del ánodo (C. Ano) y los del cátodo (C. Cat).


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existen diferencias significativas en la estructura del chasis del vehículo. Hay pequeñas diferencias debidas a la transmisión, al mantenimiento y a la eliminación del coche. Sin embargo, la principal diferencia se refleja en la fase de operación, cuyo impacto se eleva muy por encima del impacto de la batería.

Obviamente, la fase de operación domina el LCA de la movilidad eléctrica de ambos vehículos, si bien es notablemente superior en el caso de un motor de combustión interna. La producción de la batería de Li-ion está dominada por la producción del ánodo, el cátodo y la carcasa de la batería, como podemos ver en la figura 3. De hecho puede observarse que la carcasa (que incluye una caja de acero y los cables) supone un 20% del impacto de la batería. Conclusiones

Este estudio revela que el impacto de las baterías de Li-Ion utilizadas en los vehículos eléctricos con fines de transporte es relativamente pequeño. La fase de operación supone por el momento el principal factor que contribuye a la carga ambiental causada por el transporte (siempre y cuando la electricidad para el vehículo eléctrico no sea producida por alguna fuente de energía renovable) Otra explicación para el reducido impacto de la batería en la evaluación del transporte es la pequeña carga ambiental que suponen los componentes para la fabricación de la batería Li-ion. De hecho, el contenido de litio es sólo 0.007 kg/kg batería. Además, los procesos para extraer el litio de las salmueras son simples y tienen una baja demanda de energía.

Aunque la concentración promedio de litio es más baja del 0.01% en la corteza terrestre, y por lo tanto puede considerarse como un recurso escaso geoquímico de metal, la evaluación con ADP no revela un alto impacto de los componentes de litio. El Li2CO3, material base para la fabricación del cátodo, y la sal de litio tienen un impacto de sólo un 1,9% sobre el total de la batería. Mucho menor que, por ejemplo, el Mn2O3 (4,4%), el cobre (5,3%) o el aluminio (15,1%), luego el agotamiento de los recursos de litio no parece crítico. Sin embargo, estos resultados sólo son válidos si el Li2CO3 se produce a partir de salmueras.

Los principales contribuyentes a la carga ambiental para la producción de la batería son el suministro de metal (figura 3) y la energía del proceso. Los metales se requieren sobre todo en la producción del ánodo, el cátodo y la carcasa. La carcasa requiere cables (cobre), acero para la caja de la batería y un sistema de gestión de batería, que contiene metales como cobre, oro y estaño. Se sabe que donde hay alta demanda de energía es en la producción de aluminio, las obleas de silicio para el sistema de gestión de batería, la producción del grafito, en procesos de tostado de carbonato de manganeso a Mn2O3 o Li2CO3 y Mn2O3 a LiMn2O4, o el uso de calor para secar los electrodos.

8. CONTRIBUCIÓN AMBIENTAL DEL RECICLADO DE LAS BATERÍAS DE LITIO Las baterías de ión litio investigadas son de tipos diferentes dependiendo del tipo de cátodo utilizado que en el caso del coche eléctrico suelen ser como ya se ha comentado de níquel-cobalto o manganeso. Contribuciones energéticas: En la figura 4 se muestran los principales inputs energéticos para los diferentes componentes de una batería de Li-Ion. El principal consumo de energía se produce durante la extracción y producción de los materiales que la constituyen pero la producción de la propia batería también conlleva una gran cantidad de energía.

El coste energético del reciclado es menor

para las baterías de ión litio que para el resto de baterías aunque la investigación no incluye el coste de la recuperación metalúrgica, es decir, devolver a los materiales a una forma que permita su uso en nuevas aplicaciones. El efecto del reciclado, que posteriormente explicaremos, tiene valores negativos lo que significa que esa energía se ahorra en el proceso al recuperarse materiales evitando su extracción. El input energético del reciclado y el efecto del reciclado en las baterías de litio prácticamente suman cero (aunque ha de tenerse en cuenta que el input energético del reciclado es muy pequeño comparado con el uso de energía de la producción de la batería) lo que significa que la energía que nos gastamos reciclando la batería nos la ahorramos al evitar el extraer y producir nuevos materiales.


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Figura 4. Inputs energéticos en el ciclo de vida para diferentes sistemas de baterías.

Figura 5. Emisiones de CO2 para el ciclo de vida para diferentes sistemas de baterías

1.2 Emisiones de CO2 En la figura 5 se comparan las emisiones

para los diferentes componentes de la vida para diferentes posibles baterías de un coche eléctrico. Las etapas de obtención de materiales y de producción de la propia batería son las que más CO2 emiten (lo cual no nos sorprende al ser también las etapas que más energía consumían).

El efecto del reciclado vuelve a ser negativo puesto que ese material va a poder reemplazar a materiales primarios cuya producción consume más energía y por tanto evita emisiones de CO2.

1.3 Efecto del reciclado Para el caso de las baterías de níquel-

cobalto los dos metales son recuperados en un proceso físico mientras que el tratamiento de las baterías de cátodo de manganeso no incluye la recuperación del metal. Una investigación de la recuperación del manganeso usando calcinación muestra que tal recuperación actualmente incrementa mucho la cantidad de

de desechos y de CO2 en comparación con no recuperar dicho metal, lo cual hace que en la actualidad no sea rentable su recuperación. Según las figuras 4 y 5 el efecto del reciclado produce un efecto de ahorro de energía y reducción de las emisiones de CO2. Sin embargo ese resultado no incluye la recuperación de muchos de los elementos de la batería. Además, el transformar todos los elementos reciclados en productos cuya calidad sirviera para producir una nueva batería elevaría mucho la energía necesaria para el reciclado pero también elevaría el efecto del reciclado, ya que dichos metales reciclados podrían usarse para fabricar nuevas baterías suponiendo un menor gasto energético en comparación a la utilización de material primario.

Estado actual del reciclado de las baterías de Litio Los estudios desvelan que en la actualidad el cambio de recursos vírgenes por material reciclado para la fabricación del cátodo de las


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baterías Li-ion supone un ahorro de recursos naturales del 51%.

La mayoría de los procesos que actualmente se utilizan en el reciclado de baterías de litio usan métodos piro metalúrgicos por lo que requieren grandes cantidades de energía (sobre todo en la fusión), lo cual lleva sus costes asociados.

Actualmente las instalaciones de reciclado en operación se centran en el reciclado de pequeñas baterías portátiles (de ordenadores, teléfonos…). La industria química de estas baterías portátiles se basa en el LiCoO2. El cobalto es lo más valioso de la batería y es el objetivo principal del reciclado.

Sólo dos de las empresas (Toxco and Accurec) que se encargan del reciclado de baterías recuperan el litio. Ninguna de las empresas de reciclaje de baterías utiliza procesos de reciclado para el fosfato de hierro y pocas de ellas utilizan procesos apropiados para el manganeso (sólo Accurec recupera Manganeso) y el níquel (sólo Umicore recupera Níquel refinado). En definitiva, muchos materiales de las baterías no se recuperan en el proceso. 9. PARQUE DE VEHÍCULOS EN 2015

El número de vehículos y sus distintas características son datos importantes a conocer para poder calcular las emisiones de contaminantes asociadas al parque automovilístico en nuestra región en el futuro.

Para ello, se realizará una previsión de la cantidad de coches que circularán por nuestras carreteras. Como instrumento, se utilizarán los datos oficiales acerca de tipos y antigüedad de vehículos. Se partirá para el cálculo de las siguientes hipótesis:

• Se tomarán sólo en cuenta los turismos para el estudio. Esto es debido a que en vehículos más pesados es difícil la implantación de la tracción eléctrica debido a que estos vehículos normalmente han de recorrer grandes distancias, y a que las baterías tienen reducida autonomía. También es complicada inicialmente la implantación en motocicletas por el elevado peso de las mismas.

• Se hará una predicción también acerca de la antigüedad del parque dado que posteriormente, al realizar los cálculos de emisiones contaminantes, no es lo mismo tener en circulación un vehículo más nuevo que otro más viejo, dado que los vehículos más antiguos debían pasar una normativa anticontaminación menos restrictiva que los actuales.

• Para el cálculo de la antigüedad del parque, se considerarán regresiones lineales teniendo como base de partida el periodo de años 2000-2009. Los datos históricos de estos años están disponibles en la página web de la Dirección General de Tráfico

• Para evaluar el impacto del coche eléctrico en el año 2015, se supondrán dos escenarios para el año 2015. El primero de ellos, será el escenario que habría en caso de que no circulase ningún vehículo eléctrico. En el segundo de ellos, se sustituirán 15000 de esos vehículos (que es el objetivo según la recién presentada Estrategia regional del vehículo eléctrico 2011-2015).

• También se tendrán en cuenta la distribución del parque de vehículos en aquellos cuya propulsión se hace mediante motores de encendido provocado (cuyo combustible normalmente es gasolina sin plomo) y en motores con encendido por compresión (que emplean como fuente energética gasóleo), dado que la contaminación producida por ambos sistemas es sensiblemente distinta.

Dado que los datos más completos que se ofrecen desde la web de la dgt conciernen a España entera, se extrapolarán los datos a Castilla y León suponiendo una distribución idéntica del parque de vehículos.

A continuación se representa la evolución del número de turismos que ha habido en Castilla y León en los últimos años:


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Figura 6. Evolución del parque total de vehículos de Castilla y León

En esta gráfica, se puede observar que el crecimiento del número de vehículos en nuestra Comunidad Autónoma, sigue una tendencia lineal.

Haciendo una regresión lineal a estos datos, se puede predecir que el número de turismos que habrá en Castilla y León en el año 2015, será de 1442000 vehículos.

También, viendo las series temporales, se puede predecir la composición según la antigüedad del parque de vehículos. La forma que se llevará a cabo para este cálculo será:

1. Se calculará primero la composición en porcentaje según la antigüedad del parque de vehículos desde el año 2001 hasta el 2009, sin hacer distinción entre

vehículos de gasoil o diésel. Todo esto para el parque de vehículos estatal.

2. Se calculará la media en porcentaje para estos 9 años de la antigüedad de los vehículos. Se supondrá, que en 2015, la composición en antigüedad del parque de automóviles en España se mantendrá más o menos constante.

3. Se hará una extrapolación de los resultados obtenidos para la Comunidad Autónoma de Castilla y León.

Con todo esto, la previsión obtenida para Castilla y León en el año 2015 es:

Figura 7. Previsión del parque de vehículos en Castilla y León en el año 2015

Por último, sólo falta dividir estos vehículos en diésel y gasolina para cada año. Suponiendo que la venta de diésel disminuirá a costa de un aumento de las ventas de los propulsados mediante gasolina, debido a la

equiparación en el precio de ambos combustibles y a la mejora en el rendimiento que suponen los recientes turbo-gasolina o los motores FSI (gasolina con inyección directa. Por ello, se supondrá que se pasará del 28% de


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matriculaciones en coches de gasolina (72% de diésel) en 2010 a un 45% de coches de gasolina (55% de diésel) en 2015. En los años intermedios, se supondrá una interpolación lineal entre el 2010 y el 2015.

Todo esto, supuesta una nula introducción del vehículo eléctrico en las carreteras regionales. Para suponer como sería el parque regional en el año 2015, se supondrá que esos 15000 vehículos que circularían por nuestras carreteras, evitarían la compra de 10000 vehículos de primera mano (o que cumplen la norma EURO-5) y también evitarían la compra de 5000 vehículos más antiguos o de segunda mano.

Con todo esto, la composición del parque de vehículos en el año 2015, en el caso de la nula introducción del vehículo eléctrico y con la introducción de dicho tipo de automóvil es la representada en la primera tabla de abajo. Con todo esto, también se habría de tener en cuenta la introducción del coche híbrido, que cuenta con un motor de combustión interna alternativo y con un motor eléctrico con baterías de almacenamiento de energía eléctrica (más o menos grandes, de las que algunas podrían incluso recargarse desde una toma de fuerza eléctrica al igual que un coche eléctrico). Dicho coche híbrido, parece que puede tener más facilidad de introducción en el mercado, al aunar con bastante acierto los mejores aspectos de cada tipo de tracción, como por ejemplo, la mayor autonomía del motor de combustión (por la mayor densidad energética de los combustibles fósiles) y a la frenada regenerativa y mayor rendimiento que ofrece el motor de corriente continua. Pero esto quedaría para análisis más exhaustivos.

Las emisiones medias de los vehículos cada año corresponden a los correspondientes datos obtenidos de los informes de la Comisión

de las Comunidades Europeas de 2006 y 2010. Las previsiones futuras hasta 2015 se han calculado suponiendo que en 2015 se cumple el objetivo de 130 g/km para todos los vehículos y el resto de previsiones hasta 2015 se obtuvo mediante una interpolación lineal 2010-2015.

10. CALCULO DE LA REDUCCIÓN DE EMISIONES DE CO2 EN LA FASE DE FUNCIONAMIENTO

Con todos los cálculos que se han ido obteniendo a lo largo de los correspondientes apartados del presente trabajo ya estamos casi preparados para calcular el ahorro de emisiones de CO2 producido al año (se podrían estimar el resto de emisiones como CO, NOx…, pero consideramos que el ahorro de CO2 es el dato más significativo). Para poder obtener este cálculo nos queda únicamente estimar los kilómetros que cada vehículo recorre al año. Este dato se puede estimar en unos 15000 km/veh.-año.

La siguiente tabla resume los cálculos realizados sobre las emisiones de CO2

estimadas en la comunidad por los vehículos de combustión interna (ICEV), obtenidos gracias a la estimación del número de vehículos según su antigüedad y sus emisiones; las emisiones producidas por el vehículo eléctrico, que dependen del mix estimado que en nuestro caso eran 52.08 g CO2/veh.-km ; y los correspondientes porcentajes de ahorro de CO2 en el caso de la no introducción del vehículo eléctrico y de su introducción

Según esos cálculos la introducción de los 15.000 coches eléctricos, que supondrían un 1.05% del porcentaje de automóviles, supondría una reducción de 20.600 toneladas de CO2 al año, un 0,603% del total de las emisiones producidas si no se implantara el coche eléctrico, lo que supone que cada coche

9-10 años G

9-10 años D

11-15 años G

11-15 años D

16-20 años G

16-20 años D

>20 años G >20 años D

Sin VE 42793 96187 90042 168915 53509 74428 123725 38131

Con VE 42586 95722 89607 168099 53251 74069 123127 37946 Emisiones medias CO2 (g/Km) 168,1 157,2 172,8 157,6 184,2 173,6 189 179

Nuevo G

Nuevo D

2 años G

2 años D

3-4 años G

3-4 años D

5-6 años G

5-6 años D

7-8 años G

7-8 años D

Sin VE 45971 56186 42480 59635 74351 129351 55070 130351 50281 110594

Con VE 44171 53986 41232 57883 73256 127446 54804 129720 50038 110059 Emisiones medias CO2 (g/km) 130 130 135 134,5 139 138 143,8 142,5 159,1 153,8


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eléctrico permite evitar la emisión de aproximadamente 1.4 toneladas de CO2 anuales, una cifra nada despreciable. Además, esta cifra sería con toda seguridad mayor si se calculasen las toneladas de CO2 equivalentes de todas las emisiones asociadas a ambos vehículos ya que se tendrían en cuenta las reducciones de otros tipos de contaminantes como CO, NOx, Sox, HC, partículas… Haciendo algunos cálculos más obtendríamos que la media de emisión estimada por vehículo y kilómetro de un coche de combustión en el 2015 es de 155,6 g CO2/veh.-Km. Si suponemos que un coche tanto eléctrico como de combustión durara de media 12 años y recorre al año unos 15.000km se pueden calcular que un coche de combustión interna emite unas 28 toneladas de CO2 en toda su vida y uno eléctrico 9,4 toneladas, eso supone una reducción de aproximadamente un 66% de las emisiones totales en la fase de funcionamiento.

En la figura se muestra un estudio realizado por Acciona donde se estiman las reducciones de CO2 debidas al coche eléctrico a lo largo de su ciclo de vida (hay ligeras diferencias ya el mix de energías de España en el 2007 que es mayor al utilizado por nosotros). Este estudio obtiene una reducción de un 52% de las emisiones en la fase de funcionamiento y del 34% si se tienen en cuenta todo el ciclo de vida de los vehículos (esta menor reducción se debe evidentemente a la energía extra necesaria para elaborar la batería del vehículo y al mayor mantenimiento requerido por el vehículo eléctrico). Además dicho estudio estima que para una introducción en el 2020 de 500.000 vehículos eléctricos se evitarían la emisión de 900.000 toneladas equivalentes de CO2 lo que supondría un ahorro de 1,8 ton /veh.-año (esto parece concordar bastante bien con nuestro resultado que fue de 1,4 ton CO2/veh.-año para el año 2015)

Num. Veh. ICEV

Num. Veh. VE

% VE

Distancia media por vehiculo al año (Km)

Emisones CO2 totales ICEV

año (Tm CO2)

Emisiones CO2 totales

VE año (Tm CO2)

Emisiones CO2 totales estimadas

año (Tm CO2)

Sin VE 2015 1442000 0 0 15000 3363080,79 0 3363080,79 Con VE 2015 1427002 15000 1,051 15000 3330741,11 11718 3342459,11

Diferencia

20621,68

Reducción (%)

0,613

Figura 8. Toneladas de CO2 emitidos por diferentes vehículos durante todo su ciclo de vida


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11. CONCLUSIONES

El estudio realizado en este trabajo revela que la introducción de los 15.000 vehículos eléctricos que prevé la estrategia regional del coche eléctrico en la comunidad de Castilla y León en el año 2015 reducirán las emisiones de CO2 de dicho año en más de 20.000 toneladas.

Además, se pone de manifiesto que en la fase de construcción y de reciclado del vehículo las únicas diferencias significativas se deben a la batería de Ión Litio que los vehículos eléctricos llevan ya que la construcción de estas baterías conlleva inputs energéticos elevados. Respecto a su reciclado pese a que requiere altos inputs energéticos estos se ven compensados gracias a que el reciclado evita la utilización de materiales provenientes de la metalurgia primaria que requieren más energía para su obtención.

Se podría pensar que el elemento crítico de la batería es el propio Litio pero en realidad no lo es ya que el porcentaje de este elemento en las baterías es bajo (sólo 0.007 kg/kg de batería) y es en teoría perfectamente reciclable, pese a ser de momento este proceso caro y que sólo dos compañías lo realicen. Los elementos más contaminantes de la batería resultaron ser los de la carcasa de la misma, compuesta por cables de cobre y aluminio.

Por tanto, los coches eléctricos parecen ser una buena alternativa a los coches de combustión interna puesto que reducen, dependiendo del mix energético considerado, desde un 34% las emisiones de CO2, para un mix como el que existía en el año 2007, hasta un 73% si toda la energía procediera de fuentes renovables.

Por tanto, para que el vehículo eléctrico sea una alternativa viable y ecológica a los coches convencionales deben encontrarse soluciones a temas de carácter medioambiental como el uso de un mix energético basado casi exclusivamente en energías no contaminantes, y el desarrollo de un sistema adecuado y económico para el reciclado del Litio y otros materiales de los que se compone la batería de dichos automóviles. 12. BIBLIOGRAFÍA

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evaluación de las implicaciones ambientales derivadas de la introducción del vehículo eléctrico...

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