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Madrid, 12 de mayo de 2016
¿Se prevé un final para los motores de combustión tradicionales?
Jesús Casanova KindelánCatedrático de Motores Térmicos
ETSII - UPM
RENTING DE VEHÍCULOS Y SERVICIOS PARA EL AUTOMÓVIL
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J. Casanova Madrid 12 de mayo de 2016
Premisas
• Toda predicción se basa en la experiencia anterior
• Es muy difícil emitir una predicción con plazos temporales
• El futuro lo marca la evolución de los diferentes condicionantes
– Son cambiantes de manera a veces impredecible
• ¿Los “intereses creados” condicionan el futuro?
– Menos de lo que se dice
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Propulsión y fuentes de energía en automoción
• Sistemas de propulsión: – Motor básico
• Térmico (de combustión)
• Eléctrico
– Transmisión de potencia
• Mecánica
• Hidráulica
• Eléctrica (por cable)
Fuente de energía en el vehículo:– Química (combustible) ( 3500 Wh/kg)
• Para combustión• Para pila de combustible
– Eléctrica ( 150 Wh/kg)• Baterías• Supercondensadores
Combustibles:– Convencionales (petróleo)– Alternativos (GN, GLP, …)– Bio-combustibles– Hidrógeno
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AUTOMÓVILVehículo que se mueve con la energía que transporta acumulada
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Flujo de energía química mecánica
• La energía química va asociada al combustible – Depende del tipo de combustible
• La energía mecánica se utiliza en la propulsión de las ruedas del vehículo – Depende del tipo de vehículo
• Dos caminos (valores a 2016):
CxHyO Energía química Energía mecánica
Energía eléctrica
Combustión Energía térmica
Motor eléctrico
Motor térmico
( 0,45)
Pila de combustible 0,55
0,95
0,95
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Condicionantes de los sistemas de propulsión + fuentes de energía
Dependencia externa
Seguridad energética
Contaminación urbana
Contaminación transfronteriza
Calentamiento global (CO2)
Coste (€)
?Sistema de propulsión ?Fuente de
energíaSeguridad
de uso
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Sistema de propulsión y fuente de energía se desarrollan acompasadamenteSistema de propulsión y fuente de energía se desarrollan acompasadamente
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Una adecuada combinación de:
Medio Ambiente
Pero ¿qué quieren los usuarios?
Eficiencia
Conductibilidad
Seguridad
Todo ello con:• Coste razonable• Alta Fiabilidad • Buena Durabilidad
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Impacto del automóvil en el medio ambiente
• Contaminación de la atmósfera– Calidad del aire y salud pública – Calentamiento global (CO2)
• Ruido• Contaminación del suelo y las aguas• Impacto en el paisaje urbano y natural
Conceptos desacoplados
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• Medio urbano
– Partículas (PM)
– Óxidos de nitrógeno (NOX), sobre todo NO2
– Ozono (O3)
• Contaminación transfronteriza
– Partículas finas < 2,5 m (PM2,5)
– Óxidos de nitrógeno
• Planetario: efecto invernadero
– Emisiones de dióxido de carbono (CO2)
• Motor de combustión: NOX + PMfinas
NOX
PM10 – 2,5
CO2 + O3
La contaminación de la atmóféra
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Fuentes de energía para el automóvil
• Fósiles (petróleo, gas natural y carbón)– Carburantes convencionales del petróleo evolucionados (MC)
– Gas natural y sus derivados (MC)
– Hidrógeno obtenido por reformado (ME (o MC))
– Energía eléctrica de la red (centrales térmicas) (ME)
• Renovables (hidráulica, eólica, solar y biomasa)– Combustibles derivados de biomasa (biocombustibles) (MC)
– Hidrógeno de electrólisis por electricidad renovable (ME (o MC))
– Energía eléctrica de la red (centrales hidráulicas, eólicas y solares) (ME)
• Nuclear (fisión)– Hidrógeno de electrolisis por electricidad nuclear (ME (o MC))
– Energía eléctrica por red (centrales nucleares) (ME)
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MC: Motor de Combustión
ME: Motor Eléctrico
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Densidad de energía de las fuentes de energía
• Energía disponible por unidad de volumen (Energía / Volumen)• En vehículos de transporte juega un importante papel
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1,20
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0,40
0,20
0,00
1,001,00
0,740,67
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1,12
0,05
0,230,23
0,42
0,04
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La realidad actual
• Resistencia natural a cambiar aquello que “funciona bien”
• Derivados del petróleo = “mejores” combustibles
• Aun baratos frente a otras fuentes de energía
• Los motores actuales responden a los requerimientos del usuario
• Son la consecuencia de 110 años de desarrollo tecnológico muy sofisticados
• Desarrollo acompasado de motores y combustibles
• Nuevos combustibles cambios en provisión/producción
– Pero pocos cambios en tecnologías de motores
• Pila de combustible aun costosa y falta de desarrollo
• Vehículos eléctricos = escasa autonomía
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Requerimientos medio ambientales futuros
• Emisiones reguladas: CO, HC, NOx, PM, ya difícil reducir más
• Evolución de los procedimientos de control: Euro 6c
– Igualar emisiones en ensayos y en la “vida real”
• Estudiar emisiones no reguladas:
– Metales, hidrocarburos alifáticos, olefinas, aldehídos, aromáticos, PAH,
– Emisiones de partículas de desgaste
• Diversificar fuentes de energía
– Combustibles de origen diverso
– Electricidad del mix energético
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Estrategias europeas para reducir emisiones de CO2 de los vehículos de motor
• Estrategia de la Comisión Europea de Transporte y Movilidad
– Reducción del 80-95 % de las emisiones de CO2 para el año 2050, con respecto a las de 1995
– Objetivo: Disponer de la correspondiente estrategia (Clean TransportSystems) a partir del año 2012.
• Reglamento CE 443/2009 (23-04-09)
– Emisiones medias de CO2 en 1995: 186 g/km
– Reducción del 35 % para el periodo 2012-2015: 120 g/km
– Objetivo de reducción adicional del 15 % a partir del 2020: 95 g/km
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El futuro de los motores de combustión
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• Motores diésel de menor impacto ambiental y menor consumo
• Motores de encendido provocado de menor consumo y emisión de CO2
• Aumento de las funciones de gestión electrónica del motor. Diagnosis
• Los combustibles alternativos no cambian esencialmente los motores
• Electrificación de cada vez más funciones:
– Accionamiento de sistemas auxiliares (bombas)
– Arranque y ayuda en aceleración
– Propulsión y transmisión híbrida
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¿Cómo propulsaremos los coches del futuro?
• Motores de combustión interna:– Problema Medio Ambiente + Disponibilidad de Combustibles.– Soluciones:
• Optimización y eficiencia • Nuevos combustibles• No se esperan “milagros”
• Motores eléctricos: – Problema Acumulación de energía con baja densidad energética– Soluciones:
• Hibridación con motores de combustión interna• Pila de Combustible• ¿“Milagros”?
• ¿Otros?– Turbina de gas ¿Generador eléctrico?– Turbina de vapor: NO– Motor Stirling: NO
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El futuro. Vehículos ligeros
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“Convencional”Motor de combustión
+ Electrificación
“Hibrido” Motor de combustión
+ Eléctrico
“Hibrido”Motor de combustión
+ Eléctrico+ Batería recargable
“Eléctrico”Batería recergable
“Convencional”Motor de combustión
“Eléctrico” (rango extendido)Batería recargable
+ Motor de combustión
“Eléctrico”Pila de combustible de H2
Gas natural
Combustibles convencionales petróleo
BiocombustiblesHidrógeno
Electricidad
Tiempo
Den
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Escala desconocida
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“Eléctrico”Batería recargable
¿20 – 40 años?
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Conclusión
SI: se espera un final para los motores de combustión convencionales
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Pero “eso no va a pasar mañana…”
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