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Tecnologías de propulsión híbridasy las evidencias científicas de su eficacia
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El objetivo de esta línea
de actuación de Fitsa
es difundir la eficacia,
científicamente probada,
de las tecnologías de
seguridad y protección
ambiental –valores
positivos– presentes en
el automóvil.
Con ello se pretende
poner en valor social y
de mercado
el conocimiento de
estas tecnologías,
induciendo así su
demanda por parte de
los ciudadanos en
beneficio de su seguridad
y del medioambiente,
que es uno de
los Objetivos Directores
de las actuaciones de
la Fundación.
En los trabajos de
investigación y análisis
han colaborado diversas
entidades especializadas
en los ámbitos
tecnológicos concretos,
y a quienes Fitsa expresa
su reconocimiento.
• La necesidad de construir
vehículos cada vez más limpios
ha impulsado el desarrollo de
soluciones innovadoras y eficaces
para la reducción del uso de
fuentes de energía no renovables
y, además, contaminantes. Los
vehículos híbridos representan el
principal salto tecnológico de los
últimos años en este sentido.
• El uso de vehículos híbridos
tiene dos ventajas principales:
la reducción de emisiones
contaminantes y el ahorro de
combustible. Ambos se consiguen
gracias, principalmente, a las
estrategias de recuperación
de energía.
• Se estima que gracias al frenado
regenerativo que incorporan los
vehículos híbridos es posible
recuperar hasta el 30% de la
energía cinética, lo cual se
traduce en un ahorro de cerca de
un litro de gasolina por cada 100
km recorridos en ámbito urbano.
• Otra de las ventajas del vehículo
híbrido es su uso más silencioso
en ciudad, donde mayor impacto
negativo sobre la calidad de vida
tiene la contaminación acústica.
Tecnologías
de propulsión
híbridas
y las evidencias
científicas de su
eficacia
Por definición, un vehículo híbrido es
aquél cuya propulsión se realiza utilizando
dos tipos diferentes de fuentes de energía.
En la práctica, se pueden dar diferentes
combinaciones energéticas duales: motor
eléctrico que se alimenta de baterías
conectadas a una pila de combustible, una
turbina de gas combinada con un motor
eléctrico alimentado con baterías, un
motor de combustión combinado con otro
eléctrico, etcétera.
Los vehículos híbridos que se
comercializan en la actualidad y que han
superado la fase de prototipo utilizan un
motor eléctrico y otro de combustión
interna o convencional. El origen de la
energía utilizada para la propulsión sería
por tanto dual: el depósito de combustible
alimentaría al motor de combustión
convencional y la batería al motor
eléctrico. De esta manera, en teoría, se
podría usar el motor eléctrico para
circular en zonas urbanas sin consumir
combustible y evitando las emisiones
nocivas (gases, ruido…), y el motor de
combustión para zonas interurbanas.
El trabajo FITSA-Robotiker de revisión
de las tecnologías de propulsión
híbridas se ha centrado en el análisis de
los vehículos híbridos que combinan el
funcionamiento de un motor de
combustión interna (motor
convencional) con un motor eléctrico.
Un bebé de cien años de edad
El desarrollo de vehículos híbridos no es
tan reciente como pueda parecer. Ya a
finales del siglo XIX, durante los primeros
pasos de la entonces recién nacida y
titubeante industria automovilística, se
comenzaron a desarrollar los primeros
vehículos híbridos. En aquellos tiempos, la
motivación principal era la de dotar a los
posibles clientes de vehículos que se
moviesen con una energía fácilmente
accesible. El petróleo escaseaba, no por
falta del mismo, sino por el limitado
desarrollo entonces de las técnicas para su
extracción y posterior transformación.
De hecho, el petróleo no se constituye en la
principal fuente de energía hasta iniciado ya
el siglo XX, cuando su extracción se hace
intensiva y, gracias a ello, desciende su
precio. La industria de automoción se
centra así en el desarrollo de motores
alimentados con productos derivados del
petróleo, gasolina y gasóleo
fundamentalmente, perdiendo importancia
la investigación en alternativas tales como
los vehículos de propulsión eléctrica.
Todo transcurrió sin grandes sobresaltos
hasta que aparecieron las primeras señales
de alarma. A mediados de la década de los
70 la duración de las reservas de petróleo
se calculó por primera vez y se estableció
en unos 50 años, bajo la hipótesis de que
se mantendría el consumo de la época. Los
fabricantes de vehículos reaccionaron y se
empezaron a interesar de manera
generalizada en sustituir las
motorizaciones basadas en motores de
combustión interna y el consumo de
hidrocarburos por otras nuevas soluciones
como motores alimentados con
biocombustibles, alcoholes, hidrógeno...
Sin embargo, esta primera visión pesimista
sobre la principal, casi única, fuente de
energía para el transporte individualizado
pronto se desvanecería con la aparición de
nuevos yacimientos de petróleo y con los
esfuerzos, sobre todo de la industria
automovilística, por promover y desarrollar
vehículos más eficientes que consumieran
cada vez menos.
No es hasta principios de la década de los
90 cuando aparece una nueva
preocupación: la del impacto ecológico
que el uso del petróleo, como fuente
principal de energía, está causando en el
planeta Tierra y las posibles consecuencias
futuras que de su uso podrían derivarse.
A finales de la década de los ochenta un
científico de la NASA, James Hansen,
postuló que existía una relación causa-
efecto entre el aumento de la temperatura
de la Tierra y la emisión de ciertos gases a
la atmósfera procedentes de la actividad
humana. Uno de los focos principales de
esta emisión era, y lo sigue siendo, el
automóvil. Así, y tras casi una década de
especulaciones acerca de esa influencia,
finalmente en 1997 se celebró en la ciudad
de Kioto la cumbre que redactó el
documento clave para comenzar a reducir
las emisiones de gases de efecto
invernadero a la atmósfera: el Protocolo o
Acuerdo de Kioto.
El acuerdo de Kioto marcó el inicio de una
nueva mentalidad por parte de las
instituciones y de la población en general:
la preocupación por el estado del
medioambiente. Desde entonces, los
medios de comunicación difunden
profusamente el protocolo de Kioto y las
consecuencias de su no cumplimiento. La
preocupación por el entorno natural ha
calado tanto en la sociedad que, a día de
hoy, tiene tanto peso como la
preocupación por el posible
desabastecimiento de combustibles.
A lo largo de estos años la industria
automovilística se ha preocupado de
desarrollar vehículos cada vez más eficientes
y se ha adelantado en muchos casos a las
administraciones públicas a la hora de
imponerse a sí misma reducciones en las
emisiones de sus vehículos y en el consumo
de los mismos. Además, y como no podía
ser de otra manera, las administraciones a
cargo de la reglamentación de los vehículos
han ido desarrollando desde entonces
diferentes directivas europeas que han
marcado el límite máximo de emisiones
contaminantes (como, entre otras, las
denominadas normas EURO).
Esta preocupación por el medioambiente
se ha visto acompañada recientemente por
una nueva crisis del petróleo. El precio del
mismo ha ido elevándose en los últimos
años progresivamente, detectándose,
además, un previsible agotamiento de los
principales yacimientos en un plazo más o
menos corto, calculado en 30 años al ritmo
de consumo actual. La extracción de
petróleo de yacimientos menos accesibles
y dispersos hará que el precio del mismo
siga elevándose.
En este contexto, el desarrollo de vehículos
híbridos ha tenido un caldo de cultivo
favorable. Por una parte la necesidad,
autoimpuesta en muchos casos o marcada
por la normativa en otros, de construir
vehículos cada vez más respetuosos con el
medioambiente ha impulsado el desarrollo
de soluciones innovadoras y eficaces para
reducir el uso de fuentes de energía no
renovables y, a menudo, contaminantes.
Una de estas soluciones han sido los
vehículos híbridos, y el mercado,
igualmente influenciado por esta
coyuntura, ha dado la bienvenida a este
esfuerzo renovador de las marcas y ha
apoyado este tipo de vehículos con sus
decisiones de compra.
Funcionamiento de los vehículoshíbridos
El funcionamiento de un vehículo híbrido
se basa en la combinación de dos tipos de
motores, uno eléctrico y otro convencional
o de combustión interna, a través de un
sofisticado sistema de control híbrido y de
un paquete de baterías.
En general, un vehículo híbrido funciona
como uno convencional al que se le ha
unido un motor eléctrico cuya misión es
bien ayudar al motor de combustión
cuando se precise una mayor potencia o
bien impulsar él solo al vehículo, con el
motor de combustión desconectado,
cuando la potencia requerida sea pequeña,
por ejemplo en condiciones favorables de
conducción.
Los vehículos híbridos se clasifican en tres
tipos atendiendo al modo en que se
conectan ambos motores: híbridos en serie,
híbridos en paralelo e híbridos mixtos.
1. Arquitectura en serieEn los híbridos en serie el vehículo es
impulsado enteramente por el motor
eléctrico gracias a la electricidad
suministrada por el motor de
consiste en decelerar el vehículo no
del modo convencional basado en el
rozamiento de las pastillas contra los
discos de freno, sino invirtiendo el
funcionamiento del motor eléctrico y
haciéndolo funcionar como un
generador de electricidad. Una
analogía puede servir para explicar
el concepto de freno regenerativo:
del mismo modo que un ventilador
emplea electricidad para hace girar
sus aspas mientras que un
aerogenerador utiliza el viento para
obtener electricidad, un motor
eléctrico en un automóvil puede
emplear electricidad para impulsarlo
o bien utilizar dicho impulso para
generar electricidad.
2. Arquitectura en paraleloEn los híbridos con arquitectura paralela
tanto el motor de combustión como el
motor eléctrico trabajan
combustión, el cual arrastra a su vez un
generador eléctrico. La batería actúa por
lo tanto como acumulador de la
electricidad (energía) sobrante y, cuando
está cargada, permite la desconexión
temporal del motor de combustión, de
forma que el vehículo puede impulsarse
momentáneamente de manera
totalmente eléctrica.
Los flujos energéticos característicos de la
configuración en serie son los siguientes:
a) El motor de combustión, a través del
generador, puede alimentar al
motor eléctrico y también cargar la
batería.
b) La batería puede alimentar al motor
eléctrico pero también, gracias a la
capacidad de éste de actuar como
freno regenerativo, el motor
eléctrico puede, a su vez, recargar la
batería. El frenado regenerativo
Configuración Serie
simultáneamente para impulsar las
ruedas del vehículo. El sistema de
tracción no es excesivamente complejo
mecánicamente en esta arquitectura,
puesto que el motor eléctrico
simplemente trabaja en paralelo con el
motor de combustión. Esto supone una
notable simplificación a la hora de
desarrollar una hibridación por parte de
cualquier fabricante.
Los flujos energéticos característicos de la
configuración en serie son los siguientes:
a) El motor de combustión, a través del
motor eléctrico, puede también
impulsar al vehículo y, también,
cargar la batería funcionando éste
último como un alternador.
b) La batería puede alimentar al motor
eléctrico y, gracias a la capacidad del
freno regenerativo, el motor eléctrico
puede también recargar la batería.
3. Arquitectura mixtaEsta configuración proporciona la
posibilidad de propulsar al vehículo
enteramente mediante el motor de
combustión, enteramente mediante el
motor eléctrico o mediante una
combinación de ambos motores.
El concepto de un vehículo mixto es el de un
vehículo híbrido con arquitectura serie en el
que se ha conectado el motor de
combustión directamente a las ruedas. Así,
tanto el motor de combustión como el
generador y el motor eléctrico están todos
Arquitectura paralela
ellos interconectados a través de un sistema
de engranajes diferencial el cual, a su vez,
está conectado a la transmisión del vehículo.
El flujo de la energía en los vehículos con
arquitectura mixta sería el siguiente:
a) El motor de combustión impulsa al
vehículo a través del conjunto
diferencial.
b) El generador, que está también
conectado a ese conjunto diferencial,
es impulsado por el motor de
combustión produciendo así
electricidad. Esa electricidad es
usada unas veces para recargar las
baterías y otras para alimentar al
motor eléctrico, según las
necesidades.
c) El motor eléctrico es alimentado por
las baterías y a su vez éste es capaz
de recargar las baterías en los
momentos que funcione a modo de
freno regenerativo.
d) El motor eléctrico impulsa las ruedas
a través del conjunto diferencial.
Las ventajas del sistema híbrido mixto con
respecto a los demás sistemas son las
siguientes:
- Gracias al conjunto diferencial, el motor
de combustión puede ser conectado a las
ruedas en aquellos momentos en los que
opere en el rango óptimo de revoluciones
(rango de máximo rendimiento y mínimo
consumo)
Arquitectura mixta
- Al trabajar el motor de combustión en
dichas condiciones y al disponer del
refuerzo del motor eléctrico, ya no es
necesario dotar a estos vehículos de
complicadas, y caras, cajas de cambios.
El sistema de control de ambos motores
consigue que el funcionamiento del
conjunto esté siempre optimizado.
Las desventajas incluyen el incremento de
la complejidad mecánica en general, con el
correspondiente aumento del costo tanto
en la parte mecánica como en la relativa al
sistema de control del conjunto.
Por otro lado, un vehículo híbrido se puede
también clasificar en función de su nivel de
electrificación. Según esta segunda
clasificación existen dos grados de
hibridación: total o parcial. Cuando el
vehículo es capaz de funcionar tanto con
cada motor de modo totalmente
independiente como de hacerlo con
ambos motores simultáneamente, se
denomina “full hybrid” o híbrido total. La
hibridación total admite todas las
combinaciones posibles de funcionamiento
y es por lo tanto la más completa y
compleja de gestionar, además de por
supuesto la más eficiente. En segundo
lugar, cuando el vehículo es capaz de
hacer funcionar a los dos motores a la vez
pero sólo al motor de combustión de
forma independiente se dice que es del
tipo “mild hybrid”, híbrido parcial, híbrido
suave o vehículo con asistencia eléctrica. A
este grado de hibridación se le considera
parcial o incompleto al carecer de la
capacidad de funcionar de modo
exclusivamente eléctrico.
Ventajas realmentepreciosas: menorimpacto en elmedioambiente yreducción delconsumo decombustible
Los vehículos a motor representan una
de las principales fuentes de
contaminación ambiental y de emisión
de gases responsables del efecto
invernadero. Los dos gases de efecto
invernadero más importantes son el CO2 y
el metano. Por otra parte, las principales
emisiones contaminantes causadas por los
vehículos son los óxidos de nitrógeno
(NOx), los hidrocarburos (HC) y el
monóxido de carbono (CO). Las emisiones
de estos gases procedentes de los
vehículos representan respectivamente el
58%, el 50% y el 75% del total de
emisiones atmosféricas. Además, los
vehículos contribuyen a la emisión de
otros contaminantes tóxicos como el
plomo, el benceno, el butadieno y otros
carcinógenos asociados a las pequeñas
partículas sólidas emitidas por el tubo de
escape. La gasolina genera también otros
contaminantes a través de la evaporación
del combustible en ciertas partes del
sistema motriz del vehículo; esta
evaporación representa alrededor del 30%
de la emisión global de hidrocarburos
procedentes de fuentes móviles.
Las partículas en suspensión no proceden
únicamente del proceso de combustión,
En cualquier caso, en la tabla (1) se puede
ver la reducción media de emisiones en un
vehículo híbrido con respecto a otro
vehículo convencional que cumpla la
normativa actual de emisiones EURO IV, y
según sea de gasolina o diesel.
Como ya se ha comentado, la preocupación
por las emisiones de CO2 tiene cada vez
más importancia tanto a nivel del
consumidor como de los gobiernos, debido
entre otros factores a los compromisos
adquiridos a través del Protocolo de Kioto.
Por este motivo, resulta interesante analizar
con cierto detalle posibles escenarios de
reducción de las emisiones de CO2 a corto
plazo. En la tabla (2) se compara la
reducción anual que se obtendría con
diferentes escenarios (ritmos) de
ya que algunas de ellas se desprenden del
pavimento debido al propio paso de los
vehículos. Se estima que entre el 40 y el
60% de las partículas en suspensión en las
zonas urbanas proviene del tráfico rodado;
el resto proviene de otras actividades
diversas (industria, agricultura, obras...).
Los vehículos diesel emiten hasta cinco
veces más partículas sólidas que los
propulsores de gasolina: mientras que los
primeros emiten entre 20 y 30
microgramos de partículas por cada
kilómetro recorrido, los segundos
únicamente expulsan 5 microgramos a lo
largo de esta distancia.
En tanto en cuanto utilizan un motor de
combustión interna, los automóviles
híbridos no pueden considerarse vehículos
de emisión cero y todavía son fuente tanto
de contaminación atmosférica como
acústica, al igual que un vehículo
convencional. Por otro lado, las prestaciones
medioambientales de los vehículos híbridos
tienden a deteriorarse con el tiempo,
aumentando las emisiones de
contaminantes a medida que el vehículo
envejece.
Gasolina Diesel
Emisiones Híbrido Euro IV % reducción Euro IV % reducción
NOx 0,01 0,08 87,5 0,25 96
CO 0,18 1,0 82 0,50 64
HC 0,02 0,10 80 0,05 60
PM -- -- -- 25 100
CO2 104 165 37 146 29
Reducción media de emisiones. Comparación entre vehículos híbridos y vehículos convencionales
Porcentaje de reducción de emisiones de un vehículo híbrido (Toyota Prius) respecto a uno que cumpla la normativa EURO IV. Dato CO2:Valores medios vehículos nuevos 2004. Datos en g/km excepto para PM que se indican en en mg/km.
de emisiones de CO2% de híbridos en la (valores en Gg, oflota = nº de vehículos miles de toneladas)
1% = 15.000 12 Gg CO2
5% = 75.000 60 Gg CO2
10 % = 150.000 120 Gg CO2
50 % = 750.000 600 Gg CO2
100 % = 1.500.000 1.200 Gg CO2
Hipótesis empleadas
TABLA 2
TABLA 1
reducción anual
adquisición de vehículos híbridos, tomando
como referencia las emisiones totales
anuales de los turismos y los límites de
emisión contemplados en el Protocolo de
Kioto para nuestro país.
Debido a determinadas características
mecánicas, como el frenado regenerativo,
algunos vehículos híbridos pueden
alcanzar consumos medios muy
aquilatados y difíciles de igualar incluso
por vehículos de menor tamaño, y ello no
solo en ciudad sino también en recorridos
interurbanos.
Al igual que sucede con las emisiones
contaminantes, los vehículos híbridos
ofrecen las mayores reducciones de
consumo durante la conducción por
ciudad y cuanto más denso sea el trafico.
La posibilidad de apagar su motor de
combustión y moverse utilizando el motor
eléctrico junto al freno regenerativo
aportan un importante ahorro en
consumo. Los ahorros que se derivan del
freno regenerativo equivalen
generalmente a un litro de combustible
por cada 100 kilómetros recorridos en
conducción por ciudad. El sistema de
parada del motor de combustión puede
suponer por sí solo un ahorro de
consumo del 10% en el ciclo urbano,
llegándose al 17% si la circulación es
muy intensa, y de en torno al 6% en
ciclo mixto.
Una gran ideapara ahorrar:la recuperaciónde la energía
Una de las grandes novedades que ha
aportado el vehículo híbrido consiste en
la posibilidad de recuperar parte de la
energía gracias al freno regenerativo.
Este sistema de frenado es capaz de
recuperar durante la frenada parte de la
energía cinética que posee el vehículo
por el mero hecho de desplazarse a una
determinada velocidad. En un sistema de
frenado convencional la energía cinética
se transforma (se disipa) en calor o
energía calorífica resultado de la fricción
entre pastillas o zapatas, por un lado, y
discos o tambores, por otro.
Así, en las fases de deceleración y frenado
el motor eléctrico actúa como un
generador de electricidad y aprovecha la
energía cinética del vehículo para obtener
electricidad que se almacena en las
baterías. Esto permite recuperar una cierta
cantidad de energía que se perdería en
forma de calor en el caso del sistema de
frenado convencional. El sistema de
frenado regenerativo actúa siempre que se
usen los frenos y también siempre que el
vehículo deje de acelerar, por lo que este
sistema ofrece su mayor eficiencia en
aquellas situaciones en las que existen
continuas aceleraciones y deceleraciones,
como es el caso de la conducción en
ciudad. En conducción en autopista el
sistema de frenado regenerativo sigue
funcionado esporádicamente, por ejemplo
en bajadas prolongadas o al reducirse la
velocidad después de una maniobra de
adelantamiento.
En general, se estima que es posible
recuperar hasta el 30% de la energía
cinética, lo cual se traduce en un ahorro
medio de cerca de un litro de gasolina
por cada 100 km recorridos en ámbito
urbano en donde se producen frecuentes
frenadas. Además, el frenado regenerativo
permite reducir en un 22% el peso del
sistema de frenado convencional,
alargándose también su vida útil.
También ventajassilenciosas
Existe otra contaminación no tan
reconocida inicialmente, pero no por
ello menos perjudicial: la
contaminación acústica producida por
los vehículos a motor. Las principales
fuentes de contaminación acústica en la
sociedad actual provienen de los
vehículos a motor, los cuales se calcula
que son responsables de casi un 80% de
dicha contaminación. La industria se
estima que es responsable de otro 10%
de las emisiones sonoras, los ferrocarriles
de un 6% y los locales públicos, como
por ejemplo los bares, del restante 4%.
En España, el segundo país más ruidoso
del mundo después de Japón, el parque
automovilístico –compuesto en la
actualidad por cerca de 22 millones de
vehículos– genera en algunas zonas un
intenso ruido urbano de cerca de 85 dB(A).
A partir de un nivel sonoro superior a 65
dB(A), el límite aceptado por la
Organización Mundial de la Salud, los seres
humanos sufren ya molestias derivadas del
ruido continuo. En zonas urbanas con
mucho tráfico, y al margen de los motores,
el propio rozamiento entre los neumáticos
y la calzada produce ya un considerable
ruido en el ambiente.
Los fabricantes de automóviles han
desarrollado en las últimas décadas un
enorme esfuerzo para disminuir el ruido
procedente de los automóviles. Así, se ha
mejorado el sistema de escape, se ha
aislado y encapsulado el compartimiento
del motor y se han optimizado
acústicamente otras fuentes de ruido como
las entradas de aire o la aerodinámica
exterior.
Los vehículos híbridos siguen siendo
vehículos hasta cierto punto
convencionales en tanto en cuanto
disponen de un motor de combustión
que utilizan en mayor o menor medida.
Por ello, cuando su motor de combustión
está en marcha a velocidades medias o
elevadas, prácticamente el 100% de las
fuentes de ruido coinciden con las de un
vehículo convencional. Sin embargo,
cuando el vehículo híbrido está
detenido o se mueve a baja velocidad
algunos híbridos paran el motor de
gasolina y funcionan sólo con el sistema
eléctrico para impulsarse, con lo que la
emisión de ruidos puede reducirse en
más de un 95%. En ciudad esta última
circunstancia se da habitualmente, ya
que una gran parte del tiempo los
vehículos se mueven en caravana y a
velocidades lentas (por debajo de 45
km/h) o, simplemente, están detenidos.
La gran ventaja del vehículo híbrido en
este sentido es por tanto su uso
silencioso en ciudad, donde mayor
impacto negativo tiene la
contaminación acústica.
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Evidencias cientificas de la eficacia de las tecnologías
Colección 2006
1.- El programa EuroNcap.2.- Avance en el diseño de los reposacabezas3.- Sistema de alerta de cambio involuntario de carril4.- Avisa cinturones5.- El control electrónico de estabilidad y el sistema de ayuda a la frenada6.- Control inteligente de velocidad7.- La llamada automática e-call8.- Las luces de conducción diurna9.- Sistemas de control de la presión de los neumáticos
10.- Las luces diurnas en vehículos de cuatro ruedas y la accidentalidad de ciclomotores y motocicletas11.- Los sistemas de navegación12.- La protección de peatones y ciclistas13.- Tecnologías de propulsión híbridas
Individualmente se pueden descargar en www.fundacionfitsa.org
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