Repositorio Institucional de Documentos

2012 66 Jesús Gallego Navarro Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestructuras eficientes para automóviles eléctricos Departamento Director/es Ingeniería Mecánica Larrodé Pellicer, Emilio Director/es Tesis Doctoral Autor Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Departamento Director/es Jesús Gallego Navarro DESARROLLO DE CRITERIOS DE OPTIMIZACIÓN DE DISEÑO DE INFRAESTRUCTURAS EFICIENTES PARA AUTOMÓVILES ELÉCTRICOS Director/es Ingeniería Mecánica Larrodé Pellicer, Emilio Tesis Doctoral Autor 2012 Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Departamento Director/es Director/es Tesis Doctoral Autor Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA TESIS DOCTORAL  ×Ó × ± Autor: Jesús Gallego Navarro Director: Dr. D. Emilio Larrodé Pellicer, Catedrático del área de Ingeniería e Infraestructura de los Transportes del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Zaragoza Zaragoza, septiembre 2012 Tesis doctoral presentada para optar al Título de Doctor correspondiente al programa de doctorado: Nuevas Tecnologías en Automoción Universidad de Zaragoza Escuela de Ingeniería y Arquitectura Centro Politécnico Superior Departamento de Ingeniería Mecánica Área de Ingeniería e Infraestructuras de los Transportes A Irene, mi gran amor y apoyo incondicional A mis padres y hermano, que siempre han estado a mi lado AGRADECIMIENTOS  Deseo expresar mi agradecimiento a quienes con su apoyo han hecho posible el desarrollo de esta tesis doctoral. A Emilio, director de esta tesis y director del Grupo de Investigación en Transporte y Logística (GITEL), a cuyo amparo se han realizado los trabajos comprendidos en esta tesis. Por tu ayuda, consejos y las largar conversaciones dedicadas a la tesis, sin las cuales no habría sido posible que este reto llegara a buen puerto. Por las oportunidades que me has ofrecido y me han hecho crecer profesionalmente, pero también como persona, desde aquel ya lej ano año 2006 en el que llamé a tu despacho con la s imple intención de que me dirigieras el proyecto final de carrera; gracias por el apoyo y confianza que has depositado en mí desde entonces. A mis compañeros del GITEL, a los que hace mucho dejé de llamar compañeros para llamarlos amigos. Esta tesis lleva un trocito de cada uno de vosotros. Con el esfuerzo personal diario se alcanzan resultados, pero el trabajo en equipo es lo que marca la diferencia, y nosotros hemos sido un equipo campeón. Gracias por vuestro compañerismo y apoyo. Esta etapa de nuestras vidas es de las que no se olvidan nunca. A IDOM. Sin la confianza depositada en la Universidad de Zar agoza, y más concretamente en GITEL, para participar en el proyecto ecoTrans no habría sido posible el desarrollo de los trabajos presentados en la presente tesis. La m etodología desarrollada para IDOM dentro del contexto del proyecto ecoTrans “Tecnologías Ecológicas para el Transporte Urbano”, encuadrado dentro del proyecto CENIT 2008/0712 del Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial del Ministerio español de Ciencia y Tecnología, cuyo líder es CAF, han constituido la base en la que se cimenta el desarrollo posterior de la presente tesis. A los numerosos compañeros y amigos de APPICE, los Cursos de verano de Jaca que imparte la Universidad de Zaragoza, Zytel, IDOM y la Fundación del Hidrógeno, con los que a lo largo de estos años he coincidido o colaborado en diferentes proyectos y actividades. De todos vosotros he aprendido algo y habéis contribuido a mi crecimiento profesional. A mi familia. A mis padres, los cuales, con su esfuerzo y ejemplo han contribuido a que hoy sea la persona que soy y de los que he aprendido que no hay que rendirse nunca. Gracias por vuestra generosidad y la formación que me habéis dado; a mi hermano, mi mejor amigo, y a Pili, por estar pendientes de mi y prestarme vuestro tiempo siempre que os he necesitado; a mis abuelos, tíos, primos y a Pilar, con vuestro simple interés me habéis hecho no desfallecer. Y s obre todo a Irene, por haber tenido que sufrir la tensión que supone escribir una tesis, por ayudarme a superar los retos diarios y contribuir a que cada día sea mejor persona y porque sin ti, esto no habría sido posible. Gracias a todos por vuestro apoyo y ánimos incesantes. Y a vosotros, mis amigos, que no por ser los últimos en ser nombrados sois los menos importantes, a vosotros que os conozco desde que jugábamos juntos en el parque, des de el cole, el instituto, el equipo de fútbol, la carrera…, a vosotros que me habéis aguantado los dí as buenos y los malos y que habéis tenido que sufrir algún plantón y retraso a causa de esta tesis, gracias por vuestra comprensión y apoyo; gracias por ser como sois. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 7 Tabla 92. Número mínimo de empleados necesarios en las estaciones de repostaje de hidrógeno en función de su tamaño ............................................................................ 433  Tabla 93. Resumen aspectos económicos relativos a la incorporación del sistema de hidrógeno al sector transporte ......................................................................................... 435  Tabla 94. Inversión a realizar en cada uno de los años sometidos a estudio, en función del grado de penetración de las tecnologías del hidrógeno en el sector transporte .................................................................................................................... ..... 436  Tabla 95. Resumen cuenta resultados de la actividad económica de las hidrogeneras en cada uno de los años s ometidos a estudio, en función del grado de penetración de las tecnologías del hidrógeno en el sector transporte ................................................. 437  Tabla 96. Inversión a realizar durante los periodos de tiempo limitados por los diferentes años sometidos a estudio, en función del grado de penetración de las tecnologías del hidrógeno en el sector transporte ............................................................ 439  Tabla 97. Resumen cuenta resultados de la actividad económica de las hidrogeneras durante los periodos de tiempo limitados por los diferentes años sometidos a estudio, en función del grado de penetración de las tecnologías del hidrógeno en el sector transporte .......................................................................................................... 441  Tabla 98. Introducción de datos y resultados intermedios obtenidos para el caso seleccionado. Año 2015 ................................................................................................... 443  Tabla 99. Introducción de datos y resultados intermedios obtenidos para el caso seleccionado. Año 2030 ................................................................................................... 444  Tabla 100. Introducción de datos y resultados intermedios obtenidos para el caso seleccionado. Año 2050 ................................................................................................... 444  Tabla 101. Inversión a realizar en cada uno de los años sometidos a estudio ..................... 445  Tabla 102. Inversión acumulada hasta cada uno de los años sometidos a estudio .............. 446  Tabla 103. Resumen de la cuenta de resultados de la actividad económica de las hidrogeneras en un escenario con una penet ración baja de las tecnologías del hidrógeno ..................................................................................................................... .... 448  Tabla 104. Resumen de la cuenta de resultados de la actividad económica acumulada de las hidrogeneras en un escenario c on una penetración baja de las tecnologías del hidróge no ................................................................................................ 449  Tabla 105. Grado de influencia de las variables que influyen en los resultados finales de inversión necesaria en vehículos e infraestructura s .................................................... 452  Tabla 106. Grado de influencia de las variables que influyen en beneficio neto resultante de la actividad de compra/producción y venta del hidrógeno .......................... 453  Tabla 107. Comparativa del efecto que producen en la inversión total BASE las variables estudiadas. Año 2015 y grado de penetración BAJO ....................................... 459  Tabla 108. Comparativa del efecto que producen en la inversión total BASE las variables estudiadas. Año 2015 y grado de penetración MEDIO ..................................... 460  Tabla 109. Comparativa del efecto que producen en la inversión total BASE las variables estudiadas. Año 2015 y grado de penetración ALTO ....................................... 461  Tabla 110. Comparativa del efecto que producen en la inversión total BASE las variables estudiadas. Año 2030 y grado de penetración BAJO ....................................... 461  Tabla 111. Comparativa del efecto que producen en la inversión total BASE las variables estudiadas. Año 2030 y grado de penetración MEDIO ..................................... 462  Tabla 112. Comparativa del efecto que producen en la inversión total BASE las variables estudiadas. Año 2030 y grado de penetración ALTO ....................................... 463  ÍNDICES 8 Jesús Gallego Navarro Tabla 113. Comparativa del efecto que producen en la inversión total BASE las variables estudiadas. Año 2050 y grado de penetración BAJO ........................................ 463  Tabla 114. Comparativa del efecto que producen en la inversión total BASE las variables estudiadas. Año 2050 y grado de penetración MEDIO ..................................... 464  Tabla 115. Comparativa del efecto que producen en la inversión total BASE las variables estudiadas. Año 2050 y grado de penetración ALTO ........................................ 465  Tabla 116. Comparativa del efecto que producen en el beneficio bruto BASE las variables estudiadas. Año 2015 y grado de penetración BAJO ........................................ 475  Tabla 117. Comparativa del efecto que producen en el beneficio bruto BASE las variables estudiadas. Año 2015 y grado de penetración MEDIO ..................................... 475  Tabla 118. Comparativa del efecto que producen en el beneficio bruto BASE las variables estudiadas. Año 2015 y grado de penetración ALTO ........................................ 476  Tabla 119. Comparativa del efecto que producen en el beneficio bruto BASE las variables estudiadas. Año 2030 y grado de penetración BAJO ........................................ 477  Tabla 120. Comparativa del efecto que producen en el beneficio bruto BASE las variables estudiadas. Año 2030 y grado de penetración MEDIO ..................................... 477  Tabla 121. Comparativa del efecto que producen en el beneficio bruto BASE las variables estudiadas. Año 2030 y grado de penetración ALTO ........................................ 478  Tabla 122. Comparativa del efecto que producen en el beneficio bruto BASE las variables estudiadas. Año 2050 y grado de penetración BAJO ........................................ 479  Tabla 123. Comparativa del efecto que producen en el beneficio bruto BASE las variables estudiadas. Año 2050 y grado de penetración MEDIO ..................................... 480  Tabla 124. Comparativa del efecto que producen en el beneficio bruto BASE las variables estudiadas. Año 2050 y grado de penetración ALTO ........................................ 481  Tabla 125. Ciclo 1. Urbano .................................................................................................... 513  Tabla 126. Ciclo 2. Urbano .................................................................................................... 513  Tabla 127. Ciclo 3. Mixto ..................................................................................................... .. 513  Tabla 128. Ciclo 4. Suburbano .............................................................................................. 51 4  Tabla 129. Ciclo 5. Suburbano .............................................................................................. 51 4  Tabla 130. Ciclo 6. Suburbano .............................................................................................. 51 4  Tabla 131. Principales resultados de la primera fase de simulaci ón ..................................... 517  Tabla 132. Principales resultados de la segunda fase de simulaciones. ............................... 518  Tabla 133. Dimensionamiento óptimo del sistema energético del vehículo ........................... 519  Tabla 134. Consumos en litros equivalentes de gasolina /100km del vehículo i en el ciclo j ....................................................................................................................... ......... 521  Tabla 135. Consumos y rendimientos en todos los ciclos ..................................................... 522  Tabla 136. Características de sistemas de energía primario s ............................................... 527  Tabla 137. Características de sistemas de energía secundari os .......................................... 527  Tabla 138. Tipos de pila de combustible y sus principales características ............................ 529  Tabla 139. Características principales de la batería Na-S ..................................... 533  Tabla 140. Características principales de la batería Na-NiCl ................................................ 534  Tabla 141. Características principales de la batería Li-F eS .................................................. 535  Tabla 142. Características principales de la batería Li-polímero sólido ................................. 535  Tabla 143. Características principales de la batería Zn-Br .................................................... 536  Tabla 144. Características principales del motor térmico ...................................................... 540  Tabla 145. Características principales de los discos de inercia ............................................. 543  Tabla 146. Características principales del supercondensador .............................................. 546  Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 9 Tabla 147. Características Ultracapacitores vs. Baterías ...................................................... 548  Tabla 148. Características principales del sistema neumátic o .............................................. 549  Tabla 149. Características principales del sistema hidráulico ............................................... 551  Tabla 150. Características principales de la batería de plomo-ácido convencional .............. 555  Tabla 151. Características principales de la batería de plomo-ácido avanzada .................... 555  Tabla 152. Características principales de la batería de plomo- ácido regulada por válvula ....................................................................................................................... ....... 556  Tabla 153. Características principales de la batería de plomo-ácido de lámina de metal ......................................................................................................................... ....... 557  Tabla 154. Características principales de la batería de Ión-litio ............................................ 559  Tabla 155. Características principales de la batería de níquel-metal hidruro ........................ 560  Tabla 156. Características principales de la batería de aluminio-a ire ................................... 561  Tabla 157. Características principales de la batería de cinc-a ire .......................................... 561  Tabla 158. Características técnicas y prestaciones asumidas para los turismos durante los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 ............................. 605  Tabla 159. Características técnicas y prestaciones asumidas para los autobuses durante los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 ............................. 605  Tabla 160. Costes medios de adquisición y mantenimiento asumidos para los turismos durante los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 .............. 605  Tabla 161. Costes medios de adquisición y mantenimiento asumidos para los autobuses durante los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 ........... 605  Tabla 162. Subvenciones asumidas a la hora de adquirir un turismo durante los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 ............................................... 606  Tabla 163. Subvenciones asumidas a la hora de adquirir un autobús durante los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 ............................................... 606  Tabla 164. Precio previsto para las instalaciones de suministro de hidrógeno o hidrogeneras durante los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 ....... 611  Tabla 165. Características de las hidrogeneras en función de su tamaño ............................ 611  Tabla 166. Coste de los terrenos dedicados a albergar las hidrogener as ............................. 612  Tabla 167. Número de empleados mínimo en las hidrogeneras en función del tamaño ....... 612  Tabla 168. Sueldo bruto medio de un ope rario de estación de servicio ................................ 612  Tabla 169. Consumos de hidrógeno as umidos para los turismos ......................................... 613  Tabla 170. Consumos de hidrógeno asumidos para los autobuses ...................................... 613  Tabla 171. Subvenciones asumidas a la hora de construir una instalación de suministro de hidrógeno durante los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 ................................................................................................................... .. 613  Tabla 172. Precio base de producción más distribución del hidrógeno en los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 ............................................... 619  Tabla 173. Subvenciones previstas para la producción del hidrógeno en los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 ............................................... 619  Tabla 174. Impuestos previstos para el hidrógeno en los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 .................................................................................... 619  Tabla 175. Influencia en % del precio del gas natural y la energía eléctrica en el precio de producción del hidrógeno en los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 ........................................................................................................... 6 20  ÍNDICES 10 Jesús Gallego Navarro Tabla 176. Precio base y valores máximos y mínimos que se esper a puedan tomar el gas natural y la energía eléctrica en los escenarios temporales estudiados: 2015, 2030 y 2050.................................................................................................................... .. 620  Tabla 177. Precio base de venta del hidrógeno en los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 .................................................................................... 624  Tabla 178. Impuestos previstos para el hidrógeno en los escenarios temporales considerados: 2015, 2030 y 2050 .................................................................................... 624  Tabla 179. Consumos de hidrógeno as umidos para los turismos ......................................... 624  Tabla 180. Consumos de hidrógeno asumidos para los autobuses ...................................... 625  Tabla 181. Introducción de datos y resultados intermedios para obtener la inversión requerida. Año 2015 ......................................................................................................... 6 29  Tabla 182. Resumen de la inversión requerida. Año 2015 .................................................... 629  Tabla 183. Resumen de la inversión requerida. Acumulado hasta año 2015 ........................ 630  Tabla 184. Cuenta de resultados consecuenc ia de la actividad de la venta de la demanda total acumulada de hidrógeno 2015 ................................................................. 630  Tabla 185. Introducción de datos y resultados intermedios para obtener la inversión requerida. Año 2030 ......................................................................................................... 6 31  Tabla 186. Resumen de la inversión requerida. Año 2030 .................................................... 631  Tabla 187. Resumen de la inversión requerida. Acumulado hasta año 2030 ........................ 632  Tabla 188. Cuenta de resultados consecuenc ia de la actividad de la venta de la demanda total acumulada de hidrógeno 2030 ................................................................. 632  Tabla 189. Introducción de datos y resultados intermedios para obtener la inversión requerida. Año 2050 ......................................................................................................... 6 33  Tabla 190. Resumen de la inversión requerida. Año 2050 .................................................... 633  Tabla 191. Resumen de la inversión requerida. Acumulado hasta año 2050 ........................ 633  Tabla 192. Cuenta de resultados consecuenc ia de la actividad de la venta de la demanda total acumulada de hidrógeno 2050 ................................................................. 634  Tabla 193. Cuadro de variables de financiación .................................................................... 635  Tabla 194. Grado de influencia de las variables que influyen en los resultados finales de inversión necesaria en vehículos e infraestructura s .................................................... 649  Tabla 195. Grado de influencia de las variables que influyen en beneficio neto resultante de la actividad de compra/producción y venta de hidrógeno ........................... 650  Tabla 196. Inversión total a realizar en función de la variable Previsión del Número de Turismos y el grado de penetración en el año 2015 ......................................................... 653  Tabla 197. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Previsión del Número de Turismos en el año 2015 .................................................................................................. 653  Tabla 198. Inversión total a realizar en función de la variable Previsión del Número de Turismos y el grado de penetración en el año 2030 ......................................................... 654  Tabla 199. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Previsión del Número de Turismos en el año 2030 .................................................................................................. 655  Tabla 200. Inversión total a realizar en función de la variable Previsión del Número de Turismos y el grado de penetración en el año 2050 ......................................................... 656  Tabla 201. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Previsión del Número de Turismos en el año 2050 .................................................................................................. 657  Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 11 Tabla 202. Análisis de la variable Previsión del Número de Turismos .................................. 659  Tabla 203. Inversión total a realizar en función de la variable Pr evisión Precio de Turismos y el grado de penetración en el año 2015 ........................................................ 660  Tabla 204. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Previsión Precio de Turismos en el año 2015 ................................................................................................................... ... 661  Tabla 205. Inversión total a realizar en función de la variable Pr evisión Precio de Turismos y el grado de penetración en el año 2030 ........................................................ 662  Tabla 206. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Previsión Precio de Turismos en el año 2030 ................................................................................................................... ... 662  Tabla 207. Inversión total a realizar en función de la variable Pr evisión Precio de Turismos y el grado de penetración en el año 2050 ........................................................ 663  Tabla 208. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Previsión Precio de Turismos en el año 2050 ................................................................................................................... ... 664  Tabla 209. Análisis de la variable Previsión de los Turismos ................................................ 666  Tabla 210. Inversión total a realizar en función de la variable Subv ención Directa a la Adquisición de los Turismos y el grado de penetración en el año 2015 ........................... 667  Tabla 211. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Subvención Directa a la Adquisición de los Turismos en el año 2015 .................................................................... 668  Tabla 212. Inversión total a realizar en función de la variable Subv ención Directa a la Adquisición de los Turismos y el grado de penetración en el año 2030 ........................... 669  Tabla 213. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Subvención Directa a la Adquisición de los Turismos en el año 2030 .................................................................... 669  Tabla 214. Inversión total a realizar en función de la variable Subv ención Directa a la Adquisición de los Turismos y el grado de penetración en el año 2050 ........................... 670  Tabla 215. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Subvención Directa a la Adquisición de los Turismos en el año 2050 .................................................................... 671  Tabla 216. Análisis de la variable Subvención Directa a la Adquisición de Turismos ........... 673  Tabla 217. Inversión total a realizar en función de la variable Subvención Directa para la Construcción de Hidrogeneras y el grado de penetración en el año 2015 ................... 674  Tabla 218. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Subvención Directa para la Construcción de Hidrogeneras en el año 2015 ................................................................ 675  Tabla 219. Inversión total a realizar en función de la variable Subvención Directa para la Construcción de Hidrogeneras y el grado de penetración en el año 2030 ................... 676  Tabla 220. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Subvención Directa para la Construcción de Hidrogeneras en el año 2030 ................................................................ 676  Tabla 221. Inversión total a realizar en función de la variable Subvención Directa para la Construcción de Hidrogeneras y el grado de penetración en el año 2050 ................... 677  ÍNDICES 12 Jesús Gallego Navarro Tabla 222. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia de la inversión total a realizar en función de la variable Subvención Directa para la Construcción de Hidrogeneras en el año 2050 ................................................................ 678  Tabla 223. Análisis de la variable Subvención Directa a la Construcción de Hidrogeneras .................................................................................................................... 680  Tabla 224. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Venta del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2015 ................................................. 681  Tabla 225. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Venta del Hidrógeno en el año 2015 ................................................................................................ 682  Tabla 226. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Venta del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2030 ................................................. 683  Tabla 227. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Venta del Hidrógeno en el año 2030 ................................................................................................ 684  Tabla 228. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Venta del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2050 ................................................. 685  Tabla 229. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Venta del Hidrógeno en el año 2050 ................................................................................................ 686  Tabla 230. Análisis de la variable Precio Base de Venta del Hidrógeno ............................... 688  Tabla 231. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Producción/Compra + Distribución del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2015 ...................................................................................................................... .... 689  Tabla 232. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Producción/Compra + Distribución del Hidrógeno en el año 2015 ................................... 690  Tabla 233. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Producción/Compra + Distribución del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2030 ...................................................................................................................... .... 691  Tabla 234. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Producción/Compra + Distribución del Hidrógeno en el año 2030 ................................... 692  Tabla 235. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Producción/Compra + Distribución del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2050 ...................................................................................................................... .... 693  Tabla 236. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Precio Base de Producción/Compra + Distribución del Hidrógeno en el año 2050 ................................... 694  Tabla 237. Análisis de la variable Precio Base de Producción/compra + Distribución del Hidrógeno ................................................................................................................... 696  Tabla 238. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Previsión del Número de Turismos y el grado de penetración en el año 2015 .................................................... 697  Tabla 239. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Previsión del Número de Turismos en el año 2015 .................................................................................................. 698  Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 13 Tabla 240. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Previsión del Número de Turismos y el grado de penetración en el año 2030 ................................................... 699  Tabla 241. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Previsión del Número de Turismos en el año 2030 .................................................................................................. 699  Tabla 242. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Previsión del Número de Turismos y el grado de penetración en el año 2050 ................................................... 700  Tabla 243. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Previsión del Número de Turismos en el año 2050 .................................................................................................. 701  Tabla 244. Análisis de la variable Número de Turismos (Beneficio Bruto) ............................ 703  Tabla 245. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Im puesto sobre la Venta del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2015 ....................................... 704  Tabla 246. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Impuesto sobre la Venta del Hidrógeno en el año 2015 ................................................................................................ 705  Tabla 247. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Im puesto sobre la Venta del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2030 ....................................... 706  Tabla 248. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Impuesto sobre la Venta del Hidrógeno en el año 2030 ................................................................................................ 707  Tabla 249. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Im puesto sobre la Venta del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2050 ....................................... 708  Tabla 250. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Impuesto sobre la Venta del Hidrógeno en el año 2050 ................................................................................................ 709  Tabla 251. Análisis de la variable Impuesto a la Venta de Hidrógeno ................................... 711  Tabla 252. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Im puesto sobre la Producción/Compra del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2015 ................ 712  Tabla 253. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Impuesto sobre la Producción/Compra del Hidrógeno en el año 2015 .......................................................... 713  Tabla 254. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Im puesto sobre la Producción/Compra del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2030 ................ 714  Tabla 255. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Impuesto sobre la Producción/Compra del Hidrógeno en el año 2030 .......................................................... 715  Tabla 256. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Im puesto sobre la Producción/Compra del Hidrógeno y el grado de penetración en el año 2050 ................ 716  Tabla 257. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Impuesto sobre la Producción/Compra del Hidrógeno en el año 2050 .......................................................... 717  Tabla 258. Análisis de la variable Impuesto a la Producción/Compra de Hidrógeno ............ 719  Tabla 259. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos y el grado de penetración en el año 2015 ............................ 720  ÍNDICES 14 Jesús Gallego Navarro Tabla 260. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos en el año 2015 ....................................................................................... 721  Tabla 261. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos y el grado de penetración en el año 2030 ............................. 722  Tabla 262. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos en el año 2030 ....................................................................................... 723  Tabla 263. Beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos y el grado de penetración en el año 2050 ............................. 724  Tabla 264. Datos porcentuales de variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos en el año 2050 ....................................................................................... 725  Tabla 265. Análisis de la variable Consumo Medio de los Turismos ..................................... 727  Tabla 266. Crecimiento poblacional en dif erentes scenario s ................................................. 732  Tabla 267. Flota de vehículos en Zaragoza escenario 2050 ................................................. 734  Tabla 268. Número de hidrogeneras, transporte público escenario año 2050 ...................... 738  Tabla 269. Número de hidrogeneras, transporte público y privado escenario año 2050 ....... 738  Tabla 270. Parámetros de in versión ...................................................................................... 739  Tabla 271. Análisis económico escenario año 2050 sólo con transporte público .................. 740  Tabla 272. Cuenta de resultados. Transporte urbano público con grado de penetración bajo ............................................................................................................... 741  Tabla 273. Cuenta de resultados. Transporte urbano público con grado de penetración medio ............................................................................................................ 7 41  Tabla 274. Tabla resumen de la Herramienta de Valoración horizonte 2050 ........................ 742  Tabla 275. Análisis económico escenario año 2050 transporte público y privado ................. 743  Tabla 276. Cuenta de resultados. Transporte privado con grado de penetración bajo ......... 744  Tabla 277. Cuenta de resultados. Transporte privado con grado de penetración medio ...... 744  Tabla 278. Ratio empleados por unidad de superficie de las empresas de PLAZA dedicadas a la actividad in dustrial-logística ...................................................................... 750  Tabla 279. Ratio empleados por unidad de superficie de los parques empresariales de PLAZA ...................................................................................................................... ... 751  Tabla 280. Número de pasajeros por año del aeropuerto de Zaragoza. Periodo 2000- 2010 .......................................................................................................................... ....... 752  Tabla 281. Número de trab ajadores por manzana ................................................................ 755  Tabla 282. Número de autobuses necesarios para el caso de tres líneas ............................ 758  Tabla 283. Número de autobuses necesarios para el caso de tres líneas y llegada hasta la Feria de Muest ras ............................................................................................... 758  Tabla 284. Número de autobuses necesarios para el caso de dos líneas............................. 759  Tabla 285. Demanda total de H 2 prevista para satisfacer las tres líneas de autobús ............ 760  Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 15 ÍNDICE  DE  FIGURAS  Figura 1. Distribución modal del transporte interi or en España ............................................... 36  Figura 2. Vehículo híbrido configuració n serie ...................................................................... 101  Figura 3. Vehículo híbrido configuración paralelo ................................................................. 102  Figura 4. Vehículo híbrido configuració n mixta ..................................................................... 104  Figura 5. Diagrama del flujo de energía del modo sólo eléctrico ........................................... 105  Figura 6. Diagrama del flujo de energía del modo sólo motor térmico .................................. 106  Figura 7. Diagrama del flujo de energía del modo sólo motor térmico más recarga del sistema de almacenamient o ............................................................................................ 107  Figura 8. Diagrama del flujo de energía del modo motor térmico más motor eléctrico .......... 108  Figura 9. Diagrama del flujo de energía del modo freno regenerativo ................................... 109  Figura 10. Diagrama del flujo de energía del modo recarga estacionaria ............................. 109  Figura 11. Esquema del Mercedes B NGT ............................................................................ 110  Figura 12. Comparativa de la autonomía media proporcionada por las diferentes tecnologías (2009) ........................................................................................................... 121  Figura 13. Comparativa de la autonomía específica proporcionada por las diferentes tecnologías (2009) ........................................................................................................... 123  Figura 14. De izquierda a derecha, gráficas velocidad/tiempo del ciclo urbano ECE , mixto ECE_EUDC_LOW e interurbano EUDC ................................................................. 126  Figura 15. Ci clos FTP.......................................................................................................... .. 127  Figura 16. Ciclo japonés ...................................................................................................... .. 127  Figura 17. Producción de hidrogeno por fuente de energía primaria (2004) ......................... 158  Figura 18. Producción del hidrogeno con aporte de energía térmica .................................... 159  Figura 19. Producción de hidrogeno con aporte de energía eléctrica y fotónica ................... 160  Figura 20. Evolución de la producción de hidrógeno por fuente de energía primaria ............ 161  Figura 21. Algunos modos de tr ansporte del hi drógeno ........................................................ 167  Figura 22. Camión con plataforma para la distribución de hidrógeno ................................... 168  Figura 23. Vehículo industrial que transporta hidrógeno en estado líquido ........................... 170  Figura 24. Métodos de distribución del hidrógeno en función del consumo .......................... 172  Figura 25. Previsiones del modo de distribución del hidrógeno en Europa ........................... 173  Figura 26. Suministro de hidrógeno en periodos iniciales desde centros de producción centralizados ................................................................................................................. ... 174  Figura 27. Suministro de hidrógeno en periodos iniciales a partir de centros a pequeña esca la ................................................................................................................ 175  Figura 28. Opciones de suministro de hidrógeno a largo plaz o ............................................ 176  Figura 29. Diferentes sistemas de almacenamiento de hidrógeno: nanotubos de carbono, hidruros metálicos y tanques a presión ............................................................. 177  Figura 30. Tanque de gas hidrogeno comprimido ................................................................. 178  Figura 31. Tipos de depósit os ............................................................................................... 1 80  Figura 32. Esquema de un tanque de almacenamient o del hidrógeno líquido ...................... 183  Figura 33. Tanques criogénicos para el almacenamiento de hidrógeno licuado a - 253ºC ......................................................................................................................... ...... 183  Figura 34. Almacenamiento de hidrógeno bajo tierra en estado líquido. Hidrogenera de Shell en Washington DC ............................................................................................. 184  Figura 35. Dispositivos de almacenamiento del hidrogeno ................................................... 185  ÍNDICES 16 Jesús Gallego Navarro Figura 36. Estructura metálica con átomos de hidrógeno en los intersticios entre los átomos del metal .............................................................................................................. 186  Figura 37. Cantidad de hidrógeno almacenado de diferentes sistemas de almacenamiento por masa y por volumen ........................................................................ 188  Figura 38. Nanotubos de carbono ......................................................................................... 189  Figura 39. Imagen al microscopio de las microesferas de crista l .......................................... 191  Figura 40. Esquema general de hidrogenera con almacenamiento de hidrógeno en estado gas eoso ................................................................................................................ 194  Figura 41. Plataforma móvil para el almacenamiento den hidrogeneras a 200bar ................ 195  Figura 42. Esquema general de hidrogenera con almacenamiento de hidrógeno en estado lí quido ................................................................................................................ ... 196  Figura 43. Esquema de hidrogenera instalada por Linde AG ................................................ 197  Figura 44. Estaciones de hidrogeno móviles ......................................................................... 198  Figura 45. Número de hidr ogeneras existentes ..................................................................... 199  Figura 46. Hidrogeneras estudiadas localizadas por continentes .......................................... 200  Figura 47. Hidrogeneras estudiadas en Europa y su distribución por países ........................ 200  Figura 48. Distribuidores de tecnología para hidrogeneras y número de proyectos en los que han part icipado .................................................................................................... 20 1  Figura 49. Procesos de obtención de hidrógeno utilizados en las hidrogeneras ................... 202  Figura 50. Reparto del método de almacenamiento del hidrógeno a nivel mundial ............. 203  Figura 51. Reparto del método de almacenamiento del hidrógeno a nivel europeo ............. 203  Figura 52. Cantidad de hidrógeno almacenado por las hidrogeneras estudiadas ................. 204  Figura 53. Presión de almacenamiento del hidrógeno almacenado en las hidrogeneras .................................................................................................................. .. 204  Figura 54. Modos de suministro ofrecidos por las hidrogeneras a nivel mundial ................... 205  Figura 55. Modos de suministro ofrecidos por las hidrogeneras a nivel europeo .................. 205  Figura 56. BMW Hydrogen 7 ................................................................................................. 213  Figura 57. Cantidades de hidrógeno repostadas por minuto en el segundo cuarto del año 2009 en el proyecto Hydrogen Fuel Cell Vehicle and Infrastructure Learning Demonstration . ................................................................................................................. 232  Figura 58. Causas por las que las instalaciones de producción de hidrógeno basadas en la electrólisis del agua permanecieron inoperativas (%) .............................................. 241  Figura 59. Causas por las que las instalaciones de producción de hidrógeno basadas en el reformado por vapor de agua del metano permanecieron inoperativas (%) ............ 242  Figura 60. Porcentajes del número de operaciones y de horas dedicadas al mantenimiento de los diferentes elementos y sistemas de que consta una hidrogenera ................................................................................................................... ... 243  Figura 61. Esquema General ................................................................................................ 263  Figura 62. Cálculo Número Hidrogeneras ............................................................................. 265  Figura 63. Selección Sistema de Producción de Hidrógeno .................................................. 266  Figura 64. Definir Proceso de Simulación ............................................................................. 267  Figura 65. Simulación_1.1 ..................................................................................................... 269  Figura 66. Simulación_1.2 ..................................................................................................... 271  Figura 67. Simulación_2 ........................................................................................................ 272  Figura 68. Ubicación y ajuste ................................................................................................ 273  Figura 69. Ubicación Hidrogenera in situ ............................................................................... 275  Figura 70. Diagrama de colaboración proceso funcional dimensionamiento ......................... 298  Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 23 Figura 232. Evolución del beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos en el año 2015 ...................................... 721  Figura 233. Variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos en el año 2015 .......................................................................................................................... ....... 722  Figura 234. Evolución del beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos en el año 2030 ...................................... 723  Figura 235. Variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos en el año 2030 .......................................................................................................................... ....... 724  Figura 236. Evolución del beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos en el año 2050 ...................................... 725  Figura 237. Variación respecto al valor de referencia del beneficio bruto a obtener en función de la variable Consumo Medio de Hidrógeno de los Turismos en el año 2050 .......................................................................................................................... ....... 726  Figura 238. Parámetros de partida ........................................................................................ 735  Figura 239. Cálculo de la demanda de hidrógeno ................................................................. 736  Figura 240. Cálculo de hidr ogeneras .................................................................................... 737  Figura 241. Previsión número de pasajeros en el Aeropuerto de Zaragoza año 2015 .......... 752  Figura 242. Capa de información general: plano general del polígono industrial PLAZA ......................................................................................................................... ..... 754  Figura 243. Representación de los principales viales con clasificación según IMD .............. 754  Figura 244. Representación de la ocupación de trabajadores por cada manzana ................ 755  Figura 245. Representación de las líneas de bus diseñadas (L1, L2 y L3) ........................... 756  Figura 246. Representación de las líneas de bus diseñadas (L1, L2 y L3F) ......................... 757  Figura 247. Representación de las líneas de bus diseñadas (L2 y L4) ................................. 757  Figura 248. Representación de las áreas de preferencia debidas a la existencia de los viales con IMD alto ........................................................................................................... 761  Figura 249. Representación de las zonas de preferencia debido a la existencia de puntos de acceso al pol ígono industrial ........................................................................... 762  Figura 250. Representación de las áreas de exclusión (rojo) y prioritarias (verde) motivadas por la presencia de lo s grandes centros comerciales ..................................... 763  Figura 251. Representación del área de preferencia debido a la existencia de un inicio o fin de línea de autobús .................................................................................................. 76 4  Figura 252. Representación del área de preferencia debido a la existencia de suelos urbanizables .................................................................................................................. ... 765  Figura 253. Representación del conjunto de las áreas de exclusión (rojo) y prioritarias (verde) generadas por los diferentes criterios de decisió n ............................................... 766  Figura 254. Representación de las zonas más óptimas para la localización de las estaciones de suministro de hidrógeno ............................................................................ 767  Figura 255. Representación de la parcela seleccionada para la ubicación de la hidrogenera ................................................................................................................... ... 767  Figura 256. Plano de la parcela seleccionada para la ubicación de la hidrogenera .............. 769  ÍNDICES 24 Jesús Gallego Navarro RELACIÓN  DE  ABREVIATURAS  Y  SÍMBOLOS  Abreviaturas:  AFC Pila de combustible alcalina, del inglés: Alkaline Fel Cell BAIT Beneficios Antes de Impuestos y Después de Interese BAT Beneficio Neto CARB Consejo de Recursos del aire de California, California's Air Resources Board DMFC Pila de combustible de metanol directo, del inglés: Direct Metanol Fuel Cell ECE Ciclo Urbano Europeo EDAR Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales EDLC Condensadores electroquí micos de doble capa, del inglés: Electrochemical Double Layer Capacitors EEV standards , normativas para vehículos ecológicos mejorados, del inglés Enhanced Environmental Vehicle standards EUDC Ciclo de conducción extra Urbano, del inglés: Extra Urban Driving Cycle FCEV Vehículo eléctrico de pila de combustible, del inglés Fuel Cell Electric Vehicle FCH JTI Iniciativa Tecnológica Conjunta, del inglés: Joint Technology Initiative for Hydrogen and Fuel Cells FTP Procedimiento de Ensayo Federal, del inglés Federal Test Procedure FRC Factor de Recuperación del Capital GLP Gas Licuado del Petróleo GN Gas Natural GNC Gas Natural Comprimido GNL Gas natural licuado HRT Tiempo de Retención Hidráulica IMD Intensidad Media Diaria anual; número de vehículos que pasan por un vial durante un año, dividido por 365 MCFC Pila de combustible de Carbonatos Fundidos, del inglés: Molten Carbonat e Fuel Cell Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 25 MCI Motor de Combustión Interna MEA Membrana ensambladora de electrones, del inglés: membrane electrode assembly MEP Motor de Encendido Provocado PAFC Pila de combustible de ácido fosfórico, del inglés: Phosphoric Acid Fuel Cell PC Pila de Combustible PCI H2 Poder calorífico inferior del hidrógeno (120 MJ/kg ó 0,11374 MMBtu/kg) PEM Membrana polimérica de int ercambio protónico PEMFC Pila de combustible de membrana polimérica PGOU Plan General de Ordenación Urbana SOFC Pila de combustible de óxido sólido, del inglés: Solid Oxide Fuel Cell TIR Tasa Interna de Rentabilidad VFA Ácidos Grasos Volátiles VRLA Batería de pomo-ácido regulada por válvula, del inglés: Valve Regulated Lead Acid Símbolos : C a Precio del sistema de almacenamiento [€] C accesibilidad Factor de área asociado al nivel de accesibilidad de las parcelas C comercial1 Factor de área asociado a la zona de exclusión por existencia de zona comercial C comercial2 Factor de área asociado a la zona de preferencia por existencia de zona comercial C d.población Factor de área asociado a la densidad de población C IMD Factor de área asociado al Índice Medio de Densidad C Iindustrial Factor de área asociado a la existencia de zona industrial C oa Precio de referencia para cada uno de los equipos presentes en las hidrogeneras. Se ha obtenido para ca da uno de los diferentes tipos de equipo a partir de la media del precio por kilogramo hora de los equipos de los que se disponía precios comerciales conocidos [€/kg] ÍNDICES 26 Jesús Gallego Navarro C ox Precio de referencia para cada uno de los equipos de las hidrogeneras. Se ha obtenido para cada uno de los diferentes tipos de equipo a partir de la media del precio por kilogramo hora de los equipos de los que se disponía precios comerciales conocidos [€*h/kg] C PGOU Factor de área asociado al plan general de ordenación urbana C rutas Factor de área asociado a las rutas C x Precio de cada equipo x, que forma parte de una hidrogenera [€] i Equipo COSTE Precio de cada equipo que compone una hidrogenera [€] 2 H COSTE Precio del hidrógeno, según el precio fijado por el gasista [€] G H COSTE 2 Precio del hidrógeno suministrado mediante gasoducto, según el precio fijado por el gasista n instalació COSTE Coste de instalación de la tubería [€] material es COSTE Coste del material requerido para fabricar la tubería [€] reparto COSTE Coste que corresponde al reparto del hidrógeno hasta que llega a la hidrogenera, es decir, el coste del transporte en vehículo industrial desde la estación de producción hasta la hidrogenera [€] tub erí a COSTE Coste anual asociado a la instalación de la tubería y al coste de los materiales de dicha tubería [€] D Diámetro de la tubería, en metros [m] ón li cuef acc i E Energía teórica para la licuefacción del hidrógeno es de 11.8 MJ/kg aunque si la conversión transcurre durante la licuefacción la energía necesaria se eleva hasta 14,1MJ/kg camión € Coste de cada entrega de semirremolque de hidrógeno eléctrica Energía € Precio medio de la energía eléctrica [€/MWh] GN € Precio del gas natural utilizado 2 € H Precio del kilo de hidrógeno fijado por la empresa gasista distribuidora [€/kg] Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 27 O H 2 € Precio del agua [€/m 3 ] n instalació € Precio unitario de instalación por unidad de longitud [€/m] materia l € Precio unitario del material requerido para fabricar la tubería por unidad de superficie [€/m 2 ] f ex Factor de escala de cada equipo que compone la hidrogenera f ea Factor de escala del sistema de almacenamiento l Longitud total de la tubería [m] G n Número de años que se estima esté en uso el gaseoducto i equipo N . Número de equipos de igual marca, modelo y precio repartos N º Número de repartos que se producen anualmente equipo P Potencia máxima consumida por el equipo de producción de hidrógeno [kW] equipo Q Caudal de producción de hidrógeno particular de cada equipo [kg/hora] 2 H Q Demanda diaria de hidrógeno [kg/día] ado r ele ctrol iz H Q 2 Cantidad de hidrógeno generado por el electrolizador [Nm 3 /día] O H Q 2 Caudal de agua requerido por el electrolizador para producir el hidrógeno demandado anualmente ador electroliz consumido O H Q 2 Cantidad de agua consumida por el electrolizador [m 3 /día] R € Valor, de 1 a n, asociado a cada una de las opciones tecnológicas consideradas en la herramienta web desarrollada, en función del coste R Ș Valor, de 1 a n, asociado a cada una de las opciones tecnológicas consideradas en la herramienta web desarrollada, en función del rendimiento T aproximación Tiempo que se tarda en aproximar al vehículo al dispensador de suministro desde el momento en el que se está dentro de la hidrogenera ento funcionami T Tiempo diario que debe permanecer en funcionamiento el equipo para producir el hidrógeno diario demandado [h/día] T preparación Tiempo que se tarda en preparar la operación de repostaje: colocación de la manguera, ajuste de boquerel ÍNDICES 28 Jesús Gallego Navarro T salida Tiempo que tarda el vehículo en abandonar la zona del dispensador y dejarla lista para el siguiente vehículo. Incluye el tiempo correspondiente a la recogida de la manguera y el tiempo que tarda el vehículo en dejar libre la zona T suministro Tiempo que tarda en sí la operación de dispensado, desde los depósitos de la hidrogenera al depósito del vehículo T unitario Tiempo que cuesta el repostar un kilogramo de hidrógeno y Plazo, en días, que existe entre dos entregas sucesivas de hidrógeno Letras  griegas:  Ș abastecimiento H2 Rendimiento del sistema de abastecimiento de hidrógeno Ș bomba Rendimiento de la bomba de hidrógeno Ș compresor Rendimiento del sistema de compresión de hidrógeno Ș dispensador Rendimiento del sistema de dispensado de hidrógeno Ș electrolizador Rendimiento de conversión agua/hidrógeno del electrolizador. Dependerá del modelo seleccionado. Ș evaporador Rendimiento del evaporador de hidrógeno Ș licuefactor Rendimiento del sistema de lic uefacción del hidrógeno Ș pretrat H2 Rendimiento del sistema de pretratamiento de agua Ș procesos Rendimiento de los procesos que tienen lugar en el funcionam iento normal de una hidrogenera Ș producción H2 Rendimiento del sistema de producción de hidrógeno Ș purificador Rendimiento del sistema de purificación Ș reformador Eficiencia del proceso de producción de hidrógeno mediante reformado Ș tubería Rendimiento del sistema de distribución de hidrógeno mediante tubería Ș vehículo H2G Rendimiento del sistema de distribución de hidrógeno mediante remolque con depósitos de hidrógeno gas comprimido Ș vehículo H2L Rendimiento del sistema de distribución de hidrógeno mediante vehículo industrial criogénico ȟ accesibilidad Peso correspondiente al criterio de decisión de localización de hidr ogeneras asociado a la accesibilidad de las parcelas Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 29 ȟ comercial1 Peso correspondiente al criterio de decisión de localización de hidr ogeneras asociado a la zona de exclusión debido a la existencia de zona comercial ȟ comercial2 Peso correspondiente al criterio de decisión de localización de hidr ogeneras asociado a la zona de preferencia debido a la existencia de zona comercial ȟ d.población Peso correspondiente al criterio de decisión de localiz ación de hidrogeneras asociado a la densidad de población ȟ IMD Peso correspondiente al criterio de decisión de localización de hidr ogeneras asociado al IMD de las vías ȟ Iindustr ial Peso correspondiente al criterio de decisión de localización de hidr ogeneras asociado a la existencia de zona industrial ȟ PGOU Peso correspondiente al criterio de decisión de localiz ación de hidrogeneras asociado al plan general de ordenación urbana ȟ rutas Peso correspondiente al criterio de decisión de localización de hidr ogeneras asociado a las rutas Ȝ € Peso en función del coste, asociado a cada una de las opciones tecnológicas consideradas en la herramienta web desarrollada Ȝ Ș , Peso en función del rendimiento, asociado a cada una de las opciones tecnológicas consideradas en la herramienta web desarrollada Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 31 " El hombre nunca sabe de lo que es capaz, hasta que lo intenta " Charles Dickens CAPÍTULO  1.  Introducción  Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 39 Con el fin de alcanzar de forma satisfactoria estos objetivos propuestos, ha sido necesario plantearse una serie de objetivos secundarios que se resumen a continuación: - Estudio de las diferentes alternativas existentes a los vehículos con sistemas de tracción con motorización convencionales. Comparación de prestaciones entre los diferentes sistemas de tracción. - Análisis de los factores que influyen en el diseño de los vehículos de las flotas de transporte, optimización de la arquitectura de los vehículos. Las rutas a recorrer, así como las ventanas temporales que deberán cumplirse, definirán el ciclo de funcionamiento a cumplir por el vehículo y determinarán la autonomía que deberán tener los vehículos. Esta autonomía, junto a los consumos de combustible o energía que experiment arán los vehículos, factor variable en función, por ejemplo, de la carga a transportar por los vehículos, el peso propio del vehículo o la orografía del terreno en el que se pr oduzca el desplazamiento, definirá las prestaciones del vehículo. La solución de este problema alcanza una mayor efectividad cuando se trata de flotas cautivas o rutas de transporte público o de reparto cuyos recorridos son conocidos y están predeterminados. - Análisis del estado de las tecnologías de producción, transporte y almacenamiento del hidrógeno. Adquisición de conocimientos sobre las tecnologías existentes y el grado de desarrollo de las mismas CAPÍTULO 1 Introducción 40 Jesús Gallego Navarro 1.3. Antecedentes  y  Estado  Actual  Si se analizan los tipos de vehículos que se prevé circulen por las carreteras en los próximos años, Tabla 1, se observa que los vehículos de pila de combustible de hidrógeno serán unos de ellos. Esto es debido a que este elemento, que es el más abundante en el planeta, puede utilizarse como combustible limpio y efic iente, alcanzando unas prestaciones de autonomía y servicio comparables a las proporcionadas por los combustibles fósiles convencionales. Se prevé que en un periodo de 10-20 años, el númer o de vehículos que requieran hidrógeno para su propulsión se incremente notablemente, desde los pr imeros años, en los que la demanda será reducida y destinada predominantemente a flotas cautivas y de demostración, hasta la llegada de épocas más avanzadas, en las que la demanda será elevada debido a que se prevé que se extienda el uso de este tipo de vehículos al consumidor a nivel global. En la actualidad, no se sigue ningún criterio de optimización para ubicar este tipo de instalaciones. Al tratarse de flotas localizadas, su ubicación atiende a cr iterios de proximidad, y en muchos casos se trata de instalaciones de uso privado. Es por ello que si se generalizara la utilización del hidrógeno para el uso en el transporte y se abrieran al públic o estas instalaciones, resultarían insuficientes y su explotación presentaría graves problemas logísticos, tanto a la hora de abastecer a la propia instalación del hidrógeno demandado, como de acceso a las estaciones por parte de los usuarios. A este respecto, como se verá en el CAPÍTULO 2, en la bibliografía especializada existe un gran número de artículos dedicados a las tecnologías del hidrógeno y su incorporación al sector transporte, en los que se analiza, por ejemplo, las bases en las que sustentar una economía del hidrógeno (A. H. Hajimiragha, 2011 [2]), la infraestructura del hidrógen o necesaria para el sector transporte (P. Agnolucci, 2007 [3]) o las estrategias de inversión más aconsejables para lograr que la transición de las estaciones de repostaje de gasolina a las d e hidrógeno sea lo más óptima posible (P.Forsberg, 2007 [4]). El problema surge cuando se buscan referencias concretas al problem a del dimensionamiento óptimo de la infraestructura Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 41 necesaria y la ubicación de las instalaciones bajo unas c ondiciones de operación determinadas de accesibilidad, disponibilidad y viabilidad. Tabla 1. Tipos de vehículos que se prevén circulen por las carreteras en los próximos años Fuente: Elaboración propia a partir de la documentación consultada Sistema de tracción Sistema de energía Fuente de ener gía / infraestructura Características Vehículo de Motor de Combustió n Interna Motor de combustión interna Unidad de generación de combustión interna Gasolineras - Emisiones elevadas - Consumo de combustible elevado - Eficiencia energética baja - Dependiente del petróleo - Autonomía elevada - Coste reducido - Tecnología madura Vehículo Eléctrico Híbrido Motor de combustión interna Motor eléctrico Batería Supercondensa- dores Unidad de generación de combustión interna Instalaciones de recarga a la red eléctrica (híbridos plug-in ) Gasolineras - Emisiones reducidas - Consumos de combustible bajo en comparación con los vehículos d e combustión interna convencionales - Dependiente del petróleo (excepto en los híbridos plug-in ) - Autonomía elevada - Coste mayor que el de los vehículos d e combustión interna convencionales - Reducción de emisiones y de consumos dependen del ciclo de funcionamiento - Tecnología disponible comercialmente Vehículo Eléctrico de Pila de Combustible Motor eléctrico Pila de combustible Batería / Supercondensad ores de arranque Infraestructura de producción y transporte de hidrógeno - Emisiones cero o casi nulas - Eficiencia energética alta - Independencia del petróleo (siempre que no se utilice para producir hidrógeno) - Autonomía algo inferior a la que proporcionan los vehículos de combustión interna convencionales - Coste elevado - Tecnología en desarrollo Vehículo Eléctrico Motor eléctrico Batería Supercondensad ores Instalaciones de recarga a la red eléctrica - Emisiones cero - Eficiencia energética alta - Independencia del petróleo - Baja autonomía - Coste inicial elevado - Tecnología disponible comercialmente CAPÍTULO 1 Introducción 42 Jesús Gallego Navarro A la hora de enfrentarse a la búsqueda de los parámetros principales en el proceso de implantación de un sistema de transporte sostenible basado en la s tecnologías del hidrógeno y las pilas de combustible y llevar a cabo el dimens ionamiento de la infraestructura necesaria y su ubicación en el territorio, no se ha detectado ningún modelo de cálculo que satisfaga en su conjunto las necesidades planteadas. Por lo tanto, de esta carencia surge una oportunidad que, debido a la inminente proliferación de este tipo de instalaciones, se revela de un gran interés general. El desarrollo de esta metodología y her ramientas, ayudarán a localizar de la manera más eficiente posible el número y la ubicación de las est aciones de suministro de hidrógeno, así como la dimensión de las mismas, atendiendo a las diferentes demandas que se produzcan en las diferentes épocas de implementación. Esta elección de la ubicación óptima, que atiende tanto a criterios logísticos como técnicos, es de gran importancia debido al elevado coste que supone la construcción de este tipo de instalaciones. En resumen, se pretende crear una metodología y una serie de herramientas de cálculo que faciliten la tarea de toma de decisiones a todo responsable del proceso de gestión de las futuras redes de hidrógeno. Esto se logrará dando solución: primero al problema del dimensionamiento de las instalaciones de suministro de hidrógeno necesarias; después al número de instalaciones requeridas; y finalmente, al análisis económico y de viabilidad, el cual permitirá determinar cuáles son los parámetros más influyentes a la hora de diseñar un sistema de transporte basado en el hidrógeno. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 43 1.4. Estructura  de  la  Tesis  En el Capítulo 1 se recoge una introducción general al trabajo desarrollado en la presente tesis. En esta introducción se analizan las razones que han motivado el inicio de esta investigación, se indican los objetivos perseguidos, el punto de partida desde el que se han iniciado las actividades y se explica el esquema seguido en la elaboración de la tesis. El Capítulo 2 muestra un resumen de la revisión bibliográfica realizada, indicando el estado del arte de los diferentes aspectos considerados en la elaboración de esta tesis, como por ejemplo el dimensionamiento y análisis de costes de hidrogeneras, o el análisis de lo s sistemas de almacenamiento de energía que forman parte del sistema de tracción de vehículos los vehículos. También se recoge un análisis de los proyectos presentes o pasados a nivel mundial en materia de hidrógeno y sus infraestructuras asociadas. En el Capítulo 3, tras analizar la situación del transporte actual y llevar a cabo una revisión del estado del arte sobre los vehículos y las tecnologías de tracción alternativas a los sistemas de tracción convencionales, se estudia el proceso de incorporación de los nuevos sistemas de tracción eléctricos al sector transporte. Estos nuevos vehículos llegan ligados a unos sistemas de diseño flexibles y eficientes, basados en la optimización del sistema de tracción y energético del vehículo Por esta razón, en este capítulo también se hace referencia a la caracterización de los diferentes sistemas de acumulació n de energía y se plantea una metodología que permite el dimensionamiento de los sistema energéticos de los vehículos. La incorporación del hidrógeno a los s istemas de transporte supone, no sólo la incorporación de vehículos con unas nuevas tecnologías, sino la creación de una nueva infraestructura que englobe la producción, almacenamient o, transporte y distribución, cuya punta de lanza son las estaciones de repostaje de hidrógeno, también denominadas hidrogeneras. Por esta razón, en el Capítulo 4 re realiza una introducción del estado de desarrollo de estas nuevas tecnologías. CAPÍTULO 1 Introducción 44 Jesús Gallego Navarro En el Capítulo 5, una vez analizados los elementos que rodean e influyen a estos nuevos sistemas basados en el hidrógeno, se plantea el des arrollo de una metodología de selección y dimensionamiento de la logística asociada a los sistemas de hidrógeno a dos niveles. Así , se desarrolla una herramienta más básica que, de forma automática, sencilla y ágil, define las características básicas de unas hidrogeneras tipo a partir de unos datos de entrada mínimos, y un modelo de cálculo completo que tiene como objetivo el dimensionamiento detallado de las hidrogeneras en función de sus particularidades, y cuyas bases funcionales quedan plasmadas en la tesis. También se recoge la implantación de esta herramienta en una aplicación web, junto con su funcionamiento y se plantea una metodología para determinar la ubicación óptima de las hidrogeneras mediante un sistema GIS. Tomando como punto de partida el capítulo anterior y a la espera de la irrupción definitiva de los vehículos de hidrógeno en los mercados, en el Capítulo 6 se estudia la forma más óptima de adaptar las nuevas tipologías de transporte basadas en la energía procedente del hidrógeno al sistema de transporte actual. Se ha diseñado una herramienta que permite el análisis de las variables más influy entes en el proceso de implantación de estas tecnologías. Para ello se fijan unos escenarios temporales, se analizan los costes bajo unas hipótesis de partida y se establece el modelo económico a seguir. Tras aplicar este modelo al cas o particular de España, se realiza un análisis de sensibilidad y se obtienen las variables de mayor influencia respecto a la inversión total a realizar y sobre el beneficio a obtener En el Capítulo 7 se resumen los resultados obtenidos más relevantes y se extraen las principales conclusiones. Además, se plantea una serie de futuras líneas de investigación a desarrollar como continuación a los trabajos desarrollados. Finalmente se recogen 6 anexos que sirven de com plemento a la información facilitada a lo largo de los siete capítulos que componen esta tesis. Los títulos de estos anexos son: - ANEXO 1. Optimización del Sistema de Tracción de Vehículos no Contaminantes - ANEXO 2. Sistemas de Almacenamiento de Energía - ANEXO 3. Sistemas de Producción de Hidrógeno - ANEXO 4. Herramienta de Valoración Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 45 - ANEXO 5. Análisis de Sensibilidad - ANEXO 6. Validación del Modelo de Cálculo Los anexos 1 y 2 hacen referencia directa al Capítulo 3, el anexo 3 al Capítulo 4, los anexos 4 y 5 al Capítulo 6 y el anexo 6 al Capítulo 5. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 47 "Es de importancia para quien desee alcanzar una certeza en su investigación, el saber dudar a tiempo" Aristóteles CAPÍTULO  2.  Revisión  bibliográfica  Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 55 atmosféricas, especialmente en buses de transporte público. A este respecto, J. Gallego, 2008 [34], muestra los resultados del análisis de las prestaciones de autobuses híbridos que demuestran la viabilidad y beneficios que éstos conllevan. Para ello se analizan una serie de vehículos híbridos de cerca de 300 CV de potencia som etidos a unos ciclos de funcionamiento que simulan comportamientos urbanos, mixtos e interurbanos; unos preestablecidos, como el ECE, ECE-EUDC-LOW o el EUDC, y otros que se han definido de forma que permitan un mejor ajuste a los escenarios reales, y así se obtienen resultados de eficiencia, emisiones, cons umo y potencia. Con todo esto se logra determinar la configuración más adecuada: sistema propulsor térmico/ sistema eléctrico, para cada comportamiento (urbano, mixto e interurbano), consiguiendo, sin que exista pérdida alguna de las prestaciones, una reducción de costes de operación, en torno al 5%, consumo y emisiones contaminantes (sobre todo de NO x , CO y PM, y en menor medida, de CO 2 ). Con el objetivo de comprobar la influencia de las difer entes estructuras de cadena de tracción y estrategias de gestión de energía en las prestaciones de los autobuses de pila de combustible, en M. Ouyang, 2006 [35], se diseñan dos autobuses, uno con una estructura híbrida en el sistema de energía, y otro con una estructura híbrida en el s istema de potencia. Debido al sistema híbrido energético, la pila de combustible polimérica del primer autobús trabaja siempre en el rango de eficiencia óptimo, por lo que presenta menores consumos: 7,9 kg/100km y 3,3 kg/100km para ciclos urbanos y velocidad constante igual a 40 km/h, frente a los 9,8 kg/100km y 4,0 kg/100km para ciclos urbanos y velocidad constante igual a 40 km/h en el caso del segundo autobús. Además se comprueba que tras 7.000 km de operación, la potencia de salida en el segundo autobús disminuy e en un 10%, frente al 2,4% del primer autobús. Un algoritmo de control avanzado contribuye a incrementar la durabilidad y a mejorar los consumos. La estrategia de gestión de la energía ayuda a minimizar el consumo de combustible, a mantener la salida de potencia de la pila en unos valores apropiados, a limitar los cambios de potencia de la pila y a mantener el estado de carga del sistema de almacenamiento de energía. Además, si se incorpora un sistema de recuperación de energía de frenado, los consumos mejoran, aumentando la eficiencia en el caso de estudio del 57,5% al 74,6%. CAPÍTULO 2 Revisión bibl iográfic a 56 Jesús Gallego Navarro Ante la irrupción de los vehículos eléctricos, E. Larrodé, 2010 [36] propone un estudio de esta nueva tecnología y justifica la necesidad de diseños energéticos eficientes para este tipo de vehículos, el objetivo es lograr unas prestaciones lo más altas posibles, con unos consumos energéticos lo menos elevados posible. Ante esta necesidad, se hace indispensable el desarrollar estudios de demanda de energía en función del tipo de v ehículo a al uso al que se va a destinar el vehículo. Para ser conscientes de la magnitud de los resultados obtenidos, también se realiza una comparación de las prestaciones respecto a un vehículo de tracción convencional diesel, dimensionado bajo los mismos condicionantes. Se obtienen mayores demandas de energía en los vehículos eléctricos, debido al mayor peso de estos, pero el consumo en litros equivalentes de gasolina resulta inferior. Por otra parte, S. Sánchez, 2008 [37] obtiene la configuración óptima de autobuses con sistemas de propulsión basados en la t ecnología de las pilas de combustible, configuración híbrida pila de combustible-motor eléctrico, en tres condiciones de funcionamiento diferentes: urbano, suburbano e interurbano, y analizar sus prestaciones. Así como compararlas con las de autobuses térmicos, híbridos térmico-eléctrico ó eléctricos puros, que cuentan con otras tecnologías de propulsión. Para ello se ha utilizado una aplicación informática de simulación y modelado de vehículos: ADVISOR. Los sistemas propulsores basados en una única fuente de energía, requieren un motor o pila de combustible diseñados para responder a los picos de demanda, no obstante, por lo general, el vehículo opera a regímenes significativamente inferiores al de diseño, lo que implica que los motores sean mayores de lo necesario para la mayor parte del tiempo de funcionamient o, consumiendo por lo tanto más combustible y, en el caso de los térmicos, generando mayores emisiones. En los sistemas híbridos, los picos de demanda pueden ser satisfechos por la potencia del sistema auxiliar, las baterías, en combinación con el sistema principal de energía, lo que implic a una reducción lógica del consumo y las emisiones en su caso. Como contrapartida, la presencia de estos sistemas de almacenamiento auxiliares, las baterías, implican un aumento del peso del sistema propulsor , con su correspondiente disminución de la capacidad de carga del autobús, factor muy a tener en cuenta tratándose de un medio de transporte destinado a personas y sus equipajes. Por lo tanto, se concluye que en el estado actual de la tecnología, habrá que llegar a un compromiso que permita una capacidad de carga aceptable junto a una disminució n del consumo y las emisiones. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 57 En S. Sánchez, 2010 [38], se buscan soluciones al excesivo consumo energético de los vehículos térmicos y a sus elevadas emisiones. Este artículo se basa en el diseño de vehículos ligeros, cuyo sistema de propulsión se bas a en una pila de combustible y un motor eléctrico. Se han diseñado tres tipos de vehículos: turismos de uso particular, turismos destinados al servicio público (reflejando la situación de los taxis) y por último, vehículos ligeros destinados al transporte de mercancías. Se presenta un análisis comparativo de prestaciones, consumos energéticos y emisiones evitadas al medio ambiente de los vehículos con pilas de combustible con respecto a los vehículos térmicos. Como resultado se obtiene la confirmación de que las pilas de combustible tien e mayor eficiencia que los motores térmicos, por lo que los vehículos basados en pila de combustible, pese al aumento de peso que implica la incorporación de baterías como sistema de almacenamiento, presentan un ahorro energético que se cuantifica en el consumo de combustible medido en litros equivalentes de gasolina consumidos. La optimización del sist ema de propulsión también es el objetivo del artículo propuesto por S. Sánchez, 2012 [39]; en este, se realiza un anális is de factores presentes en el diseño de vehículos ligeros híbridos propulsados por pila de combustible destinados a un sistema de distribución urbana de mercancías con la finalidad de obtener un ahorro energético y una mejora en las prestaciones finales de los vehículos. Para ello se han diseñado dos configuraciones óptimas de vehículo, un vehículo grande capaz de distribuir la mercancía demandada por sí mismo, y cuatro vehículos de menor tamaño que realizan la distribución de la mercancía demandada pero repartida entre los cuatro vehículos. De este modo se logra determinar, por un lado, la ruta de reparto más eficiente, y por otro analizar la influencia del tipo del ciclo de funcionamiento que realizan los vehíc ulos y las resistencias a la rodadura a la que tienen que vencer los vehículos en función de la configuración óptima de los vehículos. Estos conceptos también se emplean en el dimensionamiento energético de plantas de producción de energía. Aunque la aplicación es distinta que en los vehículos, se pueden observar tendencias similares en cuanto al efecto que tiene la variación de tamaño de los sistemas de generación y almacenamiento. CAPÍTULO 2 Revisión bibl iográfic a 58 Jesús Gallego Navarro Si se desarrolla un sistema híbrido basado en el hidrógeno, en el que se integran un sistema de generación de energía renov able compuesto por una planta fotovoltaica y un aerogenerador, y un sistema de hidrógeno compuesto por pila de combustible, electrolizador, compresor y tanque de almacenamiento, será posible generar hidrógeno en momentos de exceso de generación eléctrica y utilizarlo en la pila de combustible para generar electricidad en momentos de alta demanda en los que el sistema renovable resulta insuficiente. A. Mills, 2004 [40] para probar la viabilidad del sistema, simula un sistema de estas car acterísticas utilizando Hy brid2, obteniendo resultados muy positivos. Por su parte, J.K. Kaldellis, 2006 [41] plantea la posibilidad de añadir un motor diesel en un sistema autónomo de generación compuesto por baterías y aerogeneradores. El objetiv o es minimizar el coste total, que variará según el número de baterías y la existencia o no del motor diesel y su consumo. De este modo, aumentando el grado de hibridación del sistema se aprovechan las mejores características de cada uno de los sistemas de generación. En M.A. Elhadidy, 1999 [42] se estudia una planta de aerogeneradores y motor diesel. Se plantea introducir acumuladores, y en tal caso optimizar su capacidad. De forma que el sistema de acumulación reduce la necesidad de uso del motor diesel, ya que éste atenúa las fluctuaciones de demanda. Definen un tamaño óptimo, a partir del cual el aumento del tamaño del si stema de almacenamiento provoca más costes que beneficios en cuanto a ahorro de gasoil. 2.1.6. Vehículos  de  hidrógeno  Los vehículos de hidrógeno están emergiendo como una de las únicas tecnologías que pueden alcanzar los límites, cada vez menores, de emisión de gases de efecto invernadero y de contaminantes, a la vez que reducir la depe ndencia en la energía de terceros países, habitualmente de origen fósil. Una de las pr incipales barreras que se deben superar son los altos precios de estas tecnologías. En J. Ally, 2009 [43], con el fin de reducir los costes de los autobuses que monten tecnología de pila de combustible de hidrógeno, propone la utilización de la infraestructura del mercado de los autobuses con chasis buggy para conducir a la tecnología del hidrógeno a una producción en masa. Esta configuración de chasis es muy flexible y permite establecer configuraciones híbridas. De entre las posibles, este autor se Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 59 decanta por configuraciones serie motor de combustión interna – pila de combustible, con la incorporación de otros sistemas auxiliares de acumulación de energía, como baterías o ultracapacitores. La utilización de las pilas de combustible en los autobuses va a jugar un papel de suma importancia para que la implantación de esta tecnología tenga éxito. No obstante, el desarrollo de las pilas de combustible para automoción debe seguir desarrollándos e paralelamente a las infraestructuras del hidrógeno. Hasta que las pilas de combustible no se produzcan en masa, no podrán competir en precio con los motores de combustión interna. Un sistema de tracción híbrido también respalda la futura adopción de las pilas de combustible porque los sistemas híbridos proporcionan la posibilidad de utilizar plataformas completamente eléctricas, que proporcionan niveles de eficiencia y emisiones mucho mejores (J. van Dokkum, 2008 [44]). En P. Corbo, 2010 [45], se analiza la utilización de baterías de ión litio polímero como sistemas de almacenamiento de energía eléctrica para sistemas propulsores de pila de combustible de hidrógeno. El experimento dinámic o realizado con una configuración que consta de una pila de combustible polimérica (2 kW) y baterías de litio (47,5 V, 40 Ah) y sometido a un ciclo European R47 , permite cumplir el ciclo y reducir el consumo de hidrógeno en un 6%, considerando como punto de partida un sistema con baterías de plomo ácido. El sistema de litio muestra una alta capacidad de descarga, en particular a 2,5 C proporciona en torno al 92% de su capacidad, con un radio de descarga de energía respecto al total de energía cargada igual al 80%. Estas prestaciones resultan bastante mejores que las ofrecidas por los sistemas de plomo ácido convencionales, para los que para 2 C sólo se proporciona el 62% de la capacidad inicial. Además, en el modo de recarga, las prestaciones de las baterías de litio resultan más compatibles con la automoción, gracias a su menor resistencia interna. S. Campanari, 2009 [46], presenta un estudio del balance de energía y medioambiental de vehículos eléctricos que utilizan pilas de combus tible poliméricas, a través de la metodología del análisis del pozo a la rueda, aplicada a la simulación de cic los de conducción ECE-EUCD. Se analiza la posibilidad, por un lado, de que el hidrógeno sea almacenado directamente en el vehículo tras haber sido producido mediante electrolisis, usando energías renovables, o CAPÍTULO 2 Revisión bibl iográfic a 60 Jesús Gallego Navarro mediante gasificación o reformado, utilizando car bón o gas natural respectivamente; y por otro lado, que el hidrógeno se genere a bordo del vehículo a partir de gasolina, gas natural, etanol o metanol, obteniendo mejores resultados par el primero de los casos. Las prestaciones de estos vehículos resultan ventajosas frente a vehículo eléctricos de batería cuando las distancia a recorrer empiezan a ser importantes, aunque los mejores resultados se obtienen cuando se incorporan a los vehículos de pila de combustible pequeñas baterías, dando lugar a soluciones híbridas que permiten la recuperación de energía durante las deceleraciones y la mejora de la eficiencia del sistema de energía. 2.1.7. Incorporación  del  hidrógeno  al  sector  transporte  Paralelamente a la irrupción de nuevos vehículos de pila de combustible, se hace necesaria la implantación de nuevas infraestructuras que aseguren el suministro de este nuevo “combustible”. Las diferentes alternativas de producción, almacenamiento y distribución de hidrógeno han sido analizadas por diferentes aut ores y para diferentes áreas de todo el planeta. Por ejemplo J. M. Ogden, 1999 [47], lo hace para el caso de California en función del número de vehículos cero emisiones se prevé recorran las carreteras de la zona, y calcula el coste capital de las infraestructuras y el transporte del hidrógeno para cada una de las opciones estudiadas; en F. Markert, 2007 [48] se analizan y comparan cualitativamente los sistemas de producción y distribución para diferentes escenarios de demanda y temporales en el área de Greater Copenhagen. Este autor también analiza los riesgos que suponen el manejo y utilización del hidrógeno en cada una de estas operaciones. En el horizonte 2050, se prevén dos escenarios de producción y transporte principales, cada uno con sus ventajas e inconvenientes, uno basado en un sistema centralizado y otro en la generación in situ . M. Wietschel, 2006 [49], realiza este análisis para el caso de Europa y en un horiz onte temporal 2030, con la particularidad de que lo hace sobre la base de la capacidad que presentan estos sistemas para lograr la reducción de las emisiones de CO 2 y bajo la premisa de reducir el impacto en inversión que supone construir la infraestructura necesaria. Los resultados obtenidos par esta primera fase de implantación de las tecnologías del hidrógeno en el s ector transporte muestran que las opciones para la producción de hidr ógeno de mayor potencial Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 61 son el reformado de vapor de gas, la gasificación del carbón y la electrolis is a partir de energías renovables. No obstante, se pone de manifiesto, que, los beneficios que proporcionan un sistema de hidrógeno sólo son consistentes si se aplican técnicas de secuestro y almacenamiento de CO 2 , si se utiliza energía nuclear o si se produce el hidrógeno a partir de energías renovables. En P. Agnolucci, 2007 [3], se hace una revisión de los fact ores que intervienen en la introducción del hidrógeno en el sector transporte y se identifican el precio del hidrógeno, los costes capitales de la infraestructura, el papel de las administraciones y los factores de capacidad (modos de producción y transporte del hidrógeno en función de los ratios de penetración de estas tecnologías) como los más determinantes. La transición del sistema actual al de hidrógeno debe hacerse de la forma menos traumática posible; con este objetivo en A. H. Hajimiragha, 2011 [2] se determina el potencial de la red eléctrica para acoger a este tipo de vehículo alternativo. Para ello se establece un modelo de planificación que engloba las redes eléctricas y las de de hidrógeno con el fin de obtener el dimensionamiento óptimo, tanto de las plantas de producción, como del modelo de transporte de hidrógeno. La función objetivo de esta metodologí a es minimizar los costes: eléctrico, de las emisiones y del transporte de hidrógeno, a partir de las variables: precio de la electricidad, créditos medioambientales, costes de emisión y generación y los costes asociados al transporte de hidrógeno. Por su parte, en P. Forsberg, 2007 [4], también se analiza este proceso de transición, pero concretamente se desarrolla un método para optimizar la transición desde las estaciones de repostaje de combustibles tradicionales a las estaciones de uso combinado de metano e hidrógeno que cuentan con un reformador a pequeña escala de metano y se calculan las estrategias de inversión optimas en base a escenarios futuros con mayores demandas de hidrógeno. Se minimizan los costes de los equipos, metano y electricidad a partir del análisis de las partes que componen la hidrogenera, sus características costes unitarios y datos variables relacionados con la demanda y la inversión. CAPÍTULO 2 Revisión bibl iográfic a 62 Jesús Gallego Navarro 2.1.8. Dimensionamiento  de  hidrogeneras  Debido al alto coste de estas nuevas tecnologías, el dimensionamiento de las instalaciones de reabastecimiento de hidrógeno debe realizarse con sumo cuidado, especialmente si se pretende utilizar un sistema de producción descentralizado de hidr ógeno basado en las energías renovables. N. Briguglio, 2008 [50] diseña una herramienta de simulación específica con la que diseñar estaciones de repostaje de hidrógeno con un sistema renovable de suministro de energía eléctrica proveniente de parques eólicos ubicados en localizaciones determinadas. La herramienta permite optimizar el sistema, obteniendo el tamaño óptimo de depósito de hidrógeno, electrolizador y turbinas eó licas. El electrolizador óptimo es aquel que minimiza tanto la capacidad necesar ia de almacenamiento de hidrógeno como el propio tamaño del electrolizador. La herramienta requiere como entradas las características de los aerogeneradores, sistemas de producción y almacenamiento de hidrógeno, precio de la energía eléctrica y el perfil de consumo previsto de hidrógeno. Una e las salidas que proporciona la herramienta, a través de un análisis económico es el precio del hidrógeno resultante. El estudio concluye indicando que tanto desde el punto de vista técnico como el económico, la mejor solución es instalar un gran número de aerogeneradores que vendan a la red la electricidad que generen, de forma que se produzca hidrógeno como sub producto. Analizando el problema de la ubicación de la red de estaciones de hidrógeno, es posible encontrar ciertas publicaciones técnicas que se enfrentan a este problema, aunque habitualmente se trata como un simple problema de localización de de instalaciones en una red de carreteras o como si se tratara de un subconjunto de la red de gasoliner as existentes. Por ejemplo, M. Kuby, 2005 [51], YW. Wang, 2009 [52], YW. Wang, 2010 [53], establecen modelos de localización de puntos de reabastecimiento para vehículos alternativos en base a los flujos de origen-destino de los vehículos; y YW. Wang, 2007 [54], 2008 [55] analiza el caso particular de la localización en la red de carreteras de puntos de recarga y estaciones de recambio de baterías para motos eléctricas en Taiwan. J. Gallego, 2011 [56] propone una metodología optimizada basada en algoritmos de cálculo combinatorios para determinar la red de estaciones de recarga para vehículos eléctricos en un entorno urbano en base a criterios de minimización de costes. El conocimiento de las características de los vehículo y Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 63 de las condiciones del entorne en el que van a circular son aspectos críticos a tener en cuenta. Otros autores proponen otras alternativas; Z. Lin, 2008 [57], ha desarrollado un nuevo enfoque tratando la ubicación de las hidrogeneras como un problema de “ fuel travel back ” basado en la premisa de que por donde más se conduce es donde va a surgir la necesidad de repostar, y en el que lo único que es necesario conocer es la distribución de los kilómetros recorridos por los vehículos. C. Bersani, 2009 [58] utiliza el problema de ubicación de instalaciones multiples ( Multiple facility location problema , MFLP), añadiendo la condic ión de que la demanda de hidrógeno debe ser conocida. El objetivo es minimizar la suma de los costes debidos, por un lado al establecimiento y mantenimiento de las instalaciones, y por otro al transporte del hidrógeno desde centros de producción c entralizada. Para las primeras etapas de penetración del hidrógeno en el transporte, se asume que, por razones de seguridad, las únicas ubicaciones posibles para las estaciones de reabastecimiento de hidrógeno serán las gasolineras. El modelo se valida par el área del norte de Italia mediante la construcción de una herramienta de apoyo a la toma de decisiones compuesta por un Sistema de información Geográfica, una base de datos y el módulo de optimización. J. Kim, 2008 [59] introduce una nueva variable al problema: la seguridad de abastecimiento, ante los riesgos de averías y contratiempos posibles. Este artículo propone un modelo para diseñar la cadena de suministro de hidrógeno baj o demandas no conocidas. Para ello se utiliza una técnica de optimización multiobjetivo que resulta de considerar sim ultáneamente ahorro en costes y seguridad, dos objetivos que por su naturaleza se contraponen. La validación del modelo se realiza para el caso concreto de Korea, y se obtiene la identificación de la cadena de suministro de hidrógeno óptim a, incluyendo el tipo de instalación, las cantidades de hidrógeno necesarias, las ubicaciones de los centros de actividad y los riesgos relativos relacionados. Mediante el análisis de las plantas de producción y los modos de transporte, se llega a la conclusión de que un cambio del tipo de instalación o el modo de transporte, no se asegura beneficios económicos, los costes totales no reflejan cambios significativos entre las diferentes opciones consideradas, ni unas mayores garantías de seguridad. CAPÍTULO 2 Revisión bibl iográfic a 64 Jesús Gallego Navarro Por otro lado, también es posible encontrar literatura especializada referente al número de instalaciones de hidrógeno que deben conformar la red de infraestructuras y dimensionamiento de las mismas: en M.W. Melaina, 2003 [60], la estimación del número y tamaño de hidrogeneras para la región de Ca lifornia se hace en bas e al número de gasolineras existentes, número de aéreas urbanas y densidad de vías urbanas e interurbanas. Las soluciones así aportadas son susceptibles de ser mejoradas utilizando algoritmos multiobjetivo. A. Hugo, 2005 [61] utiliza técnicas de programación lineal entera- mixta basadas en los algoritmos multiobjetiv o, bajo criterios tanto económicos como medioambientales, para analizar las alternativas posibles en cuanto a producción, distribución y tecnología que presenta una mayor viabilidad y proporcionar la solución óptima en función de las previsiones de demanda. Esta metodología no sólo facilita la identificac ión las opciones de mayor potencial, sino que además elimina las peores. N. H. Afgan, 2007 [62] utiliza un procedimiento multi-criterio par a valorar el sistema de hidrógeno. Evalúa un sistema de pila de combustible que cuenta con tres opciones posibles como sistema de generación de energía: eólico, fotovoltaico o reformado de gas natural, en base a una serie de indicadores a los que se asocia unos pesos. Estos indicadores están relacionados con las pr estaciones de los diferentes sistemas, la situación del mercado, el apartado medioambiental y el entorno social. Mediante el desarrollo de una herramienta de decisión espacial que combine un Sistemas de Información Geográfica y los algoritmos genétic os, es posible tratar datos, analizar escenarios, introducir supuestos y obtener resultados en un mapa. M. Kuby, 2009 [63], ha utilizado este modelo para diseñar un a red de infraestructuras de hidrógeno en Florida. Introduciendo una red de carreteras con sus límites de velocidad, los volúmenes de flujo entre cada origen y destino, la máxima distancia posible entre hidrogeneras y el número de instalaciones a construir, se obtiene en un mapa la distribución de las hidrogeneras que permiten el repostaje de un mayor número de vehículos. La distancia entre hidrogeneras es el aspecto más crítico y hay que elegirlo con cautela: si esta distancia es muy grande, puede llevar a situaciones en las que el vehículo se quede sin combustible, dando lugar a problemas de seguridad y a mala publicidad; si las estaciones de servicio están muy cerca unas de otras, implica cubrir menos territorio con el mismo número de instalaciones y puede conducir a situaciones de subutilización de las capacidades. El modelo es válido tanto para entornos Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 71 3) ECTOS www.global-hydrogen- bus- platform.com/About/History/ECTOS Resum en: Particularidad: Ecological City TranspOrt System (ECTOS) era una iniciativa financiada por la Unión E uropea, cuya misión era probar tres autobuses de pil a de combust ible Citaro en Reykjavik, Islandia. El objetivo global del ECTOS era implementar una f ase de demostr ac ión del est ado del ate de la tecnología del hidrógeno mediante s u incorporación al sistem a de transporte público en forma de autobus es de pila de combust ible en Reykjavik. La energía obtenida estaba prá cticament e libre de emisiones de CO2, ya que la producción del hidr ógeno se realizaba por electrólisis, a partir de la ener gía eléctric a generada mediante energía geotérm ica e hidráulica. Determinaci ón de los factores socio- económicos determinant es en el cambio de la base energética de una sociedad urbana moderna. 4) HyFLEET:CUTE http://www.global-hydrogen-bus-platform.com/ Resum en: Particularidad: HyFLEET:CUTE es una inic iativa financiada mediante el 6º Pr ograma Marco de la Unión Eur opea y cuenta con 47 autobuses propuls ados con hidrógeno en líneas r egulares del servicio públic o de transporte de 10 ciudades en tres c ontinentes difer entes. Ésta inic iativa está probando un gran número de innov aciones con el fin de expl orar un amplio rango de opciones para la producción, repo staje, distribución y dispensado de hidrógeno de la forma más ef iciente y res petuosa c on el me dio ambient e. Incluye 14 autobus es de combust ión interna alim entados con hidrógeno. 5) CEP www.cleanenergypartnership.de/ Resum en: Particularidad: Clean Energy Partners hip (CEP) es un proyecto desarrollado durant e los años 2002 al 2007 en Berlín, Alemania y que contaba con 17 v ehículos y 2 estaciones de servicio. El objetivo gl obal era probar el pot enci al tecnológico del hidrógeno como vector energético para la s aplicaciones del transpo rte, llevando a cabo pruebas encaminadas a la demostración de la capacidad del sistema y de su idoneidad para el uso regular. Desarrollo del proceso de re- licuefacción. CAPÍTULO 2 Revisión bibl iográfic a 72 Jesús Gallego Navarro 6) Munich Airport Hydrogen Infrastructure Project http://www.ieahia.org/page.php?s=d&p=casestudies Resum en: Particularidad: Proyecto de demostración de la tecnología del hidrógeno bajo los estrictos requerimientos de un aeropuerto. El tr áfico rodado de un aeropuert o cuenta con una serie de particular id ades: se trata de flotas cautivas que cuentan con una estación se repostaje propia, que f acilitan este tipo de estudios. Los principales objetivos del proyecto son la aplic ación de la tecnología del hidrógeno y la búsqueda de la rentabilidad de su utilización. Empleo de un robot automát ico para el repostaje. Seguridad específica para aeropuertos. 7) SMART H2 http://www.newenergy.is/en/projects/current_projects/ smart_h2/ Resum en: Particularidad: SMART H2 es un proyecto de demostración destinado a probar vehículos propulsados por hidróge no y depósitos de hidr ógeno. Comenzó en marzo del año 2007 y continuará hasta el año 2010. Proporcionará datos sobre vehículos de hidrógeno de diferentes compañías. El proyecto t ambién pretende probar la infraestructura prepar ada para hidrógeno comprimido, como una es tación aut oservicio, y desarrollar el sistema de distribución. Gran énfasis en la obtención de datos, para su com paración con vehículos que cuentes con otras tecnologías. 8) FUEVA http://www.ika.rwth-aachen.de/fueva/ Resum en: Particularidad: Europe an Fuel Ce ll vehicles te chnolo gies validation (FUEVA) tiene el objetivo de obtener experiencia del fu ncionamiento de vehículos con tecnología de pil a de combustible y obtener una valoración de estos vehículos de diferentes fabricantes. Tambi én se estudia la infraestructur a requerida por estos vehículos. Proposición de especificaciones y requerimientos par a la elaboración de normativas. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 73 9) STORHY http://www.storhy.net/ Resum en: Particularidad: Hydrogen Stor age Systems for Automotive Applicatio n (StorHy) es un proyecto int egrado en el 6ª Pr ograma Marc o. El consorcio que integra el proyecto desar rolla I+D concreta sobr e todo el espectro de las técnicas de almacenamiento de hidrógeno (gas co mprimido, líquido criogénic o y materiales sólidos), enfocada en la s aplicaciones del transporte. Gran énfasis en los diferentes mét odos de almacenami entos posibles. 10) SHHP www.scandinavianhydrogen.org/ Resum en: Particularidad: El SHHP constituye una plataforma de trabaj o que aglutina y coordina la colaboración de tre s entidades nacionales: - HyNor - Hydrogen Sweden - The Hydrogen Link Busca la armonización entre los tres estados europeos impl icados. 11) HyNor www.hy nor.no/engl ish Resum en: Particularidad: Iniciativa compartida de la ind ustria para la demostración de la implementación real de la infraestructura del hidró geno a lo largo de una ruta de 580 kilómetros, desde Oslo hasta Stavanger, durant e los años 2005-2 008. Cuenta con 8 estaciones de servicio, cada una con una tecnología diferente de producción de hidrógeno. 12) Hydrog en Sweden www.vatgas.se/ Resum en: Particularidad: La misión de esta inic iativa, iniciad a en el año 2007, es facilitar l a introducción del hidrógeno como vector energético en Suecia. Para ello, se han iniciado una seria de proyec tos de demostración entre los que se encuentran var ias estaciones de servicio. Existencia de aplicaciones pr ácticas y de demostr ación de las tecnologías del hidrógeno y las pilas de combust ible. CAPÍTULO 2 Revisión bibl iográfic a 74 Jesús Gallego Navarro 13) The Hydrogen Link www.hydrogenlink.net/eng/westdenm ark.asp Resum en: Particularidad: Proyecto público-pr ivado para el desarrollo y la prueba de pilot o de estaciones de repostaje de hidr ógeno y vehíc ulos hí bridos de pi la de combustible en Dinamarc a. Existencia de cinco estaciones de servicio para flotas cautivas privadas. 14) ZeroRegio www.zeroregio.com Resum en: Particularidad: Proyecto ini ciado en el año 2004 y con un plazo de ejec ución de c inco años, integrado en el 6º Programa M arc o y co-financiado por la Comisión Europea que pretende el desarrollo y demostración de una infraestructura del hidrógeno para vehículos. El proyecto comprende la constru cción y la demostración de una infraestructura par a el hidrógeno en dos r egiones europeas, que perm itan el suministro de hidrógeno a vehícu los de pila de combustible de pasajer os. El proyecto pretende el desarroll o y demostración de un sistema de transporte ro dado de emisiones cero para su uso habitual en las ciudades europeas. Empleo de tubería par el suministr o de hidróge no desde una planta de producción. 15) HyApproval www.hyapprov al.org Resum en: Particularidad: Proyecto integrado en el 6ª Program a Marco, que tien e com o objetivo el elaborar una guía técnica basada en las tecnologías del hidrógeno y las pilas de comb ustible, las regulacione s m edioambientales actuales, y la introducción de estas tecnologías e ingenierías en el mercado futur o: " handbook for approval of Hyd rogen refuelling stations ", para que pueda ser utilizada para certificar est aciones de se rvicio de hidr ógeno públicas en Europa. Análisis de las normativas eur opeas y determinación de las carencias existent es. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 75 16) SWB - Solar Hydrogen Project in Bavaria www.h2stations.org Resum en: Particularidad: Proyecto de demostración: c omo parte del proyecto SWB se c onstruyó una estación de s ervicio para el ensayo de repostaje de vehículos s edan con hidrógeno líquido. La estación se puede considerar como una semi-automática. Consist e en una cabina para el oper ario con una pantalla y un panel de contr ol que permiten, bien el repostaje automático, bien un repostaje m anual. Obtención de hidrógeno in situ a partir de energía solar. 17) Hy-Park Project www.h2stations.org Resum en: Particularidad: " Hydrogen En ergy Park " es una de las partes del proyect o turco HY- PARK. Tiene el objetivo de demostrar la integr ación de las energías renovab les y la producc ión de hidr ógeno en gra n número de aplicaciones. Cuentan c on prod ucción de hidrógeno in situ a partir de diferentes fuentes renovables: eólica, solar fotovoltaica. 18) HyWays www.hyway s.de Resum en: Particularidad: HyWays es un proyecto c ofinanciado por institutos de investigación, la industria y la Comisión Europea, integr ado en el 6º Programa Marco. El proyecto combina bases de datos con análisis so cio-técnico-económicos con el fin de evaluar en los escenarios selec cionados los sistemas energéticos sostenibles de hidrógeno. Se proporc ionaran reco mendaciones para la instauraci ón de un European Hy drogen Energy Roadmap , que refleje las realidades específicas de ca da uno de los países europeos participantes en el proyecto. La principal característica este Roadmap , es que r efleja tanto las condiciones reales de vida, teniendo en cuenta, no só lo las barreras tecnológic as, sino que también las in stitucionales, geográfic as y socio-económicas, como las oportunidades existent es en los diferentes estados partic ipantes. Este mapa de ruta describe sistem áticamente los futur os pasos a seguir para llevar a cabo la introducción a gr an e scala del hidrógeno como vector ener gético en el transporte y mercado de la energí a como medio de almacenamiento para las energías renov ables. Localiz a las regiones donde s e iniciará el empleo de la tecnología del hidróg eno en su aplicación al transporte. CAPÍTULO 2 Revisión bibl iográfic a 76 Jesús Gallego Navarro 19) HyWays-IPHE www.hyway s-iphe.org Resum en: Particularidad: Esta iniciativa tiene el objetivo de impulsar y comparar los esfuerzos realizados por el Hyw ays europeo co n el mapa de ruta y activ idades realizadas por otros países no europeos. Localiz a las regiones donde se iniciará el empleo de la tecnología del hidrógeno en su aplicaci ón al transporte. 20) ROADS2hYcom www.roads2hy.com Resum en: Particularidad: Proyecto de la Comis ión Europea in tegrado en el 6º Programa Marco. Tiene la misión de coordinar, ev aluar y supervisar la investigación relativ a al hidrógeno y las pilas de combustib le en Europa y l as medidas a adoptar por las comunidades y actores inv olucrados. Proporciona datos económicos de las infraestructuras necesari as. 21) HyNet www.hynet.info Resum en: Particularidad: Iniciativa compartida de la ind ustria para la demostración de la implementación real de la infraestructura del hidró geno a lo largo de una ruta de 580 kilómetros, desde Oslo hasta Stavanger, durant e los años 2005-2008. HyNet, una r ed temátic a europea sobre la ener gía del hidrógeno, se desarroll ó desde diciembre del año 2001 hasta diciem bre del 2004, y estuvo financiado por el 5º Pr ograma Marco de la Comisión Europea. Los principales logros del proyecto han sido el desarrollo de un mapa equilibrado para la infraestructura del hid rógeno europea y la evaluació n de los aspectos s ocio-económic os y políticos asociados a la transición hacia un f uturo de la energía basado en el hi drógeno. Localiz a las regiones donde se iniciará el empleo de la tecnología del hidrógeno en su aplicaci ón al transporte. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 77 22) HySolutions Hamburg www.hysolutions-ham burg.de/ Resum en: Particularidad: Los logros del HySolutions so n: incrementar el número y l a escala de la s aplicaciones del hidrógeno y las pi las de combustible en Hamburgo y conseguir que la tecnol ogía del hidr ógeno y las pilas de combustible s ea viable económ icament e. Localiz ación re gional. Ámbito de aplicación acotado. 23) RES2H2 www.res2h2.c om Resum en: Particularidad: Proyecto basa do en la integración, mediante el uso del hidrógeno, de sistemas de energía renovables en el sector energétic o europeo. Empleo de diferentes energías renov ables para obtener hidrógeno. 24) Hy-CO www.hy-co- era.net Resum en: Particularidad: La meta del proyecto Hy-CO es crear una red e integra r las actividades nacionales de I+D mediante el est ablecimiento de un Ár ea de Investigación Europea duradera (ERA- NET) en el área del hidrógeno y las pilas de combustibl e. Entre los principales objetiv os se en cuentra el de fortalecer la I+D europe a y la infraestructura de demostración del hidrógeno y las pilas de combust ible. Unifica cr iterios y recoge resulta dos a nivel europeo. 25) NEEDS http://www.needs-project.org/ Resum en: Particularidad: New Energy Externalities Deve lopment for Sustainability (NEEDS) es un proyecto financiado por la Comisi ón Europea que tiene el objetivo de estimar todos los costes ( medioam bientales y sociales, así como los directos) de varios sistemas de ener gía para el futuro. Entre las tecnologías que son consideradas se enc uentran la energía eólica, la solar, los combustibles fósil es avanzados y las tecnologí as del hidrógeno. Proporciona datos económicos de las infraestructuras necesari as. CAPÍTULO 2 Revisión bibl iográfic a 78 Jesús Gallego Navarro 26) FEBUSS http://cordis.europa.eu/data/PROJ_FP5/ACTIONeqDndSESSION eq112362005 919ndDOCeq866 ndTBLeqEN_PROJ.htm Resum en: Particularidad: Proyecto int egrado en el 5º Program a Marco, que inició su actividad en el año 2002 y tenía una duración de 5 a ños. El pr oyecto tenía el objetivo d e crear sistemas estandarizado s de energía con pila de combustible para aplicaciones en tras porte (autobus es) y aplicaciones estacionarias. Proporciona datos sobre autobuses a tener en cuenta en las infraestructuras. 27) HYCHAIN-MINITRANS www.hychain. org Resum en: Particularidad: Despliegue de una flota de vehículos de tecnología de pila de combustibl e de baja potencia como inicio de un mercado incipiente del hidrógeno com o combustible alternativ o en Europa. Implantación a pequeña escala de la economía del hidrógeno, creando las ba ses para dem ostración en masa. Uso de diferent es vehículos utilizados en espacios acotados. 28) Su:GRE http://www.sugre.info/tools.phtml?id=665&sprache=en Resum en: Particularidad: Sustainable Green Fleets (SUGRE) es una iniciativ a conjunta integrada en el 6º Programa Mar co de la Com unidad Europea que promociona la propulsión alternativ a, principalm ente se centra en las flot as cautivas. E l objetivo principal es prom ocionar y apoy ar la transfo rmación de flotas, para que así cuent en con sistemas de pro pulsión alternativ os, así como su uso eficiente. Utilización de flotas cautivas de demostración. 29) ITHER http://task24.hidrogenoaragon.org/docs/ITHER.pdf Resum en: Particularidad: Infraestructura y Tecnología del Hidrógeno y E nergías Renovables (ITHER) es un proyect o impulsado por la F undación para el D esarrollo de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón. El proyecto c onsiste en la generación de hidrógeno a partir de energías renovables a través de una instalación c ompuesta por un parque eólico de 635 kilovatios con tres aerogeneradore s, una instalación solar fotovolt aica de 100 kilovatios con cinco tecnolo gías distintas, un electrolizador de tecnología PEM, preinst al ación de otro alcalino y los correspondientes sistemas de gest ión de energía, in terconexión a la red eléctric a, almacenamiento de hidr ógeno y uso final en pilas de combustible. Empleo de diferentes energías renov ables para obtener hidrógeno. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 79 30) Euro Hyport http://www.newenergy.is/en/projects/finished_projects /euro-hyport/ Resum en: Particularidad: El objetivo del proyecto Euro - Hyport era estudiar la vi abilidad de exportar hidrógeno desde Islandia al continent e europeo. Estudio de viabilidad de gaseoducto de hidrógeno. 31) HyS AFE www.hysafe. net Resum en: Particularidad: Safety of Hy drogen as an E nergy Carrier (HySAFE): busca el desarrollo de un marco europeo normativo unificado pa ra facilitar la intr oduc ción de las tecnologías del hidrógeno y las pilas de combust ible. Análisis de las normativas eur opeas y determinación de las carencias existent es. 32) EIHP www.eihp. org Resum en: Particularidad: Desarrollo de normativa para utilización de hidróg eno como combustible en vehículos. Análisis de las normativas eur opeas y determinación de las carencias existent es. 33) HarmonHy http://www.harmonhy.com/final.php Resum en: Particularidad: Proyecto que pret ende evaluar las activi dades des arrolladas en relación con la tec nología del hidrógeno y las pi las de combustible a nivel mundial, con el objetivo de armonizar las norm ativ as existentes y así resolv er los conflict os existent es. Análisis de las normativas eur opeas y determinación de las carencias existent es. CAPÍTULO 2 Revisión bibl iográfic a 80 Jesús Gallego Navarro 34) STEP http://www.newenergy.is/en/projects/finished_projects /euro-hyport/ Resum en: Particularidad: Sustainable Transport E nergy Project (STEP) es un proyecto que f orma parte del trabajo del gobierno austr al iano dirigido a l ograr un transporte sostenible y sin emisiones. Se encuen tra entre las nume rosas iniciativas dirigidas a desarrollar combustibles limpios y respetuos os con el medioambient e. Se han probado dur ante dos años, 2004-2006, tres aut obuses co n tecnología de pil a de combustible en rutas del ser vicio de trans porte público de Pe rth, con sus correspondientes est ac iones de servic io. El objetivo de esta prueba es dete rminar los factores técnicos , medioambientales, ec onómicos y so ciales , críticos, que tienen que ser tenidos en cuenta en la introduc ción de los autobuses de pila de combustible de hidr ógeno. Aporta una relación de los problemas de mantenimiento sufridos. 35) JHFC ¡Error! Referencia de hipervínculo no válida. www.jhfc.jp Resum en: Particularidad: El objetivo del proyecto Euro - Hyport era estudiar la vi abilidad de exportar hidrógeno des de Islandia al continente europeo. El Japan hydrogen & fuel cell demonstration project (JHFC) consist e en un program a de demostraci ón de pilas de combustible y de un estudio de demostración de las instalaciones de repostaje de hid rógeno. Ambos proy ectos están entre las iniciativas tomadas por el Minister io de Economía, Com ercio e Industria japonés (METI), a favor de las pilas de combustible polim éricas. Entre los objetivos que se han marcado, nos encontramos la determinaci ón de los efect os causados por el ahorro de energía de las hidrogeneras y la redu cción de emisiones, así co mo la determinación de normas de s eguridad para las hidrog eneras o la solución de los problemas para la localización óp tim a de estas instalaciones. 12 hidrogeneras que cuentan con diferentes tecnologías y 59 vehículos operativos. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 87 3.1. Introducción  La humanidad, y por extensión el planeta, como sistema destinado a asumir sus acciones, se encuentra en un momento clave de su historia. Envuelta en una crisis energética, debida por un lado a los excesos del pasado y la falta de previsión, y por otro, al aumento de la demanda originada por el crecimiento económico de nuev as potencias como China, India o Brasil (K.Chaitanya, 2007 [67]); debe afrontar el fin de los r ecursos energéticos fósiles baratos, cuyo máximo de producción ya se ha superado (M. Tsoskounoglu, 2008 [68]). Además, el aumento en los últimos años de la concienc iación social hacia la conservación del medio ambiente ha supuesto un giro en las políticas energéticas mundiales, tomando como punto de partida el protocolo de Kioto suscrito por los países industrializados en el año 1997, por el que se comprometían a tomar medidas que redujeran las emisiones de gases de efecto invernadero que previnieran el cambio climático. Estos problemas afectan en gran medida al sector transporte, ya que, en Europa, es el responsable del 28% de las emisiones de CO 2 totales, a cuya cantidad el transporte por carretera contribuye en un 84% (European Commission 2003 [69]). El transporte privado es un 95% dependiente de los combustibles fósiles y en 2005 suponía el 47% del consumo mundial de petróleo, el cual aumentará hasta el 52% en el año 2030 (European Commission 2003 [69]), y tanto esta dependencia como la cantidad total de petróleo consumido mantiene una tendencia creciente. En el caso particular de España, actualment e el 40% de la energía que se consume está dedicada al para transporte. Esta energía procede completamente de la combustión de hidrocarburos (petróleo y gas); por tanto no se trata de un sistema sostenible. Ante esta situación, el sector transporte se ha visto avocado a un periodo de transición en el que la electrificación deberá ir sustituyendo poco a poco a los combustibles fósiles. No obstante, esta sustitución se antoja lenta y costosa y las previsiones apuntan a que en el año CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 88 Jesús Gallego Navarro 2015 el transporte todavía dependerá en un 92% del petróleo y en un 89% en 2030 (IEA, 2007 [70]). La electricidad debe jugar un papel de gran impor tancia tanto en el transporte como en el aprovechamiento y la transformación de las energías renovables, ya que su empleo contribuirá a moderar el cambio climático. Numerosos autores ya han dejado patente que el futuro del transporte particular se encuentra en la electricidad (AllianceBersteis, 2006 [71]; Romm & Fox-Penner, 2007 [72]; IBM, 2009 [73]; Sperling & Gordon, 2008 [74]). La magnitud del beneficio medioambiental obtenido dependerá no sólo de la penetración de los vehículos eléctricos, sino del uso de las energías renovables. El elemento eléctrico imprescindible para lograr unas ciertas garantías en el aprovechamiento de las energías renovables y en torno al cual se estructuran los sistemas de tracción de los vehículos eléctricos es la batería eléctrica. Es una realidad, que la electrificación de los vehículos se ha visto impulsada precisamente por los avances que han experimentado las baterías. Hasta ahora, las mejoras han sido más visibles en las baterías de ácido plomo y níquel metal hidruro (utilizadas en la mayoría de los vehículos eléctricos híbridos actuales), no obstante, es compartido que el futuro de los vehículos eléctricos está en las baterías de ión- litio. Los fabricantes de automóviles ve n en los vehículos eléctricos, incluidos los de hidrógeno, un valor seguro que les garantizará en parte su futuro y han ideado diferentes estrategias par a integrarlos en sus gamas. Sin embargo, a día de hoy es imposible saber cuál será la acertada, ya que aún no se ha demostrado viable ninguna de ellas. Si se pretende que llegue a buen puerto esta nueva tentativa del sector transporte, se presenta inevitable plantear un nuevo plan de negocio s que integre, por un lado, a la industria del automóvil, actualmente sumida en crisis, y por otro, al cambiante sector eléctrico. Esto implica cambios, no sólo en los servicios institucionales dedicados a la creación, conservación y mantenimiento de las redes eléctricas, sino también en las instituciones existentes e infraestructuras. Uno de los aspectos a tener muy en cuenta es que cuanto Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 89 mayor es el grado de electrificación del vehículo, más costosa es la infraestructura eléctrica necesaria. En el futuro, los propietarios podrán recargar las baterías de sus vehículos con un simple cable, es por ello que pese a que la mayoría de las infraestructuras e instalaciones requeridas por los vehículos eléctricos ya se encuentran disponibles, al contrario que pasa con otras alternativas al petróleo, como el etanol, biodiesel, gas natural o hidrógeno, deberán disponerse nuevos sistemas de recarga más robustos capaces de disponer la capacidad suficiente para suministrar la energía requerida por estos vehículos eléctricos. La administración pública debe crear un sistema que des anime a los ciudadanos y prevenga de que recarguen sus vehículos durante las horas punta. Las energías renovables proporcionar grandes cantidades de energía, pero no de forma predecible ni constante. Los vehículos eléctricos jugarán un papel esencial para acelerar la llegada de un sistema de energía renovable y s in emisiones de carbono. Los vehículos, de media, permanecen entre el 90 y el 95% del tiempo en parado, funcionando una hora al día. En estos momento de inactividad podrían, por medio de un c argador bidireccional ceder electricidad a la red que ayude a regular las variaciones de generación y cons umo de energía que se producen. La construcción de una nueva red de recarga implica una inversión de capital, y no el desmantelamiento de ninguna red existente; lo que atraerá a nuevos jugadores al sector energético, los cuales pueden traer consigo nuevas iniciativas y ofrecer nuevas colaboraciones mediante la asociación con las empresas involucradas clave como los fabricantes de vehículos y baterías. Así, por ejemplo, existen el modelo Better Place/Renault- Nissan de alquiler de baterías, el cual proporciona la infraestructura necesaria para poder utilizar un vehículo eléctrico (P. H. Andersen, 2009 [75]), o un modelo similar existente en Francia, en el que el operador eléctrico francés EDR, Toyota y Elektromotive Ltd ., tienen previsto construir una red de puntos de recarga en Francia y Reino Unido (P. H. Andersen, 2009 [75]). Ante la creciente preocupación por el calentamiento global y las emisiones de gases de efecto invernadero, en los años 90, la asociación de fabricante de automóviles europeos contrajo un acuerdo voluntario con la Comisión Europea para limitar las emisiones de CO 2 a CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 90 Jesús Gallego Navarro 140 gCO 2 /km en el año 2008, reduciendo así los 187 gCO 2 /km emitidos en el año 1995. En el año 2005 los objetivos todavía estaban muy lejos de conseguirse, por lo que la Comisión Europea y los fabricantes llegaron al acuerdo de posponer hasta año 2012 la fecha límite para reducir las emisiones, pero reduciendo los gCO 2 /km a 130. Los créditos de carbono tienen el potencial de jugar un importante papel en la incorporación y uso masivo de las energías renovables y los vehículos eléctricos en particular. En este sentido, los vehículos eléctricos no emiten CO 2 , aunque este dato ignora las emisiones producidas en el proceso de generación de la electricidad. Para r ealizar una comparación fiable entre un vehículo convencional con motor de combustión interna y un vehículo eléctrico, hay que calcular y tener en cuenta los kwh utilizados durante el desplazamiento del vehículo eléctrico para así atribuirles las emisiones de CO 2 derivadas por la generación de los mismos en la planta de ener gía, siempre y cuando no se trate de electricidad proveniente de las energías renovables. De todas las maneras, la electrificación de los vehículos siempre conseguirá reducir las emisiones porque un motor eléctrico es más eficiente que uno de combustión interna . Mientras que un motor de combustión interna permite aprovechar entre el 25 y el 30% de la energía primaria empleada, rendimiento limitado por el ciclo de Carnot, y el resto lo pierde en forma de calor, el motor eléctrico alcanza un rendimiento del 90%, lo que permite compensar las pérdidas típicas que pueden producirse en las plantas de energía encargadas de transformar la energía primaria en electricidad. Paralelamente a las emisiones de CO 2 , desde 1993, año en que entró en vigor la normativa Euro 1, los valores de emisiones contaminantes de los vehículos industriales se han ido restringiendo paulatinamente en su camino de contribuir al cumplimiento de los acuerdos del protocolo de Kioto, adquiridos en el año 1997. Hasta la llegada del la Euro 4, conseguir los índices de emisiones contaminantes marcados por las directrices de la Unión Europea no entrañaba una gran dificultad. Resultaba suficient e optimizar la combustión por medio de la electrónica y un continuo aumento del consumo de combustible. Pero actualmente, los construc tores se encuentras con la necesidad de cumplir Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 91 la normativa EEV ( Enhanced Environmental Vehicle standards ) [76] y la reducción drástica en las emisiones de partículas y gases cont aminantes que a partir de octubre del 2009 supone la Euro 5 y a más largo plazo la Euro 6, prevista para septiembre del 2014. Como ejemplo, la evolución de las normativas Euro para el caso de camiones y autobuses se recoge en la Tabla 6. Tabla 6. Año de aplicación y limitación de emisiones establecidas por las normativas Euro para camiones y autobuses Fuente: Elaboración propia a partir de EEV standards [76] CALENDARIO EURO Norma Año entrada nuevas matriculaciones CO Hidrocarburos NO x Partículas suspendidas Euro 1 1993 4,5 1,1 8,0 0,36 Euro 2 1996 4,0 1,1 7,0 0,25 Euro 3 Octubre 1999 2,1 0,66 5,0 0,10 Euro 4 Octubre 2006 1,5 0,46 3,5 0,02 Euro 5 Octubre 2009 1,5 0,46 2 0,02 Euro 6 Septiembre 2014 1,5 0,13 0,4 0,01 Valores expresados en gr/kW/h. Un país puede reducir s us emisiones de gas de efecto invernadero más de un 20% cambiando la flota de vehículos de gasolina por eléctricos, y si la energía generada es de origen renovable, la reducción alcanza el 40%. Si la ev olución se da en el sector del transporte privado la reducción alcanza el 60%. No obstante, hasta llegar al vehículo eléctrico puro y al de pila de combustible, inevitablemente deberán darse una serie de estaciones intermedias en lo que se refiere a la integración tecnológica: el vehículo híbrido, el vehículo plug-in híbrido y finalmente el vehículo eléctrico. CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 92 Jesús Gallego Navarro La modularidad con que se conciben las nuevas arquitecturas de estos tipos de vehículos ofrece grandes posibilidades además de líneas diferentes para alcanzar la economía de escala que permita reducir costes. Un dato muy a tener en cuenta es que el precio de los vehículos eléctricos depende en gran medida del des arrollo de nuevas baterías y de mayor potencia. Si cuentan con la confianza de usuarios, gobier nos y las multinacionales que controlan las estaciones de servicio, se prevé que en las carreteras europeas haya un máximo del 10% de vehículos de emisión cero para el año 2020. El resto de los automóviles contarán con motores de combustión interna de alta t ecnología: de menores potencias, turboalimentado y con sistema parada-arranque; que convivirán con configuraciones híbridas de base modular. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 93 3.2. Tecnologías  de  Tracción  El sistema de tracción de un automóvil lo constituyen el conjunto de elementos que proporcionan la potencia mecánica al eje. Las tecnologías de tracción se pueden dividir en tres grupos principales, dependiendo de la naturaleza de la fuente de energía utilizada para proporcionar la potencia, así nos encontraremos con la tracción térmica, la tracción eléctrica y la tracción híbrida: - Tracción térmica: el movimiento del automóvil se produce gracias a un motor térmico que transforma la energía térmica del combustible utilizado, en energía mecánica que se transmite al eje. Como combustible se puede utiliz ar, bien un combustible fósil, ya sea líquido o gaseoso: gasolina, diesel, gas natural o GLP, un biocombustible: biodiesel, biogás o bioetanol u otros combustibles como el hidrógeno. - Tracción eléctrica: el movimiento del automóvil se produce gracias a un motor eléctrico que transforma energía eléctrica en energía mecánica mediante interacciones electromagnéticas. La energía eléctrica puede provenir de baterías, pilas de combustibles o placas solares que estén montadas en el vehículo. - Tracción híbrida: el movimiento del automóvil se consigue por medio de una combinación de sistemas térmicos y eléctric os de los vistos en los casos anteriores. Según quién proporcione la potencia al eje nos encontraremos con dos tipos de hibridación diferentes, una de tracción y otra del sistema de alimentación de energía. Debido a la complejidad del término ‘hibridació n’ aplicado a un vehículo, se analizará en el siguiente apartado. CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 94 Jesús Gallego Navarro 3.3. Alternativas  a  los  Sistemas  de  Tracción  Tradicionales  para  Vehículos  de  Carretera  La utilización de vehículos que se propulsan c on combustibles alternativos radica principalmente en dos factores: la degradación del medio ambiente producida por la contaminación, y el deseo de los gobiernos de los países no productores de reducir su dependencia del petróleo. Son considerados vehículos alternativos aquellos que utilizan para su propulsión: baterías eléctricas, aire comprimido, hidrógeno, sistemas híbridos, gas licuado del petróleo (GLP), gas natural (almacenado como gas comprimido (GNC) ó licuado (GNL)) o biocombustibles (biodiésel, metanol, bioetanol ó biogás). 3.3.1. Vehículos  de  emisión  cero  Se considera vehículo de emisión cero a todo vehículo que, cuando se encuentra, bien en funcionamiento, bien en régimen estacionario, no emite emisiones o contaminantes, como son las partículas en suspensión, hidr ocarburos, monóxido de c arbono o varios óxidos de nitrógeno. Excepto en casos especiales, ‘emisiones ce ro’ no significa necesariamente que el ciclo energético completo tenga que ser no contaminante. En muchos casos la energía se suministra, al menos en parte, desde plantas de energía de combustible fósiles. No obstante sigue constituyendo una ventaja en zonas ur banas cuando se compara con los vehículos convencionales. Estos casos especiales en los que un vehículo puede ser considerado de emisión cero teniendo en cuenta su ciclo ener gético completo son los vehículos de aire comprimido, los vehículos eléctricos o los vehículos con tecnología de pila de combustible, cuando la Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 95 electricidad que se requiere para gener ar la potencia para recargar las baterías o los tanques de aire comprimido, o generar el hidrógeno, proviene de fuentes de energía renovable, como la solar o la eólica. En todo caso, para considerar un vehículo como ‘emisión cero’, no se considerarán las emisiones asociadas a la fabricación, tanto del vehí culo como de sus componentes, ni las emisiones asociadas a la reutilización, reciclado o desmantelamiento de los componentes de l vehículo obligatorios al final del ciclo de vida del vehículo. Por ejemplo, la California's Air Resources Board ( CARB ), define a los vehículo de emisión cero como aquellos que no emiten contaminantes por su tubo de escape, no emiten contaminantes por evaporación, no cuentan con sistemas de control de emisiones que se deterioran con el tiempo y no conllevan emisiones provenientes del refinado de gasolina. 3.3.1.1. Vehículo  eléctrico  Los vehículos eléctricos puros obtienen su capacidad de movimiento por la ener gía eléctrica liberada por unas baterías. El sistema de generación y acumulación de la energía eléctrica constituye el sistema básico para mover un vehí culo eléctrico. Generalmente, para ello se utilizan los acumuladores electroquímicos, formados por dos substancias conductoras bañadas en un líquido también conductor. El intercambio de cargas positivas y negativ as entre ambos componentes mantiene una corriente eléctrica que puede ser utilizada para el funcionamiento del motor del vehículo eléctrico. Las baterías han tenido altos costes de fabricación, peso, tiempo de recarga, y escasa vida útil y autonomía, lo que ha limitado la adopción masiva de vehículos eléctricos de batería. Los adelantos tecnológicos actuales en baterías han resuelto algunos de estos problemas. CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 96 Jesús Gallego Navarro En el vehículo eléctrico, el 46% de la energía liberada por las baterías sirve para mover el vehículo, lo que indica una eficiencia entre 10-30% superior de éste, respecto al vehículo convencional con motor de combustión. En un vehículo eléctrico puede haber un solo motor de tracción o varios, adosados a las ruedas. Su función es transformar la energía eléctrica que llega de las baterías en movimiento. Esta energía puede ser aprovechada tal cual llega, o sea, en forma de corriente continua o bien, y gracias a un transformador, en forma de corriente alterna. La energía eléctrica se produce en centrales que, concretamente en nuestro país en más de un 55% queman combustibles fósiles y energía nuclear. Por este motivo la electricidad sólo puede sumarse como forma ecológica si se produce con fuentes renovables tales como energía solar, eólica, hidráulica o biomasa. 3.3.1.2. Vehículo  con  pila  de  combustible  de  hidrógeno  Un vehículo de hidrógeno es un vehículo esencialmente eléctrico que utiliza hidrógeno diatómico como fuente primaria de energía eléctrica. Estos vehículos utilizan el hidrógeno en pilas de c ombustible. La pila de combustible de hidrógeno funciona de forma muy similar a una batería; lo que hace es convertir el hidrógeno en oxigeno y agua, de ese proceso químico es que se logra la electricidad para poder mover el automóvil. La pila de combustible no mantiene la carga, por lo que se necesita un flujo constante de hidrógeno para impulsar la transmisión del vehículo, algo parecido a la combustión interna pero con electricidad. Actualmente, las pilas de combustibles han conseguido un buen niv el de eficiencia y compacidad que permiten 2 kW por litro y por kilo con presio nes variables de 1,5 y 2,7 bar. Eso se consigue conectando en serie hasta alrededor de 200 celdas simples. Un motor de Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 103 o El tamaño de los componentes puede ser menor, ya que al poder sumar sus contribuciones, no tienen por qué ser capaces de satisfacer la demanda energética por sí solos. - Inconvenientes: o El sistema de transmisión se puede complicar con varios embragues y reductores según la configuración. La existencia de acoplamientos mecánicos disminuye la flexibilidad en el diseño. Además es poco recomendable, a diferencia de la configuración serie, montar elementos de alta velocidad de giro, como por ejemplo turbinas, por hacerse necesario el uso de reductores poco eficientes. o Comparado con un vehículo convencional en carretera y a velocidad constante, apenas mejora sus resultados en cuanto a eficiencia. 3.3.2.3. Híbridos  configuración  mixta  Estos vehículos cuentan con un motor térmico o pila de combustible y presentan la posibilidad de cargar las baterías existentes en el vehículo y de actuar sobre las ruedas contribuyendo a su propulsión de forma simultánea. Esta configuración brinda la oportunidad de propulsar a l vehículo sólo con el motor térmico o la pila de combustible, exclusivamente mediante el motor eléctrico, o mediante una combinación de ambos. Conceptualmente se trata de una configuración en serie en la que el motor térmico o pila de combustible se conectan también a las ruedas de forma directa. El esquema de este tipo de configuración se muestra en la Figura 4. Se trata de una hibridación del sistema de tracción. CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 104 Jesús Gallego Navarro Figura 4. Vehículo híbrido configuración mixta Fuente: Fundación FITSA Esta configuración posibilita una gran libert ad de operación, no obstante también presenta sus ventajas e inconvenientes: - Ventajas: o Presenta gran libertad en cuanto a modos de funcionam iento, lo que conseguirá, por lo general, un funcionamiento con más alto rendimiento. - Inconvenientes: o Debe existir acoplamiento mecánico entre las partes, y el diseño se vuelve más complejo, más aún si se incluye generador. Por lo tanto, analizando estas ventajas e inconvenientes, se puede concluir que los automóviles híbridos configuración serie ofrecerán ventajas durante las operaciones de arranque y parada, mientras que los automóviles híbridos configuración paralelo presentan una eficiencia mayor durante el funcionamiento a plena carga. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 105 3.3.2.4. Modos  de  funcionamiento  El funcionamiento del sistema de energía de un vehículo híbrido está intrínsecamente ligado a su configuración, puesto que ésta condiciona los modos en los que dicho sistema puede operar. Los modos de funcionamiento en que cada configuración potencialmente puede operar son los que se presentan a continuación. Para una explicac ión más clara se utilizará el esquema del sistema de energía de un vehículo híbrido paralelo que monte motor térmico y eléctrico con acoplamiento pilotado y batería, ya que esta configuración per mite todos los modos de operación posibles en cualquier vehículo híbrido: - Modo sólo eléctrico: se utiliza cuando las exigenc ias son bajas, por ejemplo en circulación urbana, con bajas velocidades. Operando en este modo, el vehículo es similar a un vehículo eléctrico puro, ya que consume la energía almacenada mientras que el motor térmico permanece desconectado. En la Figura 5 aparece el flujo de energía de este modo de funcionamiento de forma esquemática. Figura 5. Diagrama del flujo de energía del modo sólo eléctrico Fuente: Elaboración propia CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 106 Jesús Gallego Navarro - Modo sólo motor térmico: operando en este modo, el vehículo actúa de la misma manera que un vehículo convencional de motor de combustión. Se utiliza para altas velocidades, por ejemplo, conducción en carretera. En la Figura 6 aparece el flujo de energía de este modo de funcionamiento de forma esquemática. Figura 6. Diagrama del flujo de energía del modo sólo motor térmico Fuente: Elaboración propia - Modo motor térmico más recarga del sistema de almacenamiento: cuando en el modo anterior (sólo motor térmico) se produce un excedente de energía, dicha cantidad de energía se destina al sistema de almacenam iento. En la Figura 7 aparece el flujo de energía de este modo de funcionamiento de forma esquemática. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 107 Figura 7. Diagrama del flujo de energía del modo sólo motor térmico más recarga del sistema de almacenamiento Fuente: Elaboración propia - Modo motor térmico más motor eléctrico: se opera en este modo cuando los requerimientos de potencia son máximos, por ejemplo en pendientes o aceleraciones. Ambos motores operan al mismo tiempo, sumándose su contribución para obtener las máximas prestaciones. En la Figura 8 aparece el flujo de energía de este modo de funcionamiento de forma esquemática. CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 108 Jesús Gallego Navarro Figura 8. Diagrama del flujo de energía del modo motor térmico más motor eléctrico Fuente: Elaboración propia - Modo frenado regenerativo: durante frenadas o deceleraciones se opera en este modo, en el cual, el motor o un generador – en caso de contar con él – aprovecha la energía cinética o gravitatoria del vehículo para recargar los sistemas de almacenamiento de energía. En la Figura 9 aparece el flujo de energía de este m odo de funcionamiento de forma esquemática. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 109 Figura 9. Diagrama del flujo de energía del modo freno regenerativo Fuente: Elaboración propia - Modo recarga estacionaria: en este estado, el vehículo no se mueve y la energía generada por el motor térmico se usa exclusivamente para recar gar los sistemas de almacenamiento de energía. En la Figura 10 aparece el flujo de energía de este modo de funcionamiento de forma esquemática. Figura 10. Diagrama del flujo de energía del modo recarga estacionaria Fuente: Elaboración propia CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 110 Jesús Gallego Navarro 3.3.2.5. Vehículos  híbridos  con  motor  de  combustión  interna  Se trata de aquél que combina un motor eléctrico, normalmente alimentado con baterías (aunque también puede alim entarse por volantes de inercia o ultra condensadores), y un motor térmico cualquiera: turbina de gas, diesel, gasolina, Stirling, y el resto de los modelos conocidos en el mercado. Debido al estado de la tecnología resulta complicado almacenar grandes cantidades de energía eléctrica, por lo que la fuente principal será el combustible que se almacena para el motor térmico. 3.3.2.6. Vehículos  híbridos  de  pila  de  combustible  Es aquél que combina un motor eléctrico, normalmente alimentado con baterías (aunque también puede alimentarse por volantes de inercia o ultra condensadores), y una pila de combustible. La fuente principal de energí a para la propulsión será la pila de combustible, mientras que la energía eléctrica proporcionada por el motor eléctrico se utiliza para conseguir que la pila de combustible, debido a sus características, trabaje constantemente en un régimen de carga lo más próximo posible al nominal, logrando así optimizar tanto su rendimiento como su vida. Figura 11. Esquema del Mercedes B NGT Fuente: Mercedes-Benz Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 111 3.3.3. Vehículos  propulsados  con  combustibles  alternativos  Este grupo de vehículos engloban la utilización en motores de combustión interna (MCI) de los siguientes combustibles: 3.3.3.1. Biocombustibles  El biocombustible es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la biomasa, organismos recientemente vivos o sus desechos metabólicos, tales como el estiércol de la vaca. Los combustibles de origen biológico pueden sustituir parte del consumo en combustibles fósiles tradicionales, como el petróleo o el carbón. Los biocombustibles más usados y c on mayor nivel de desarrollo en el campo de los transportes son: a. Biodiésel  Biodiésel es el nombre común por el que se conoce a los ésteres metílicos. Se obtiene a partir de aceites vegetales vírgenes, pero también de aceites vegetales usados y de grasas animales. Puede utilizarse como combustible único ó mezclarlo con gasóleo, siendo la mezcla más habitual de 5% de biodiésel y 95% de gasóleo, que supone una reducción en las emisiones de CO 2 que oscila del 2% al 2,5%. Los motores diésel convencionales pueden funcionar perfectamente con mezclas al 5% sin necesidad de modificaciones en el motor. La mayoría de los motores diesel podrían funcionar CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 112 Jesús Gallego Navarro con mezclas de hasta el 30%, pero sin garantías por parte de los fabricantes. A partir del 30% se presentan problemas por degradación de las juntas y la obturación de los inyectores. El biodiésel está regulado por la norma eur opea para el gasóleo EN 590, que perm ite hasta un 5% de biodiésel, el cual además debe cumplir la norma de calidad europea EN 14214. b. Bioetanol  El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión. Se suele emplear mezclado con gasolina en una proporción de 5% de bioetanol y 95% de gasolina, según la norma de calidad europea EN 228, sin necesidad de modificación alguna del m otor. Algunos fabricantes establecen el máximo de bioetanol en el 5%, mientras otros garantizan el buen funcionamiento del motor hasta el 10%. Dos mezclas comunes son E10 y E85, que contienen el etanol al 10% y al 85%, respectivamente. Si se emplea al 100% en motores de encendido provocado (MEP), se deben realizar ciertas modificaciones en los motores, además de que sus filtros deben ser cambiados con más frecuencia, ya que el bioetanol favorece la liberación de los depósitos de partículas del tanque y de los conductos del combustible. El uso de la mezcla con bioetanol al 5%, supone una reducción en las emisiones que va del 2,5% al 3%, calculado sobre la base de su ciclo de vida útil. Si se utiliza el bioetanol puro supone una reducción, también sobre su ciclo de vida útil, del 50% al 70%, dependiendo de las materias primas empleadas. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 119 Los vehículos a GLP son muy similares a sus equivalentes de gasolina, radicando las diferencias fundamentales en los sistemas de almacenamiento (en estado líquido) y alimentación de combustible al motor (combustión en el motor en estado gaseoso). Existen dos tipos de vehículos a GLP: los bi-combustibles y los mono-combustibles. Los bi- combustibles presentan la ventaja de poder cambiar de GLP a gasolina con una simple acción del conductor, salvando así el inconveniente que supone la baja autonomía. Sin embargo, los vehículos mono-combustible presentan mejores rendimientos y menores emisiones contaminantes. La capacidad de los depósitos instalados en los vehículos es de 40 - 70 litr os para los turismos, y para furgonetas se llegan a superar los 80 litros. En el caso de los autobuses los depósitos tienen mucha más capacidad y van alojados en el techo. La siguiente tabla resume los números de vehículos propulsados por GLP y estaciones de servicio que suministran esta carburante. Tabla 8. Número de vehículos que utilizan GLP y estaciones de servicio que lo suministran (2009) Fuente: Elaboración propia a partir de fuentes consultadas Mundo Europa España Nº vehículos 13,5 millones 6 millones 10.000 Estaciones de servicio - < 11.000 36 3.3.3.6. Hidrógeno  como  combustible  para  motor  de  combustión  interna  Un vehículo de hidrógeno es un vehículo de combustible alternativo que utiliza hidrógeno diatómico como su fuente primaria de energía para propulsarse. CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 120 Jesús Gallego Navarro Estos vehículos logran la fuerza motriz gracias a la ignición del hidrógeno dentro de la cámara de combustión. El motor de combustión interna de hidrógeno se parece mucho a los motores de gasolina, exceptuando que el combustible es gaseoso en lugar de líquido. Un automóvil de hidrógeno no requiere el tratamiento de los gases de escape, cuando opera correctamente. La alta velocidad de combustión del hidrógeno ofrece la oportunidad de aumentar el rendimiento de potencia sin incrementar el tamaño del motor. Usando la inyección directa del hidr ógeno, la densidad de potencia es aproximadamente un 117% superior con respecto a un motor de gasolina equivalente, y los motores de combustión interna de hidrógeno pueden arrancar fácilmente aún con muy bajas temperaturas de ambiente. Sin embargo, a diferencia de los combustibles líquidos, el hidrógeno tiene una baja densidad de energía por unidad de volumen, lo que significa que el vehículo est ará un poco limitado en su autonomía en comparación con los actuales. 3.3.4. Comparativa  entre  tecnologías  de  tracción  alternativas  A partir del análisis de las prestaciones de los vehículos que cuentan con estas tecnologías, es posible extraer algunas conclusiones. En primer lugar se ha realizado una comparación de la autonomía media alcanzada por los vehículos que montan las diferentes tecnologías, ver Tabla 9 y Figura 12, de la que es posible extraer las siguientes conclusiones: - Los vehículos con sistemas propulsores alimentados con biocombustibles son los que mayor autonomía proporcionan, debido, sobre todo, a su mayor madurez tecnológica, asociada a su similitud con los sistemas propulsores tradicionales. - Los sistemas que utilizan hidrógeno, ya sea en pilas de combustible o en motores de combustión interna, empiezan a lograr valores competitivos, en especial cuando esta Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 121 tecnología se emplea en autobuses, pero aún se encuentra por debajo de los niveles de los biocombustibles o el GLP. Tabla 9. Resumen de la autonomía media obtenida con las diferentes tecnologías estudiadas [km] (2009) Fuente: Elaboración propia a partir de fuentes consultadas Eléctrico PC Híbrido Biodiesel Bioetanol Biometano GN GLP H 2 -MCI Turismos 86, 67 422,58 636,6 960 888,86 1000 337,5 546,67 255 Autobuses 100 274,72 300 450 327,5 600 325 Vehículos industriales 75 450 Figura 12. Comparativa de la autonomía media proporcionada por las diferentes tecnologías (2009) Fuente: Elaboración propia a partir de fuentes consultadas Realizando para las mismas tecnologías y mismos casos la comparación de la autonomía específica, es decir, los kilómetros que pueden recorrer los vehículos, por cada kilogramo de CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 122 Jesús Gallego Navarro combustible que almacenen a bordo, ver tabla y gráfica siguientes, se obtienen las siguientes conclusiones: - Los datos de autonomía específica ratifican las mayores prestaciones de los biocombustibles y que los vehículos con tecnología de pila de combustible empiezan a ser competitivos. - Los vehículos eléctricos, debido a su baja autonomí a, tanto media como específica, hace que su utilización se reduzca a aplicaciones donde las distancias a recorrer no sean muy elevadas. Una aplicación apropiada sería para flotas cautivas, con un radio de actividad acotado. Tabla 10. Autonomías específicas obtenidas con las diferentes tecnologías estudiadas [km/kg] (2009) Fuente : Elaboración propia a partir de fuentes consultadas Eléctrico PC Híbrido Biodiesel Bioetanol Biometano GN GLP H 2 -MCI Turismos 0,085 0,273 0,435 0,647 0,565 0,833 0,248 0,397 0,153 Autobuses 0,035 0,018 0,037 0,0128 0,02 0,02 Vehículos industriales 0,096 0,22 Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 123 Figura 13. Comparativa de la autonomía específica proporcionada por las diferentes tecnologías (2009) Fuente: Elaboración propia a partir de fuentes consultadas CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 124 Jesús Gallego Navarro 3.4. Arquitecturas  Flexibles  y  Eficiencia  Energética  El concepto de eficiencia energética en el transporte supone un cambio de mentalidad respecto a las ideas de consumo ener gético qu e el empleo de los vehículos con motor de combustión interna nos ha acostumbrado durante el último siglo. Tradicionalmente es suficiente con llenar el tanque de combustible de un vehículo convencional; tener carbur ante te asegura el desplazamiento, con independencia de las características de éste, la exigencia que presente y de si el consumo de combustible del vehículo es mayor o menor. La abundancia de petróleo de la que ha disfrutado hasta ahora la sociedad y una red de estaciones de repostaje muy nutrida, han contribuido a no tener la necesidad de salir más allá de estas ideas. La incorporación de los nuevos sistemas de tracción eléctricos llegan ligados a unos sistemas de diseño flexibles y eficientes, en los que conoc er la energía que va a requerir el vehículo en su funcionamiento va a resultar un factor fundamental. Estos nuevos sistemas eléctricos llevan implícitos un peso extra correspondiente a los bancos de baterías que deben incorporar, y que será directamente proporcional a la energía demandada al vehículo; es decir, mayor energía demandada, implica mayor peso del vehículo, con la pérdida de prestaciones que ello conlleva. Habrá que llegar al compromiso de mejores prestaciones posibles con el menor gasto energético que esto permita. Para ello se hacen imprescindibles estudios de demanda particulares en función del tipo de vehículo y el uso que se vaya a hacer de él. Por lo tanto, el problema se centra en lograr la mayor eficiencia energética posible, es decir, lograr realizar un trabajo determinado con la mínima pérdida de energía posible, o lo que es lo mismo, que la energía que ha producido un determinado movimiento de un vehículo sea lo más próxima posible a la existente en los sistemas de almacenamiento ant es de que se inicie el mismo. El concepto de eficiencia energética se incorpora a la ecuación del transporte. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 125 La modularidad con que se conciben las nuevas arquitecturas de estos tipos de vehículos ofrece grandes posibilidades además de líneas diferentes para alcanzar la economía de escala que permita la reducción de costes. Un dato muy a tener en cuenta es que el precio de los vehículos eléctricos depende en gran medida del desarrollo de nuevas baterías y de mayor potencia. El concepto de arquitectura de un vehículo se refiere a la conf iguración del conjunto de componentes encargados de la propulsión y sus dimensiones. Se cuentan hasta tres criterios diferentes a la hora de definir la arquitectura de un vehículo: - Criterio meramente estructural. Consiste en determinar la configuración de la cadena de tracción que permite lograr la distribución de volúmenes y pesos más adecuada para obtener unas mejores prestaciones. - Criterio basado en la selección del tipo de cadena de tracción que dará mejores prestaciones ante unas demandas energéticas determinadas. - Criterio referido a la elección de los diferentes sistemas energéticos de que dispondrá el vehículo y a la administración de la energía pr oporcionada o almacenada por cada uno de estos dispositivos. Para optimizar la arquitectura de un vehículo el éctrico es posible atender a cualquiera de los tres criterios definidos anteriormente, pero siempre habrá que tener en cuenta el entorno en el que se deberá desenvolver el vehículo, es decir, el ciclo de funcionamient o que deberá cumplir. Un vehículo con la misma carrocería exterior podrá ver modificada su arquitectura interior en función de, si por ejemplo, se usa en un entrono urbano o interurbano, o de si se destina a uso particular o privado. De este modo, la incorporación del concepto de eficiencia energética también supone la incorporación de una nueva variable a la ecuación del transporte: los ciclos de funcionamiento. En resumen, para realizar el dimensionamiento eficiente del sistema energético y de tracción de un vehículo eléctrico, una vez se conozca el uso al que está destinado el vehículo, en primer lugar se deberá determinar el ciclo de funcionamiento que lo caracteriza, para CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 126 Jesús Gallego Navarro posteriormente determinar la cantidad de energía que demandará y el sistema de suministro de energía más apropiado. En el ANEXO 1. Optimización del Sistem a de Tracción de Vehículos no Contaminantes , como ejemplo del proceso a seguir para realizar el dimensionamient o eficiente del sistema de energía y tracción de un vehículo, se recoge el resumen de un trabajo de investigación complementario a esta tesis y desarrollado en el marco de la optimización de sistemas de tracción para vehículos no contaminantes. 3.4.1. Ciclos  de  funcionamiento  Un ciclo de funcionamient o es una secuencia en el tiempo de las velocidades desarrolladas por un vehículo, el cual estará sometido a un determinado entorno de conducción. Por lo tanto, representa el recorrido de dicho vehículo; un vehículo debe cubrir una determinada distancia manteniendo en todo momento unas velocidades fijadas previamente. La gráfica más representativa de un ciclo de funcionamiento es la de velocidad/tiempo. En la Figura 14 aparecen, de izquierda a derecha, gráficas velocidad/tiempo de los ciclos más característicos de los tres escenarios principales: urbano, mixto e interurbano. Figura 14. De izquierda a derecha, gráficas velocidad/tiempo del ciclo urbano ECE , mixto ECE_EUDC_LOW e interurbano EUDC Existen diferentes ciclos de funcionamiento oficiales que se han desarrollado simulando los hábitos de conducción de las diferentes partes del planeta y se toman como referencia para modelar el comportamiento de los vehículos. Así se cuenta con los Procedimiento de Ensayo Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 127 Federal ( Federal Test Procedure, FTP ) en Estados Unidos, de carácter transitorio y caracterizados por representar un tipo de conducción agresiva y de alta velocidad típica de transporte urbano del centro de Manhattan, New York (Figura 15); los ciclos ECE en Europa, caracterizados por presentar pequeños espacios de tiempo en los que la velocidad se mantiene constante y que reflejan las condiciones de conducción en ciudades europeas tales como París o Roma (Figura 14); o los ciclos 10-15 en Japón, que representan un tráfico más congestionado, con mayor número de aceleraciones y desaceleraciones que en los europeos y que está basado en la dinámica de conducción de Tokio (Figura 16). Figura 15. Ciclos FTP Figura 16. Ciclo japonés A la hora de desarrollar los ciclos de funcionamiento existen dos enfoques diferentes. Uno se basa en el registro de datos de conducción, y es el utilizado en los ciclos FTP norteamericanos. A lo largo de los años se han utilizado diferentes métodos para registrar los datos generados durante el funcionamiento de los vehículos y plasmarlos en los diferentes CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 128 Jesús Gallego Navarro ciclos (H.Y. Tong, 1999 [21]). Y el otro se basa en ciclos modales o poligonales. Ést e segundo es el caso de los ciclos japoneses o el ciclo ECE europeo, que se construyen a partir de diferentes modos de conducción caracterizados por aceleraciones y velocidades representativas. El primero de los enfoques se basa en datos experimentales, por lo que en un principio, y atendiendo a motivos meramente racionales, se puede considerar como un método más representativo ante una situación de conducción real. Para que el vehículo sea capaz de recorrer cada uno de los ciclos previstos necesita una cantidad determinada de energía. Dicha energía variará en función de factores como el peso del vehículo o su eficiencia. 3.4.2. Sistemas  de  almacenamiento  de  energía  Conocido el perfil de demanda energética requerido por un vehículo de unas características determinadas, para cumplir el ciclo de funcionam iento impuesto por el uso final para el que está diseñado; si se toma como criterio principal a la hora de determinar la configuración óptima de la arquitectura de un vehículo eléctrico la elección del sistema energético y su dimensionamiento, se obtendrá como resultado la cadena de tracción a utilizar por el vehículo, junto a los sistemas de almacenamiento de energía óptimos y sus dimensiones. A la hora de diseñar el sistema energético de un vehículo, se deben tener en cuenta los diferentes sistemas de almacenamiento energético existentes, así como sus principales características: densidad de energía, densidad de potencia, vida útil y si se trata de dispositivos inductivos o capacitivos. Existen dos tipos de sistemas de almacenamiento de energía: los sistemas primarios de energía y los sistemas secundarios. En el ANEXO 2. Sistemas de Almacenamiento de Energía aparece una descripción detallada de estos sistemas, no obstante, en el presente apartado se recoge un pequeño resumen de las principales características de los mismos. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 135 La localización de los puntos de consumo eléc trico para la recarga dependerán del tipo de vehículo y flota que estudiemos. Para los vehículos industriales, los puntos de recarga deberán estar ubicados en los polígonos industriales, y la recarga s e realizará esencialmente por la noche. En el caso de flotas cautivas públicas o privadas, el punto de recarga deberá situarse en las cocheras y las recargas también se realizarán predominantemente por la noche. En el caso de vehículos particulares, la carga se realiz ará en garajes privados, no a una hora concreta, aunque los gobiernos deberían tomar medidas incentivadoras para que fuera por la noche. Se trata así de sistemas de recarga localizados para los vehículos industriales y las flotas cautivas y un sistema de recarga distribuido cuando se trata de vehículos particulares. Por lo tanto, habrá que habilitar las líneas a las características de cada caso en particular. En el caso de los vehículos eléctricos que cuentan con pila de combustible en s u sistema de tracción existen ciertas peculiaridades r especto a las infraestructuras necesarias, ya que aunque la mayoría cuentas con baterías que pueden r ecargarse con electricidad, las pilas de combustible necesitan un aporte continuo de hidrógeno y oxígeno. El oxígeno se obtiene del aire, pero el hidrógeno requiere de una infraestructura de producción, transporte y distribución propia. Como se verá en el CAPÍTULO 4, Tecnologías del hidrógeno y s u integración en un sistema de transporte sostenible , el hidrógeno no es una fuente de energía primaria, como el carbón, el gas natural, o el petróleo sino un vector energético. Es decir, que hay que producirlo extrayéndolo por ejemplo del agua o de los hidrocarburos mediante diferentes sistemas, siendo los más importantes el reformado de gas natural o la electrólisis del agua mediant e electrolizador, sistema utilizado para obtener hidrógeno de forma limpia mediante el aprovechamiento de las energías renovables. El hidrógeno debe ser transportado desde el lugar donde se genera al punto de utilización, debiendo ser manipulado y puesto a disposición de los consum idores en las estaciones de repostaje de hidrógeno ó hidrogeneras para su utilización como combustible de transporte. CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 136 Jesús Gallego Navarro El hidrogeno puede ser transportado en estado gaseoso (a presión) o líquido (criogénico), pudiendo distribuirse a través de tuberías o mediante camiones, barcos o trenes, de una forma muy similar a como se transporta los combustibles fósiles. Los modos de transporte comercialmente disponibles en la actualidad son los siguientes: - vehículos industriales con hidrógeno almacenado en tanques de gas comprimido, entre 200 y 1000 bar, - vehículos industriales con hidrógeno almacenado como un líquido criogénico, a - 253ºC, - gaseoductos que transportan gas hidrógeno comprimido a presiones que oscilan entre los 10 y los 30 bar. El suministro de hidrógeno a los automóviles se realiza en las hidrogeneras. Existen diferentes tipos de hidrogeneras desde el punto de vista del suministro de hidrógeno en l o que se refiere a la viabilidad técnica y económica. Los surtidores de hidrógeno son similares a los que suministran gasolina, per o tienen una conexión a los tanques de almacenamiento de hidrógeno. Al igual que ocurre con los puntos de consumo eléctrico, los puntos de recarga de hidrógeno dependerán del tipo de vehículo flota que estudiemos y la demanda. Cuando se trata de vehículos industriales, la demanda será elevada, los puntos de suministro deberán estar ubicados en los polígonos industriales, y la recarga se realiz ará esencialmente por la noche. En el caso de flotas cautivas públicas o privadas, la demanda será más o menos elevada dependiendo del tamaño de la flota, la hidrogenera deberá situarse en las cocheras y las recargas también se realizarán predominantemente por la noche. En el caso de vehículos particulares, las hidrogeneras deberán distribuirse en función de una serie de variables de entrada: la demanda, los tiempos de espera, los accesos existent es y la extensión geográfica a dar servicio. Las diferentes variables de entrada tendrán mayor o menor importancia dependiendo del tipo de flota a la que esté destinada. Esta importancia dependerá sobre todo Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 137 del grado de control que se tenga sobre el usuario final, es decir, si se cuenta con flotas cautivas que siguen circuitos cerrados, será mucho más fácil determinar el número exacto de vehículos y el momento del repostaje que si se trata de una instalación de uso público, en el que sólo te podrás ceñir a datos estadísticos. Por lo tanto, el dimensionamiento de una hidrogenera destinada a dar servicio a una flota cautiva se podrá dimensionar de una forma mucho más óptima que la de uso público. Un aspect o crítico en este respecto es conocer el perfil de uso al que se va a someter a la instalación, es decir, conocer las demandas de hidrógeno a lo largo del tiempo. Por otro lado, deberán crearse nuevos sistemas de mantenimient o que se adapten a esta nueva tecnología y de instalaciones de recambio de piezas y componentes que se asocien a las nuevas infraestructuras. 3.5.1. Cambio  en  los  procesos  productivos  Al igual que en otros muchos sectores e industrias, el tiempo significa dinero, y en la delicada situación a la que se enfrenta el sector, ahorra tiempo se antoja imprescindible. Los modelos actuales de producción, basados en grandes cadenas de producción centralizadas, han llegado a un punto en el que es muy complicado reducir más los tiempos pese a la aplicación de técnicas como la subcontrata de piezas y operaciones y el just in time . Por lo tanto, si se quieren reducir los costes se hace necesaria una reestructuración del proceso de fabricación y de la cadena de proveedores, cambiando a un sistema de producción que permita una fabricación más flexible, que ofrezca al cliente un servicio a la carta y en unos plazos de tiempo mucho más cortos. Actualmente, en Europa, los plazos de entrega para vehículos europeos nuevos se sit úa en 48 días, aumentándose a 63 si se trata de un modelo japonés fabricado en Europa. En estos nuevos sistemas debe plantearse la posibilidad de cambiar la estructura resistiva monocasco, en la que chasis y carrocería actúan conjuntamente para absorber las cargas, CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 138 Jesús Gallego Navarro por una nueva arquitectura, común a todos los vehículos, en la que las cargas son soportadas por una estructura interna, y sobre la que se apoyan los módulos encargados de dar la funcionalidad al vehículo (caravan, tres puertas, cinco puertas, cabrio, etc.). Una reducción de los plazos de entrega a los clientes como consecuencia de una fabricació n más sencilla y rápida, unida a la posibilidad de encontrar proveedores más próximos a las plantas de montaje, debido a que se trata de estructuras comunes, significan beneficios, no sólo para el cliente, y que se traducen en satisfacción por la rapidez del servicio, sino también para los fabricantes, debido al ahorro económico que vendría implícito, y para el medio ambiente, ya que se verían reducidas las emisiones de CO 2 derivadas de la producción y el traslado a largas distancias de piezas y componentes. 3.5.2. Consecuencias  derivadas  de  la  electrificación  del  sector  transporte  La entrada en el mercado de una nueva tecnología lleva asociada una serie de consecuencias: - Desconocimiento e incertidumbre - Desaparición de tecnologías - Posibilidad de penetración de las tecnologías emergentes - Posibilidad de nuevos sistemas de negocio - Cambio en la normalización y regulación 3.5.2.1. Desconocimiento  e  incertidumbre  A nivel social, pese que en los últimos años se están realizando campañas para dar a conocer lo que son los vehículos eléctricos (incluidos los de pila de combustible de hidrógeno) Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 139 y cuáles son sus ventajas y beneficios, la irrupción de esta nuev a tecnología causaría un ambiente de desconfianza e incertidumbre causada por el miedo que el ser humano tiene a lo desconocido. Al igual que en otras ocasiones ha ocurrido con otras tecnologías, esta sensación perdurará durante las primeras etapas de implantación, hasta que la fiabilid ad quede demostrada. Los vehículos híbridos son la mejor baza para acelerar el periodo de adaptación y confianza hacia estas nuevas tecnologías al disponer de sistema de tracción eléctrico y térmico. 3.5.2.2. Desaparición  de  tecnologías  La incorporación de una nueva tecnología, respecto a las tecnologías existentes puede dar lugar a dos situaciones: - que tecnología existente y nueva coexist an, - que la nueva tecnología sustituya a la existente, haciéndola desaparecer. En el caso de los automóviles eléctricos, habrá una primera etapa en la que convivan con los de tracción convencional; esto ocurrirá hasta que las prestaciones y los precios de ambas tecnologías se equiparen. En su irrupción en el mercado, los vehículos eléctricos sólo tendrán protagonismo para determinadas aplicaciones debido a las prestaciones que son capaces de proporcionar. En una segunda etapa, las nuevas tecnologías sustituirán a las convencionales, desapareciendo los sistemas de tracción térmicos tal y como los conocemos, apareciendo sistemas térmicos ya sólo en los automóviles híbridos. CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 140 Jesús Gallego Navarro 3.5.2.3. Posibilidad  de  penetración  de  las  tecnologías  emergentes  La aparición de los automóviles eléctricos brindará la oportunidad a otras tecnologí as emergentes del sector energético, eléctrico y electrónico de hacerse un hueco en el mercado En especial será importante en el sector energét ico debido a que supone la sustitución de un tipo de energía de origen casi exclusivamente fósil, por energía eléctrica, que permite producirse de forma más diversificada. Obtendrán gran importancia las fuentes de energía renovables, debido al carácter no contaminante que poseen los vehículos eléctricos, con el fin de moderar el cambio climático. Las energías renovables proporcionar grandes cantidades de energía, pero no de forma predecible ni constante. Por ejemplo, el pasado 14 de enero, la energía eólica marcó un nuevo máximo de potencia inst antánea en España, según datos de Red Eléctrica de España, alcanzándose los 11.693 MW, lo que supuso el 42% de la demanda peninsular. 3.5.2.4. Posibilidad  de  nuevos  sistemas  de  negocio  Para que los automóviles eléctricos logren irrumpir en el mercado se presenta imprescindible la elaboración de un nuevo plan de negocios que integre a la industria del automóvil y al sector eléctrico. Esto implica cambios, no sólo en los servicios institucionales dedicados a la creación, conservación y mantenimiento de las r edes eléctricas, sino también en las instituciones existentes e infraestructuras. Uno de los aspectos a tener muy en cuenta es que cuanto mayor es el grado de electrificación del v ehículo, mayor es la infraestructura eléctrica necesaria y por lo tanto, mayor la inversión en una red de recarga todavía inexis tente. Esto proporcionará nuevas oportunidades al sector energético mediante nuevas iniciativas y colaboraciones con las empresas involucradas clave, como los fabricantes de vehículos y baterías. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 141 De este modo, ya han surgido una serie de iniciativas que persiguen la integración de la movilidad eléctrica: El modelo Better Place es un proyecto que se encuentra en pleno desarrollo en Israel, Dinamarca Australia, California, Hawaii y Canadá. Consiste en gen erar electricidad a partir de una fuente de energía tan renovable como sea posible (eólica o solar) y, posteriormente, verterla a la red eléctrica nacional para la recarga de coches eléct ricos. La red de recarga cuenta con puntos de carga con salidas en forma de enchufe, pero por lo que se caracteriza, es por la existencia de estaciones para la sustitución de baterías. Luego, todo el sistema se coordina desde un centro de control del servicio, que integra y elabora las facturas. El plan contempla unos 500.000 postes de recarga y unas 150 estaciones de servicio donde se podrán sustituir las baterías agotadas por otras con carga. La operación durará unos minutos y se podrán realizar viajes largos evitando el inconveniente de las varias horas que se necesitan para recargar el coche en un enchufe. (AllianceBer steis, 2006 [71]; Romm & Fox-Penner, 2007[72]; IBM, 2009 [73]; Sperling & Gordon, 2008 [74]; P. H. Andersen, 2009 [75]) Otros planes de formato similar también están en proceso de desarrollo, como el emprendido conjuntamente por el operador eléctrico francés EDR, Toyota y Elektromotive Ltd ., que tienen previsto construir una red de puntos de recarga en Francia y Reino Unido (P. H. Andersen, 2009 [75]). 3.5.2.5. Cambio  en  la  normalización  y  regulación  Toda incorporación de una nueva tecnología lleva implícito el cambio y modificación de la normalización y regulación existente que permita un uso seguro de la misma, tanto para las personas, como para los animales o el medio ambiente. CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 142 Jesús Gallego Navarro En el caso de los vehículos eléctricos deberá adaptarse la normativa existent e relativa a los vehículos, en especial a lo que se refiere al sistema de tracción y a la seguridad debida al uso de la electricidad como, por ejemplo, los límites de tensión, intensidad o capacidad que se puedan dar a bordo de vehículo. También será necesario regular todo lo referente a las nuevas infraestructuras de recarga requeridas, tanto lo que se refiere al sistema de transporte de electricidad como a los puntos de recarga públicos o privados: dónde, cuándo y cómo deberán instalarse. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 143 3.6. Conclusiones  Tras analizar la situación del transporte actual y analizar el estado del arte en lo que se refiere a las tecnologías de tracción alternativas a los sistemas de tracción convencionales (Otto y Diesel), es posible extraer las siguientes conclusiones: - El sector transporte se encuentra en un periodo de transición a favor de la electrificación de los sistemas de tracción de los vehículos, con el f in de, por un lado, reducir su dependencia de los combustibles fósiles, y por otro, de moderar el cambio climático mediante el aprovechamiento de las energías renovables. - Los esfuerzos importantes que hay que desplegar a favor de las fuentes de energía renovables resultarán, con todo, limit ados ante el aumento de la demanda. Las energías convencionales seguirán ocupando un lugar inevit able durante mucho tiempo. El esfuerzo deberá centrarse en la orientación de la demanda energética hacia el respeto de los compromisos de Kyoto y la garantía del abastecimiento. - Se trata de un proceso lento y costoso, no porque se requiera una infraestructura nueva, pues la mayoría de las instalaciones y redes de transporte en el caso de la electricidad ya existen, y en el caso del hidrógeno, cabría la posibilidad de poder adaptar la existente red de instalaciones y suministro de combustibles tradicionales, sino porque se trata de dos tecnologías totalmente diferentes que requieren la unión del sector energético y del automóvil. En este sentido, los vehículos híbr idos contribuirán a que el periodo de transición sea más corto y menos traumático. - Las tecnologías de tracción se pueden dividir en tres grupos principales, dependiendo de la naturaleza de la fuente de energía utilizada para proporcionar la potencia, así nos encontraremos con la tracción térmica, en la que el movimiento del automóvil se produce gracias a un motor térmico que transforma la energía térmica del combustible en energía mecánica que se transmite al eje, la tracción eléctrica, en la que el movimiento del automóvil se produce gracias a un motor eléctrico que CAPÍTULO 3 El vehículo eléctrico. Alternativas a los vehículos con sistemas de tracción con motorización tradicional 144 Jesús Gallego Navarro transforma energía eléctrica en energía mecánica, y la tracción híbrida, en la que e l movimiento del automóvil se consigue por medio de una combinación de sistemas térmicos y eléctricos. Según quién proporciones la potencia al eje nos encontraremos con dos tipos de hibridación diferentes, una de tracción y otra del sistem a de alimentación. - Entre los combustibles utilizados, como alternat iva al gasoil y gasolina, el hidrógeno presenta mejoras evidentes en aspectos tan importantes como la densidad de energía por masa (poder calorífico), el impacto ambiental y as emisiones. Sin embargo otras muchas carencias, debido principalmente al estado actual de la tecnología, hace que su uso masivo no sea posible todavía. - El gas natural, pese a ser un combustible no renovable, presenta iguales o mejores propiedades de utilización que el gasóleo o la gasolina. Un suministro global asegurado, junto con un precio final más competitivo y una importante reducción de las emisiones contaminant es, hacen de este combustible una excelente alternativa tanto para su utilización directa en motores de com bustión interna, como para su transformación en otros tipos de combustible. - Por su parte, el uso de biocombustibles disminuye las emisiones contaminantes de los vehículos, pero el precio final, junto con la imposibilidad de s er producidos de forma masiva, convierte su presencia en el mix energético futuro en algo meramente circunstancial. Además, su carácter renovable debe ser matizado, ya que la producción agrícola necesaria para cubrir las necesidades energéticas del transporte mundial es totalmente inviable. - En el diseño de este tipo de vehículos alternativos se utiliza el concepto de efic iencia energética, con el fin de obtener el dimensionamiento más eficiente posible del sistema energético y de tracción. Para ello, una vez se conozca el uso al que está destinado el vehículo, en primer lugar se deberá determinar el ciclo de Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 247 El único dato de entrada requerido para obtener el predimensionamiento de la instalación es el número y tipo de vehículos que se prevén serán los usuarios de la hidrogenera. Así para los dos casos se obtiene: Caso 1 El número de vehículos es: 2 autobuses 6 turismos, Por lo tanto a la tabla se entra por la entrada correspondiente a este número de vehículos que es la segunda, ya que se pasa del límite de vehículos de la primera entrada (2 autobuses + 4 turismos) y está por debajo del límite de la segunda. Tabla 31. Entrada de la tabla Herramienta de Predimensionamiento solución al Caso 1 Fuente: Elaboración propia De este modo se determina directamente: - El número de dispensadores requeridos = 1 (si la presión de dispensado es la misma para todos los vehículos) - Cantidad de abastecimiento in situ y exterior, capacidad de almacenamiento que debe tener la instalación y coste aproximado, todo ello en función de siete tipos de abastecimiento de hidrógeno de la hidrogenera: CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 248 Jesús Gallego Navarro En caso de que la instalación no se tenga ninguna restricción de diseño y esté bien comunicada, se seleccionará la opción más barat a, es decir, el caso de abastecimiento exterior. Por lo tanto no se requerirá abastecimiento in situ , la cantidad de hidrógeno a abastecer desde el exterior es de 540 kilogramos al día y se requerirá un sistema de almacenamiento de 1890 kilogramos de hidrógeno, el equivalente a las pr evisiones de consumo de media semana, debido a que como ya se ha indicado, se ha presupuesto que el suministro se realiza dos veces a la semana. En el caso de que se tenga algún tipo de restricción de diseño, como que el hidrógeno se debe obtener a partir de energías renovables, porque, por ejemplo, la empresa quiere dar una imagen de empresa comprometida con el medio ambiente, se seleccionará la opción de electrolisis o 80% electrolisis + 20% suministro exterior. Por lo tanto, si sólo hay generación in situ mediante electrolisis, se deberán generar 540 kilogramos al día, se requerirá de un electrolizador de suficiente tamaño y un sistema de almacenamiento con capac idad para 540 kilogramos, las previsiones de consumo diario. Caso 2 El número de vehículos es: 150.000*0.01 = 1500 turismos Como se quieren 5 instalaciones: 1500/5 = 300 turismos por cada hidrogenera Por lo tanto a la tabla se entra por la entrada correspondiente a este número de vehículos que es la cuarta, ya que se pasa del límite de vehículos de la tercera entrada (hasta 171 turismos) y está por debajo del límite de la segunda (342 turismos). Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 249 Tabla 32. Entrada de la tabla Herramienta de Predimensionamiento solución al Caso 2 Fuente: Elaboración propia De este modo se determina directamente: - El número de dispensadores requeridos por hidrogenera = 2 (si la presión de dispensado es la misma para todos los vehículos) - Cantidad de abastecimiento in situ y exterior, capacidad de almacenamiento que debe tener la instalación y coste aproximado, todo ello en función de siete tipos de abastecimiento de hidrógeno de la hidrogenera. En función de las tecnologías con las que se quiera dotar a cada instalación, se realizará el predimensionado de los equipos. Si se opta por la opción más barata, será la que presenta un abastecimiento a las instalaciones exclusiv amente exterior, no requerirá de equipo de generación in situ y el equipo de almacenamiento de hi drógeno deberá tener capacidad para 7560 kilogramos de hidrógeno. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 250 Jesús Gallego Navarro 5.3. Dimensionamiento  de  Instalaciones  de  Hidrógeno  En este apartado de la tesis, el objetivo que persigue es desarrollar las bases funcionales de un modelo de cálculo que permita determinar cuáles deben de ser las principales características que debe reunir una estación de suministro de hidrógeno en función de las necesidades que debe ser capaz de cubrir y los condicionantes exteriores que la rodeen y establecer las bases funcionales de una posible herramienta informática que implemente este modelo de cálculo. 5.3.1. Modelo  de  cálculo  En el presente apartado de la tesis se van a recoger las especificaciones de requisitos, la descripción del nuevo sistema y la planificación del modelo de cálculo planteado. 5.3.1.1. Alcance  del  sistema  a. Estudio  de  la  solicitud  A continuación se van a plantear las necesidades a satisfacer por el sistema planteado. El objetivo final del modelo de cálculo es obtener una serie de resultados que se pueden div idir en seis grupos: 1. Estación de suministro de hidrógeno 2. Sistema de abastecimiento de hidrógeno 3. Mantenimiento de instalaciones y flotas 4. Costes 5. Seguimiento Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 251 A continuación se detalla cada uno de estos grupos: 1. Estación de suministro de hidrógeno: Dentro del conjunto de resultados pertenecientes a este grupo, se encuentran los siguientes: - Número de estaciones de suministro necesarias. - Características de las mismas: o Extensión de terreno requerido. o Dimensiones de los sistemas de almacenamiento. o Número de dispensadores. o Presiones de suministro. o Consumo de hidrógeno. - Ubicación geográfica. Estos resultados dependerán de los siguientes factores: o Comunicaciones existentes y necesarias. o Modo de abastecimiento del hidrógeno. o Características de urbanización. o Tipo de suelo. 2. Sistema de abastecimiento de hidrógeno Se deberá determinar: - Si se apuesta por una producción propia de hidrógeno o se compra a un tercero. - Si se produce de forma centralizada o descentraliza, ya sea in situ, o en pequeñas estaciones de producción intermedias. - En el caso de producción centralizada o en estaciones intermedias, debe determinarse la logística de abastecimient o que optimice el proceso tanto técnica como económicamente: desde donde parte el hidrógeno, como se transporta, por dónde y hasta dónde. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 252 Jesús Gallego Navarro 3. Mantenimiento de instalaciones y flotas El modelo de cálculo deberá facilitar la ubicación apropiada de los talleres y centros de mantenimiento y asistencia según las previsiones de actividad. 4. Costes Normalmente, los costes son uno de los factores determinantes en la toma de decisiones. Por ello es importante proporcionar unos costes lo más aproximados posibles, tanto de la instalación en general, como de los cost es desglosados de todas las partidas por separado. Para lograr resultados lo más aproximados a la realidad, existirá la opción de introducir, por parte del usuario, los precios y costes actualizados de todos los equipos y operaciones. A continuación se recogen todos los costes que deberán ser atendidos por el sistema, si bien, no todos deberán contemplarse en todas las configuraciones de instalación elegidas por el usuario, o recogidas por el modelo de cálculo. - Costes de mantenimiento: o Mano de obra: salarios, formación o Materiales o Instalaciones o Equipos - Costes de operación: o Mano de obra: salarios, formación o Materiales o Instalaciones o Equipos - Coste de abastecimiento del hidrógeno: o Coste de producción de hidrógeno: Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 253  Energía eléctrica  Combustible  Coste de los equipos: x Equipo de pretratamiento de agua x Electrolizador x Reformador x Purificador x Compresor x Licuefactor x Evaporador x Tanque/depósito/botellas de almacenamiento HCG x Tanque/depósito criogénicos de almacenamiento HL x Coste de instalación  Coste de las instalaciones o Coste de adquisición del hidrógeno:  Precio por kilogramo del hidrógeno adquirido a un tercero o Coste de transporte del hidrógeno:  Tubería  Bomba de presión  Compresor  Camión cisterna HCG  Plataforma botellas HCG  Camión cisterna criogénica HL  Bomba criogénica - Coste de la hidrogenera: o Compresor o Licuefactor o Evaporador o Tanque/depósito/botellas de almacenamiento HCG o Tanque/depósito criogénicos de almacenamiento HL CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 254 Jesús Gallego Navarro o Dispensador de hidrógeno gas o Dispensador de hidrógeno líquido o Coste de instalación - Coste del terreno: o Adquisición de parcela o Urbanización o Accesos o Servicios 5. Seguimiento El sistema permitirá realizar un seguimiento del comportamiento de la instalación y su empleo a través del análisis estadístico de dif erentes variables en diferentes marcos temporales, reflejados en forma de tablas o gráficas. Las variables registradas serán las siguientes: - Consumos. - Visitas. - Costes de operación. - Incidencias. Estos resultados no deben ser independientes, sino que deben relacionarse los unos con los otros, es decir, el modificar, por ejemplo los costes, puede producir una variación de la ubicación óptima de la estación de suministro o de las instalaciones de mantenimiento. b. Identificación  del  alcance  del  sistema  El método de cálculo debe dar solución a las incógnitas previstas en el punto anterior, con el fin último de lograr un criterio decisional que permita ubicar con garantías una estación de suministro de hidrógeno atendiendo a criterios económicos, técnicos y medioambientales, a la Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 255 vez que permita realizar un seguimiento de la instalación a partir de datos estadísticos de registros históricos de resultados. Con el fin de lograr un resultado lo más fiel a la realidad posible, es imprescindible que el modelo de cálculo se nutra de datos reales y actualizados referentes a las variables iniciales que planteará el sistema. Para la elaboración de la herramienta se parte de la premisa de que, aunque se conocen cuáles son las demandas y se determinarán los elementos que deben incluirse en la instalación de hidrogenera, esta elección se realiz ara de acuerdo al criterio de cubrir la demanda en función del sistema de abastecimiento de hidrógeno, los costes y el espac io disponible, por el contrario, aspectos como el diseño interno y la arquitectura pormenorizada de la instalación no es tenida en cuenta. Se podría decir que la herramienta de cálculo se sirve de datos técnicos, medioambientales y económicos para concluir en una serie de resultados finales de alto contenido logístico, de gran valor a la hora de enfrentarse con un proyecto de estas magnitudes. El desarrollo y planteamiento debe realizarse teniendo en cuenta el estado del arte de la tecnología actual relacionada con las tecnologías del hidrógeno aplicadas al sector transporte, con el fin de asegurar unas soluciones acorde con los últimos avances técnicos y en base a los procedimientos alcanzados. c. Especificación  del  alcance  del  estudio  de  viabilidad  del  sistema  A continuación se detallan las fases y las actividades de que consta el proceso de desarrollo del modelo de cálculo. Aunque deberán realizarse en el orden expuesto, las últimas deberán realimentar a las primeras conforme vayan surgiendo problemas o se localicen nuevas oportunidades. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 256 Jesús Gallego Navarro El proceso total de desarrollo del modelo de cálculo se divide en cuatro fases, y cada una de ellas a su vez de subdivide en varias actividades: FASE 1 : Análisis de requisitos y especificaciones del modelo de cálculo Fase en la que, a partir de las necesidades expuestas por el usuario final, se establecen las bases para el desarrollo del modelo de cálculo. A partir del análisis de estas nec esidades, se determinan los principios técnicos y conceptuales que permiten solucionar la problemática planteada. En esta primera fase se llevan a cabo las siguientes actividades: - Análisis de las necesidades planteadas y reflexión sobre los resultados finales a obtener. - Análisis de la situación actual y de los precedentes existentes a nivel técnico. Actividad de gran utilidad a la hora de ayudar a enfocar las soluciones a desarrollar. - Estudio de viabilidad. Recoge el punto de partida del modelo de cálculo y facilita su futuro desarrollo. - Determinación de las características y especificaciones con las que deberá contar el modelo de cálculo atendiendo a los resultados finales deseados. - Programación de tareas. Constituye en sí misma una herramienta de control de plazos que facilitará el desarrollo del modelo de cálculo en el periodo de tiempo deseado. FASE 2 : Diseño del modelo de cálculo Un buen diseño, permite facilitar mucho el trabajo de desarrollo del modelo de cálculo. En esta fase, a partir de las especificaciones inic iales que debe cumplir el modelo de cálculo, se determina el procedimiento a seguir por el sistema para lograr los resultados requeridos. Las actividades de que consta esta segunda fase son las siguientes: - Determinación de variables. Conjunto de datos tanto de partida como de salida, requeridos por el modelo para iniciar el cálculo. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru cturas eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 263 Figura 61. Esquema General Fuente: Elaboración propia CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 264 Jesús Gallego Navarro A continuación se seleccionará el modo que se utilizará para la producción del hidrogeno. Una vez se han determinado el número de hidrogeneras y el sistema de producción de hidrógeno, se considera si existe a priori alguna planta de producción de hidrogeno o hidrogenera que produzca hidrógeno in situ ( HP_insitu ), ya que esto determina el proceso a seguir: - No existe HP in situ : se tendrá que construir una planta como mínimo que produzca el hidrogeno y (n-1) a las que se les distribuya el hidrogeno, siendo n el número de hidrogeneras determinado en el cálculo del número de hidrogeneras. Este caso se estudia en el proceso que se ha denominado simulación_1 . - Existe HP in situ : en este caso se debe conocer si la planta existente es capaz de satisfacer la nueva demanda o no. En caso de no ser capaz, se tendrá que determinar si una posible ampliación de la planta cubriría la nueva demanda, es decir, examinando todas las posibles alternativas. Este caso se estudia en el proceso que se ha denominado simulación_2 . Si satisface la demanda, se deberá pasar directamente al proceso de ubicación y ajuste de las hidrogeneras de distribución. Es decir, no será necesario instalar ninguna planta o instalación de producción de hidrogeno, porque la existente es capaz de cubrir las necesidades existentes. Una vez estudiado el caso general, a continuación se estudia cada uno de los módulos para facilitar la compresión del funcionamiento global. A continuac ión se enumeran los diferentes módulos, junto con su color identificativo: 1. Calculo de la Demanda de Hidrógeno y del Número de Hidrogeneras – Naranja 2. Selección Sistema de Producción de Hidrógeno – Verde 3. Proceso de Decisión – Azul 4. Simulación_1 Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 265 5. Simulación_1.1 – Amarillo 6. Simulación_1.2 – Amarillo 7. Simulación_2 – Gris 8. Ubicación y Ajuste – Morado a. Cálculo  del  Número  de  Hidrogeneras  Figura 62. Cálculo Número Hidrogeneras Fuente: Elaboración propia Las entradas de este módulo se corresponden con los consumos medios de todos los tipos de vehículos, el número estimado de vehículo s de cada tipo demandantes de hidrogeno y la capacidad de distribución media de una hidrogenera. Los tipos de vehículos considerados son turismos, autobuses y otros vehículos pesados, todos ellos con unos consumos de hidrógeno medios elevados. La demanda total de hidrógeno se determinará a partir de las Ec. 9, Ec. [Ec. 1010 , Ec. 11, Ec. 12 y Ec. 13 mostradas anteriormente. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 266 Jesús Gallego Navarro Dividiendo la demanda prevista total por la capac idad de distribución máxima de una hidrogenera, considerando tanto los tiempos requeridos para el dispensado, como los tiempos de espera entre repostaje, se determinará en una primera aproximación del número de hidrogeneras necesarias. Las salidas de este módulo de cálculo no constituyen salidas de la herramienta, sino resultados intermedios utilizados por el resto de los procesos. b. Selección  Sistema  de  Producción  de  Hidrógeno  Este proceso se muestra en la Figura 63 donde se puede ver con más detalle. Figura 63. Selección Sistema de Producción de Hidrógeno Fuente: Elaboración propia Simplemente constará de un diálogo con el usuario, a través del cual, bien se solicitará a l usuario que seleccione el sistema de producción de hidrógeno deseado, obteniendo como respuesta el sistema la demanda energética requerido, o bien directamente recomendará el sistema de producción de hidrógeno, atendiendo principalmente a criterios de demanda, económicos y logísticos. De esta forma, este módulo proporcionará respuesta a la tec nología de producción de hidrógeno a utilizar: PH_tipox, donde x se refiere a electrólisis o reformado. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 267 c. Proceso  de  Decisión  Una vez seleccionado el sistema de producción del hidrogeno, se inicia un diálogo con el usuario con el objetivo de conocer si existe alguna hidrogenera con producción in situ o planta de generación de hidrógeno próxima a la hidrogenera. Figura 64. Definir Proceso de Simulación Fuente: Elaboración propia En caso que la respuesta sea negat iva, se iniciará el proceso que se ha denominado S imulación_1 . Además este proceso se dividirá a su vez en dos subprocesos denominados Simulación_1.1 y Simulación_1.2 . En caso que la respuesta sea positiva, se iniciara otro dialogo con el usuario. En primer lugar se solicitará la capacidad de pr oducción instalada y la demanda a la que está sometida. Si la suma de la demanda que ya tenía la instalación más la que ahora se plantea supera la capacidad de producción de la planta, se plantean dos casos: CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 268 Jesús Gallego Navarro a) Demanda actual más demanda anterior es inferior a la capacidad instalada; lo que implica pasar directamente al proceso de ubicación y ajuste, ya que no es necesario instalar o ampliar nuevas plantas de producción de hidrogeno. b) Demanda actual más demanda anterior es superior o igual a la capacidad inst alada; entonces entraremos en Simulación_2 , ya que es necesario realizar una ampliación de la instalación o crear nuevas plantas de producción de hidrogeno. Los módulos Simulación_1 y Simulación_2 se ejecutaran de forma reiterada. El número de simulaciones a realizar dependerá del número de hidr ogeneras n devueltas en el proceso de Cálculo de Número de Hidrogeneras . El estudio en ambos casos se iniciara considerando que solo se va a instalar una planta de producción de hidrogeno abastecida por la fuente de energía seleccionada y ( n-1 ) hidrogener as que serán abastecidas por camiones cisternas a partir del hidrogeno producido por la planta obtenida en el módulo Simulación_1.1 de la Figura 65 o en el módulo Simulación_2 de la Figura 67. El proceso se repetirá considerando que el número de plantas de producción de hidrogeno es m>1 hasta m=n y el número de hidrogeneras de distribución ( n-m ), por tanto, en este último caso denominado Simulación_1.2 y mostrado en la Figura 66, el número de reiteraciones será ( n-1 ). Una vez se disponga de todos los resultados, el usuario seleccionará aquella que reporte menor coste, mayor rendimiento o aquella que presente unas prestaciones más favorables. Una vez haya terminado el proceso de simulación y el usuario haya seleccionado la opción resultante entre las posibles más acorde a sus objetivos, se iniciará el último módulo del modelo de cálculo planteado, denominado Ubicación y Ajuste . Antes de continuar, se debe aclarar que hasta ahora se ha supuesto que todas las hidrogeneras van a tener el mismo tamaño, es decir, todas van a distribuir la misma cantidad de hidrogeno. Sin embargo, estos resultados se someterán a un último módulo denominado Ajuste y Ubicación , que podrá hacer variar los resultados, repercutiendo en el aumento de tamaño de algunas hidrogeneras o su reducción, con la consecuente reducción o aument o del número de hidrogeneras respectivamente. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 269 d. Simulación_1  Simulación_1.1 Figura 65. Simulación_1.1 Fuente: Elaboración propia El proceso Simulación_1 se ejecutará en el caso de que no exista hidrogenera con producción in situ o planta de producción de hidrogeno próxima a la hidrogenera. En este caso, en el módulo Simulación_1.1 , se simulará que sólo una planta de producción va a abastecer a las n hidrogeneras, es decir, esa instalación va a ser la encargada de producir toda la demanda de hidrógeno resultado del proceso Cálculo del Número de Hidrogeneras . Por tanto, en este caso, resulta justificado que el análisis comience preguntando al usuario si existe capacidad de generación de energía para su utilizac ión como fuente de energía primaria en el proceso de producción del hidrógeno, cualquiera que sea la tecnología empleada. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 270 Jesús Gallego Navarro 1. En caso afirmativo: Se pregunta si la energía producida es capaz por si sola de abastecer al sistema de generación de hidrogeno, instalando la planta de producción de hidrogeno en las inmediaciones. 1.1. En caso de que la energía producida sea suficiente para abastecer a la planta, los costes resultantes serán los siguientes: coste de construcción de la planta de producción más el coste de implantación de ( n-1 ) hidrogeneras de distribución; Coste 1.1.1 de la Figura 65. 1.2. En caso de que la energía producida no sea suficiente para abastecer por si misma a la planta de producción, se obtendrán dos posibles resultados en función de si es posible ampliar las instalaciones de generación de energía o no: 1.2.1. Existe la posibilidad de ampliar las instalaciones. En este caso se podrá ubicar la planta de producción de hidrogeno y los costes totales serán: costes de la opción anterior: Coste 1.1.1 , más el coste de la ampliación de la fuente de energía: Coste 1.1.2 . 1.2.2. No existe la posibilidad de ampliar las instalaciones; ver caso 2 a continuación. 2. En caso negativo, deberá financiarse la construcción de unas nuevas instalaciones de producción de energía, a lo que habría que sumar los costes del apartado 1.1 o el Coste 1.1.1 , dando lugar a lo que se ha denominado Coste 1.1.3 . Simulación_1.2 En la Simulación_1.2 , se simula con la hipótesis de que m plantas de producción van a abastecer a las ( n-m ) hidrogeneras, es decir, cada una de las m plantas de producción se van a dedicar a producir una parte de la demanda total (producción = demanda total/m). Por lo tanto, al contrario que ocurre en el caso anterior, no se va a preguntar si existe fuente de energía que abastezca las instalaciones, ya que el objetivo es situar las en distintos y dispares puntos de forma que se abastezcan a partir de su propia fuente de energía. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 271 Figura 66. Simulación_1.2 Fuente: Elaboración propia Como se ha mencionado anteriormente, este proceso se ejecutara ( n-1 ) veces, considerando todos los posibles casos. Es decir, desde m=2 hasta m=n plantas de producción de hidrogeno obteniendo ( n-1 ) veces el Coste 1.2 ., reflejado en la Figura 66. En este módulo se calcularán los costes que suponen la instalac ión de la fuente de energía necesaria para abastecer una planta de producción del tamaño correspondiente más el cost e de construcción de la propia planta de producción. Al hacer el producto por m , se tiene e l coste total de las m hidrogeneras de producción in situ abastecidas por la fuente de energía x . Por otro lado, al multiplicar por ( n-m ) el coste de instalar una planta de distribución, se obtendrá el coste total de las hidrogeneras distribuc ión. Por último para obtener el coste total, se suman los dos resultados anteriores y se tiene el Coste 1.2. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 272 Jesús Gallego Navarro e. Simulación_2  Figura 67. Simulación_2 Fuente: Elaboración propia Este submódulo recoge los casos en el que existe una hidrogenera en la que se realiza producción in situ del hidrógeno necesario o en que existe una planta de producción de hidrógeno en una localización próxim a a la hidrogenera, pero que cuenta con la particularidad que por ella misma no es capaz de abastecer toda la nueva demanda (la demanda total calculada en el proceso de Cálculo del Número de Hidrogeneras ) más la demanda anterior. El proceso comenzará con un diálogo con el usuario en el que se solicitará información sobre la posibilidad de ampliación de la instalación de producción existente para dar cabida a la nueva producción. 1. En caso afirmativo, se deberá conocer si la fuente de energía puede dar suministro a la ampliación de dicha instalación de producción de hidrógeno: 1.1. Si la respuesta es positiva, se consideraran los costes de la ampliación de la planta de producción de hidrogeno más los costes de la creación de ( n-1 ) plantas de distribución de hidrogeno, obteniendo el C oste 2.1 de la Figura 67. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 279 - Si se trata de producción in situ mediante reformado: GN e combustibl COSTE COSTE [Ec. 22] año días MJ MWh PCI Q COSTE GN reformador O H H GN 365 € ) 10 6 , 3 ( 3 2 2 u u » » » » ¼ º « « « « ¬ ª u u u  K [Ec. 23] donde: 2 H Q , es la demanda diaria de hidrógeno en kg/día. O H PCI 2 , representa el poder calorífico inferior del hidrógeno (120 MJ/kg ó 0,11374 MMBtu/kg). reformador K , es la eficiencia del proceso de producción de hidrógeno. GN € , es el precio del gas natural utilizado. Se propone como prec io medio de referencia el precio de gas para el cuarto trimestre del 2010, incluidos los c omponentes por mermas y primas de riesgo, que es de 21,56 €/MWh (CNE 2010 [92 ]). Coste de los equipos En función del tipo de abastecimiento, almacenamiento y distribución del hidrógeno se incluirá el coste de los equipos que correspondan de entre los siguientes: - Equipo de pretratamiento de agua - Electrolizador CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 280 Jesús Gallego Navarro - Reformador - Purificador - Compresor - Licuefactor - Evaporador - Bomba criogénica - Tanque/depósito/botellas de almacenamiento HCG - Tanque/depósito criogénicos de almacenamiento HL - Dispensador Se considera el coste anual de los diferentes equipos. En los estudios consultados no existe uniformidad en lo que se refiere a la vida útil de los equipos e instalaciones, que por otra parte dependerá del grado de utilización de los mismos y del adecuado mantenimiento de esas instalaciones. Para calcular el coste anual que se supone para cada equipo, de utilizará el factor de recuperación de capital, definido como el factor que transforma un valor presente a serie de pagos uniformes equivalentes y cuya fórmula es: » ¼ º « ¬ ª   u  1 ) ) 1 (( ) ) 1 (( n n i i i FRC [Ec. 24] donde: FRC , representa al Factor de Recuperación del Capital. i , es el tipo de interés. Como referencia se considerará el Euribor en el año 2011, estableciéndose un rango de 0,1 a 0,3 puntos. Se propone que el tipo de aplicación se mantenga en el 2%. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 281 ni , es el periodo de amortización ó tiempo esperado de vida del equipo. A falta de referencias que avalen una vida útil de los equipos e instalac iones, se considera un periodo de vida para todas las instalaciones y equipos de 20 años. Así, el coste total de los equipos se obtiene a partir de la siguiente ecuación: ) ) . (( 1 ¦ u u n i i i Equipo equipos FRC equipo N COSTE COSTE [Ec. 25] donde: i Equipo COSTE , representa el valor de cada equipo concreto [€]. i equipo N . , es el número de equipos de igual marca, modelo y precio. i FRC , representa al Factor de Recuperación del Capital para cada equipo en concreto. El tamaño, y por tanto el coste de los equipos, se seleccionará con el fin de que cubran la demanda de hidrógeno diario. En el caso de los equipos de almacenamiento, deberán tenerse en cuenta los periodos de tiempo prees tablecidos: para los casos de generación in situ , se tratará de almacenamiento para cubrir el doble de la demanda diaria (por motivos de seguridad); para el caso de abastecimiento exterior de hidrógeno mediante vehículo industrial, se supondrá que el camión realiza el reparto 2 veces a la semana. Coste de la energía El coste variable anual de la energía eléctrica consumida en el proceso global de producción, almacenamiento y producción de hidrógeno en la hidrogenera se calcula mediante la expresión: CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 282 Jesús Gallego Navarro ) ( ) ( 1 1 2 ¦ ¦  n i equipo Energía n i O H producción Energía COSTE COSTE COSTE [Ec. 26] El coste de la electricidad varía considerablemente de un lugar en función de los recursos disponibles y la tecnología de producción utilizada. El consumo de energí a y el precio de la misma determinarán el coste energético para cada modo de suministro. Para España se ha tomado como referencia, el precio medio de la energía eléctrica [€/MWh] establecido para el primer trimestre del 2011 por el Ministerio de Industria, Comercio y Turismo a través de la Resolución de 31 de enero de 2011, de la Dirección General de Política Energética y Minas [93], fijando su valor en 47,75 €/MWh, o lo que es lo mismo, 4,775 c€/kWh. El coste variable anual de energía referido a la producción de hidrógeno, ya sea mediant e electrolisis o reformado de gas, se calcula mediante la siguiente ecuación: año días T P COSTE eléctrica Energía producción ento funcionami equipo O H prod uc ció n 365 € 2 u u u [Ec. 27] donde: equipo P , es la potencia máxima consumida por el equipo de producción de hidrógeno [kW]. eléctrica Energía € , es el precio medio de la energía eléctrica [€/MWh], en este caso establecido para el primer trimestre del 2011 por el Ministerio de Industria, Comercio y Turismo a través de la Resolución de 31 de enero de 2011, de la Dirección General de Polític a Energética y Minas [93], fijando su valor en 47,75 €/MWh. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 283 ento funcionami T , representa las horas diarias [h/día] en las que debe permanecer en funcionamiento el equipo para producir el hidrógeno diario demandado. Si se trata de equipos de producción se calcula a partir de la siguiente ecuación: equipo H ento funcionami Q Q T 2 [Ec. 28] donde: 2 H Q , es la demanda diaria de hidrógeno en kg/día. equipo Q , es el caudal de producción de hidrógeno particular de cada equipo, en kg/hora. Tabla 34. Conversión de unidades de producción de hidrógeno Fuente: Elaboración propia Conversión de unidades de producción de H 2 a kg/h 1 kg/día 1/24 = 0,04166667 kg/h 1 ml/min 0,000005394 kg/h 1 l/min 0,005394 kg/h 1 cm 3 /min 0,000005394 kg/h 1 Nm 3 /día 0,003745833 kg/h 1 Nm 3 /h 0,0899 kg/h El gasto variable anual de energía generado por el equipo de pretratamiento de agua y el purificador se calcula mediante la siguiente ecuación: año días T P COSTE eléctrica Energía r purifica do iento pretarat am ento funcionami equipo r purifi cado ento pretratami Energía 365 € / / u u u [Ec. 29] donde: CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 284 Jesús Gallego Navarro equipo P , es la potencia máxima consumida por el equipo [kW]. eléctrica Energía € , es el precio medio de la energía eléctrica [€/MWh], en este caso establecido para el primer trimestre del 2011 por el Ministerio de Industria, Comercio y Turismo a través de la Resolución de 31 de enero de 2011, de la Dirección General de Polític a Energética y Minas [93], fijando su valor en 47,75 €/MWh. r purificado ento pretratami ento funcionami T / , representa las horas diarias [h/día] en las que debe permanecer en funcionamiento el equipo. Coincide con ento funcionami T El gasto variable anual de energía generado por compresor, evaporador y bomba criogénica, se calcula mediante la siguiente ecuación: año días T P COSTE eléctrica Ener gí a ento funcionami equipo bomba evaporador compresor Energía 365 € / / u u u [Ec. 30] donde: equipo P , es la potencia máxima consumida por el equipo [kW]. eléctrica Energía € , es el precio medio de la energía eléctrica [€/MWh], en este caso establecido para el primer trimestre del 2011 por el Ministerio de Industria, Comercio y Turismo a través de la Resolución de 31 de enero de 2011, de la Dirección General de Polític a Energética y Minas [93], fijando su valor en 47,75 €/MWh. ento funcionami T , representa el tiempo diario, en horas [h/día] en las que debe permanecer en funcionamiento el equipo. Dependerá de si los equipos se encuentran en etapas previas al almacenamiento o al dispensado de hidrógeno. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 285 El gasto variable anual de energía generado por el licuefactor se calcula mediante la siguiente ecuación: año días MJ MWh E Q COSTE eléctrica Energía ón licuefacci H r licuefacto Energía 365 € ) 10 6 , 3 ( 3 2 u u u u u  [Ec. 31] donde: 2 H Q , es la demanda diaria de hidrógeno en kg/día. ón li cuef acc i E , es la energía teórica para la licuefacción del hidrógeno es de 11.8 MJ/kg aunque si la conversión transcurre durante la licuefacción la energía necesaria se eleva hasta 14,1MJ/kg. eléctrica Energía € , es el precio medio de la energía eléctrica [€/MWh], en este caso establecido para el primer trimestre del 2011 por el Ministerio de Industria, Comercio y Turismo a través de la Resolución de 31 de enero de 2011, de la Dirección General de Polític a Energética y Minas [93], fijando su valor en 47,75 €/MWh. Coste del abastecimiento exterior de hidrógeno El coste del abastecimiento exterior de hidrógeno dependerá de si se hace mediante vehículos industriales de gas comprimido, de hidrógeno líquido o mediante gaseoducto y dependerá de la demanda diaria de hidrógeno. - Hidrógeno gas comprimido El abastecimiento se realiza mediante remolques. En la hidrogenera un paso de compresión extra eleva a altas presiones parte del hidrógeno producido, necesario para el almacenamiento a bordo de vehículos (a 350 at m), mientras que el almacenamiento del remolque de cilindros se utiliza como la parte del sistema de baja presión de almacenamient o en cascada. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 286 Jesús Gallego Navarro De este modo, el coste anual de abastecimiento de hidrógeno corresponde con la siguiente expresión: reparto H HGC ento Abastecimi COSTE COS TE COSTE  2 [Ec. 32] donde: 2 H COSTE , es el coste, en €, del hidrógeno, según el precio fijado por el gasista. Se calcula a partir de la siguiente ecuación: repartos N y Q COSTE H H H º € ) ( 2 2 2 u u u [Ec. 33] donde: 2 H Q , es la demanda diaria de hidrógeno en kg/día. y , representa el plazo, en días, que existe entre dos entregas sucesivas. Como ya se ha indicado anteriormente, para el caso de abastecimiento exterior de hidrógeno mediant e vehículo industrial, se supondrá que el camión realiza el reparto 2 veces a la semana, por tanto supondremos una capacidad de almacenamiento de 4 veces la demanda diaria; lo que supone un abastecimiento exterior equivalente a esas 4 veces la demanda diaria. Por lo tanto, en este caso particular 4 y . 2 € H , es el precio del kilo de hidrógeno fijado por la empresa gasista distribuidora. repartos N º , es el número de repartos que se producen anualmente. Responde a la fórmula: Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 287 año repartos reparto días y año días repartos N 4 365 365 º [Ec. 34] reparto COSTE , es el coste, en €, que corresponde al reparto del hidrógeno hasta que llega a la hidrogenera, es decir, el coste del transporte en vehículo industrial desde la estación de producción hasta la hidrogenera. Responde a la siguiente ecuación: repartos N COSTE camión reparto º € u [Ec. 35] donde: camión € , es el coste de cada entrega de semirremolque de hidrógeno. repartos N º , es el número de repartos que se producen anualmente. - Hidrógeno gas licuado Cada vehículo industrial de hidrógeno líquido c onsiste en una cabina de vehículo industrial y un único tanque de hidrógeno líquido montado sobre un remolque. No es práctico dejar el remolque de hidrógeno liquido en la hidrogenera, siendo diferent e al caso de remolques de cilindro de gas comprimido (C. Yang, J. Orden, 2006 [94]). El número de cabinas de vehículo industrial es siempre igual al número de remolques de tanque de hidrógeno líquido. Por ello se puede asumir que en cada viaje el vehículo industrial visita a una única hidrogenera, donde descarga el contenido de la carga antes de volver a la planta central (en lugar de realizar múltiples paradas descargand o pequeñas cantidades hidrógeno líquido en cada estación). CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 288 Jesús Gallego Navarro De este modo, el coste anual de abastecimiento de hidrógeno corresponde con la siguiente expresión: reparto H HGL ento Abastecimi COSTE COS TE COSTE  2 [Ec. 36] donde: 2 H COSTE , es el coste, en €, del hidrógeno, según el precio fijado por el distribuidor. Se calcula a partir de la siguiente ecuación: repartos N y Q COSTE H H H º € ) ( 2 2 2 u u u [Ec. 37] donde: 2 H Q , es la demanda diaria de hidrógeno en kg/día. y , representa el plazo, en días, que existe entre dos entregas sucesivas. Como ya se ha indicado anteriormente, para el caso de abastecimiento exterior de hidrógeno mediant e vehículo industrial, se supondrá que el camión realiza el reparto 2 veces a la semana, por tanto supondremos una capacidad de almacenamiento de 4 veces la demanda diaria; lo que supone un abastecimiento exterior equivalente a esas 4 veces la demanda diaria. Por lo tanto, en este caso particular 4 y . 2 € H , es el precio del kilo de hidrógeno fijado por la empresa gasista distribuidora. repartos N º , es el número de repartos que se producen anualmente. Responde a la fórmula: Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 295 Estos valores de rendimiento no incluyen el proceso en sí de transporte, únicamente las pérdidas energéticas por las pérdidas y desaprovechamiento de hidrógeno, o por los procesos de regasificación que se dan en las diferentes opciones de distribución. 5.3.2. Implementación  del  modelo  de  cálculo  Para llevar a cabo la implementación de la herramienta de cálc ulo en un software específico, ha sido necesario realizar un proceso de traducción al lenguaje de programación de los procesos de decisión y cálculos determinados en la fase de diseño del modelo de cálculo. Para ello, se han desarrollado las siguientes actividades: - Elección del lenguaje de programación y creación del código. Se elige el tipo de lenguaje de programación en función de las variables y los objetivos a satisfacer. - Traducción al lenguaje de programación de los procesos de decisión y c álculos determinados en la fase de diseño del modelo de cálc ulo. - Definición de un diccionario de datos que facilite la localizac ión de las diferentes variables y su significado. - Definición de unas bases de datos que recojan los diferentes listados con las especificaciones técnicas de los diversos equipos de los que s e componen una estación de suministro de hidrógeno o de producción de hidrógeno; o los c ostes estimados de todas las variables de entrada consideradas. Los requisitos que debe satisfacer el sistema, y que se ext raen de las necesidades planteadas por el usuario final, se definen y catalogan en funcionales y no funcionales. Los primeros especifican las operaciones y funcionalidades que debe ofrecer el sistema, los segundos detallan aspectos relativos a datos, interfaces y hardware. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 296 Jesús Gallego Navarro Tabla 36. Requisitos Funcionales a satisfacer por el software Fuente: Elaboración propia Descripción El administrador del sistema es el único que tiene poderes totales sobre la aplicación. El sistema permite añadir, borrar, modificar y consultar cualquier información disponible. El administrador es el encargado de gestionar la base de datos, aunque un usuario puede consultar - actualizar los datos de las operaciones en la base de datos. Los resultados intermedios que se generan durante el proceso de cálculo hasta que se llega a la solución final se guardan en tablas intermedias de la base de datos, para poder utilizar estos datos resultantes en los siguientes procesos. Las tablas intermedias van a ser eliminadas al terminar la sesión, quedando sólo los resultados finales. Las tablas intermedias contendrán datos relativos a las soluciones intermedias que se utilizan para conseguir que las soluciones finales sean más factibles. El sistema irá devolviendo información en diferentes grados de dificultad según se vaya avanzando en el proceso de cálculo de la aplicación. El sistema dispone de unos costes estimados asociados a todo lo referente a la hidrogenera. El usuario puede consultar la información relativa a la normativa actual que concierne a una hidrogenera. La base de datos va a estar en continua actualización, de manera que los datos de los que se dispone se asemejen en la mayor medida posible a la realidad. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 297 Tabla 37. Requisitos No Funcionales a satisfacer por el software Fuente: Elaboración propia Descripción La aplicación dispone de un interfaz gráfico basado en ventanas y diálogos. El proceso para realizar las operaciones es un mecanismo de sucesión de ventanas o proceso guiado, en el que el usuario no avanza hacia la siguiente opción hasta que no ha concluido la anterior. El sistema se ejecutará en un entorno Windows con máquina virtual Java y bases de datos MySQL. No debe haber pérdidas en caso de caídas del sistema. Una operación realizada con éxito no mostrará ningún mensaje de confirmación de la operación, simplemente permitirá avanzar hacia la siguiente ventana del sistema de decisión. Una operación que no ha sido realizada con éxito abrirá un mensaje indicando la causa del error. La base de datos debe ser accesible desde una red local. El hardware necesario será un servidor con la aplicación, la base de datos y un sistema gestor de base de datos, accesible por los ordenadores de la empresa de forma que el usuario trabaje con la aplicación a través de un navegador. La aplicación irá evolucionando con el paso del tiempo, adaptándose a las evoluciones de las hidrogeneras. 5.3.2.1. Diagramas  de  eventos  o  iteración  de  objetos  El objetivo de esta tarea es describir la cooperación entre los objetos utilizados para la realización de un caso de uso. Para representar esta información, se usan diagramas de interacción que contienen instancias de los actores participantes, objetos, y la secuencia de mensajes intercambiados entre ellos. Se pueden establecer criterios para determinar que tipo de objetos y mensajes se van a incluir en estos diagramas, como por ejemplo: si se incluyen objetos y llamadas a base de datos, objetos de interfaz de usuario, de control,… CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 298 Jesús Gallego Navarro Estos diagramas pueden ser tanto de secuencia como de colaboración, y su uso depende de si se quieren centrar en la secuencia cronológica o en cómo es la comunicación entre los objetos. a. Diagrama  de  colaboración  Los diagramas de colaboración muestran las interacciones que ocurren entre los objetos que participan en una situación determinada. Nivel  de  dimensionamiento  Figura 70. Diagrama de colaboración proceso funcional dimensionamiento Fuente: Elaboración propia El sistema consulta la tabla de vehículos de la base de datos y se la muestra en una lista al usuario, el cual selecciona los que quiere utilizar en su flota y además pudiendo añadir nuevos vehículos que el desee para diseñar sus hidrogeneras. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 299 El sistema guarda los datos característicos de la flota en la base de datos, y consulta la tabla de dispensadores para mostrárselos al usuario, de forma que esté seleccione los que desee utilizar, pudiendo añadir otros modelos. Por último, el sistema guarda en la base de datos las opciones de dimensionamiento resultantes del cálculo interno de posibles opciones que se pueden utilizar de acuerdo a criterios específicos (coste, tiempo entre repostaje, etc) y a la demanda de la flota selecciona anteriormente, y le comunica al usuario que ha acabado con este nivel par a que pueda continuar. Nivel  de  tecnología  Figura 71. Diagrama de colaboración proceso funcional tecnología Fuente: Elaboración propia En este apartado, en primer lugar el sistema consulta las características de la flota anteriormente seleccionada y, también consulta las opciones de tecnología que existen para calcular las posibles opciones de abastecimiento y /o producción de hidrogeno que puede CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 300 Jesús Gallego Navarro haber de acuerdo a las características de la flota con la que se está diseñando las estaciones, sobre todo, con la demanda total. Conocidas las opciones posibles, el sistema se las muestra al usuario para que realiza la selección que el desee sobre las que dispone, para que con esa última selección el sistema calcule los dispositivos necesarios para cada opción y la superficie que se necesita para su instalación en cada estación de repostaje. Por último, el sistema guardar las opciones de abastecimiento y/o pr oducción resultantes junto con sus características en la base de datos y se le comunica al usuario el fin de este nivel. Nivel  de  cálculo  combinatorio  Figura 72. Diagrama de colaboración proceso funcional cálculo combinatorio Fuente: Elaboración propia El sistema consulta en la base de datos las opciones resultantes de los apartados anteriores de dimensionamiento y tecnología para trabajar en la combinación de ellas. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 301 Por otro lado, le comunica al usuario cual es la opción de cálculo que quiere realizar, es decir, selección manual de las opciones para combinarlas, o selección mediante criterios específicos que restrinjan las opciones. Seguido de esto el sistema realiza c álculos internos de combinación de todas las opciones para el diseño de hidrogeneras según una flota determinada, guardando los resultados finales en la base de datos y mostrándoselos al usuario como último paso de la aplicación. b. Diagramas  de  secuencia  Los diagramas de secuencia muestran el intercambio de mensajes (es decir la forma en que se invocan) en un momento dado. Los diagramas de secuencia ponen especial énfasis en el orden y el momento en que se envían los mensajes a los objetos. - Los diagramas de secuencia ilustran la interac ción entre objetos y el orden secuencial en el que ocurren dichas interacciones, es decir cómo se comunican los objetos entre sí. - Los objetos se comunican mediante interfaces, para poder invocar a un operación. - El diagrama de secuencias proporciona un camino a partir de los escenarios para describir las operaciones en una forma más detallada - En un sistema orientado a objetos son estos últimos los que deben controlar a los datos, moverlos, responder preguntas, etc. Estos trabajan juntos comunicándose y/o interactuando con otros. - Los diagramas de secuencias se modelan a nivel de objetos y utiliz an tres elementos fundamentales: objetos, mensajes/estímulos y líneas de vida de los objetos. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 302 Jesús Gallego Navarro Figura 73. Diagrama de secuencia proceso funcional Fuente: Elaboración propia El usuario comienza a trabajar con la aplicación informática, seleccionando los vehículos que va a disponer en su flota para el diseño de las hidrogeneras donde van a repostar dichos vehículos. Estos vehículos se encuentran almacenados con sus características en la base de datos y el usuario los selecciona de una lista. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 303 Una vez definida la flota el sistema calcula la demanda total de la flota y el grado de abastecimiento que el usuario que quiere que se suministre en un determinado momento respecto al total de la demanda. Seguido de esto, se guardan las características generadas en la base de datos para posterior uso y el usuario selecciona o elige los dispensadores que según s us propiedades quiere que lleven sus estaciones de suministro. Además el usuario puede añadir nuevos dispensadores al sistema. Una vez elegidos, el sistema calcula los tipos de dispensadores que se pueden utilizar en las estaciones y guarda los resultados. En el nivel de tecnología, el sistema muestr a al usuario las características de la flota seleccionada anteriormente y las posibles opciones de tecnología que se pueden dar. Según las características de la flota el sistema restringe las posibles opciones de abastecimiento y producción de hidrogeno, pudiendo además, el usuario restringir aun más las opciones de tecnología, antes de calcular los posibles dispositivos que se van a utilizar en cada opción y la superficie que va a ocupar todo el conjunto de aparatos tecnológicos. El sistema guarda las opciones finales para su posterior uso. 5.3.2.2. Algoritmo  de  cálculo  combinatorio  Para que la implementación del modelo de cálculo sea exitosa deberá contarse con un algoritmo de cálculo encargado de decidir en un tiempo de respuesta reducido cuál es la mejor combinación de entre las posibles. Este algoritmo debe basarse en técnicas de optimización novedosas basadas en algoritmos heurísticos, los cuales permiten combinaciones adaptadas a la extensa casuística que se puede generar en el caso estudiado en esta tesis. Se deben explorar todas las combinaciones posibles y elegir la mejor en función del criterio a optimizar, que puede ser el coste, la calidad del servicio, el coste medio ambiental o una combinación de ellas. La explosión de combinaciones posibles y la justificación del uso de la heurística se explican a continuación. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 304 Jesús Gallego Navarro A partir de la demanda y de datos referentes a los tiempos de suministro que constan en la base de datos se puede calcular el número de dispensadores necesarios para un primer dimensionamiento de la hidrogenera. Con este dato (número de dispensadores posibles), las tecnologías disponibles (producción por electrólisis, producción por reformado, abastecimiento por tubería y abastecimiento por cisterna) y los datos del conjunto de zonas (superficie, accesibilidad, coste, instalaciones) se estudiarían todas las combinaciones posibles y se elegiría la mejor solución. Sin embargo, el tiempo computacional para realizar esto sería excesivo y por ello se utilizan los algorit mos heurísticos. Para com prenderlo se incluye el esquema de la figura siguiente, que presenta un caso sencillo. Figura 74. Ejemplo de caso de combinatoria Fuente: Elaboración propia En un primer nivel de dimensionam iento se devuelv en dos opciones, como m áximo puede tener dos dispensadores y como mínimo puede tener un dispensador. 1. Para la opción de dos dispensadores En el segundo nivel, hay dos combinaciones. Que los dos dispensadores se encuentren en una sola ubicación o en dos ubicaciones. P D 1 Z1 Z3 Z2 P A c A t D2 2 1 Z1 Z2 Z3 1 PE PR A c A t Nº dispensadores Dispensadores /ubicac ión Zonas Tecnolo g ía Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 311 Tabla 38. Datos de uso Línea 1 Tranvía de Zaragoza Fuente: CAF Franja horaria Frecuencia [min] Nº vehículos 5:00 - 7:00 15 6 7:00 - 10:00 5 18 10:00 - 17: 00 7 13 17:00 - 20: 00 5 18 20:00 - 22: 00 7 13 22:00 - 0:00 20 5 A partir de estos datos, y sabiendo que el tiempo a emplear por cada vehículo en el recorrido completo son 90 minutos, es posible calcular el número de viajes que realizará cada vehículo, y por lo tanto el número total de recorridos diarios. Así mismo se obtiene una velocidad media de circulación de 16,653 km/h. 5.3.3.3. Programa  Diario  de  Repostaje  De forma paralela a la obtención del número de recorridos a realizar por cada vehículo, es posible llevar a cabo un programa de repostaje compatible con la operación. Para ello es necesario conocer el tiempo que se tarda en realizar el repostaje de los tranvías (T repostaje ), en función de si han realizado uno, dos, tres o cuatro recorridos completos desde el último repostaje. Para ello se utiliza la Ec. 1[Ec. 1: Con los siguientes valores de referencia: T aproximación : 0,5 minutos. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 312 Jesús Gallego Navarro T preparación : 0,5 minutos. T salida : 1 minuto. T suministro es el tiempo que tarda en sí la operación de dispens ado. Para su cálculo se utilizará la siguiente fórmula, derivada de la Ec. 2: [Ec. 52] donde: T unitario representa el tiempo que cuesta el repostar un kilogramo de hidrógeno. Como valor de referencia se toma 1,282 min/kgH 2 , que es el valor medio recogido por el proyecto de demostración Hydrogen Fuel Cell Vehicle and Infrastructure Learning Demonstration del DoE [112], Figura 57, para las 21.854 operaciones de repostaje registradas en las hidrogeneras participantes. Demanda H 2 toma valores en función del número de recorridos que se hayan realizado desde el último repostaje. El hidrógeno consumido en un recorrido completo se obtiene multiplicando el consumo del tranvía por la distancia total de un recorrido, datos que han sid o proporcionados por CAF : Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 313 Tabla 39. Tiempos de repostaje en función del número de recorridos realizados Fuente: Elaboración propia a partir datos de CAF Nº Recorridos 1 2 3 4 T repostaje [min] 10 18 26 33 T aproximación [min] 0,5 0,5 0,5 0,5 T preparación [min] 1 1 1 1 T salida [min] 0,5 0,5 0,5 0,5 T suministro [min] 7,686 15, 372 23, 058 30,743 De esta forma, a partir de los datos referentes a hor arios y frecuencias de la Tabla 38, los tiempos de repostaje mostrados en la Tabla 39, y sabiendo que un recorrido completo se realiza en 90 minutos, se obtienen el programa diario de repostaje mostrado en la Tabla 40. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infraestructuras del hidrógeno 314 Jesús Gallego Navarro Tabla 40. Programa de repostaje diario Fuente: Elaboración propia Número de Tranvía  Hora inicio recorrido con frecuencia cada 15 min  Hora inicio recorrido con frecuencia cada 7 min  Hora inicio recorrido con frecuencia cada 5 min  Hora inicio recorrido con frecuencia cada 20 min  Hora inicio y fin de repostaje en surtidor 1  Hora inicio y fin de repostaje en surtidor 2  Hora en la que el tranvía queda listo para su empleo la jornada siguiente Número de recorridos realizados diariamente por cada tranvía Coc he  1C o c h e  2C o c h e  3C o c h e  4C o c h e  5C o c h e  6C o c h e  7C o c h e  8C o c h e  9C o c h e  10 C o c h e  11 C o c h e  12 Co ch e  13 Co ch e  14 C o c h e  15 C o c h e  16 C o c h e  17 Co ch e  18 5: 00 5: 15 5: 30 5: 45 6: 00 6 : 15 6: 30 6: 45 7: 00 7: 20 7: 30 7: 35 7: 45 7: 50 8: 00 8: 05 8: 1 5 8: 20 6: 30 Ͳ 6: 40 6: 4 5 Ͳ 6: 55 7: 00 Ͳ 7: 10 7: 15 Ͳ 7: 25 7 : 30 Ͳ 7: 40 7: 45 Ͳ 7 : 55 8: 0 0 Ͳ 8: 10 8: 15 Ͳ 8: 25 8: 30 8: 50 9: 00 9: 05 9: 1 5 9: 20 9: 30 9: 35 9: 45 9: 50 7: 05 7: 10 7: 15 7: 25 7: 40 7 : 55 8: 10 8: 25 10: 00 10: 21 10: 33 Ͳ 10: 51 10:35 Ͳ 10: 53 10: 49 1 0: 51 Ͳ 11: 09 11: 09 Ͳ 11:27 11 : 13 Ͳ 11: 31 11:27 Ͳ 11: 45 11: 31 Ͳ 1 1 :4 9 8: 35 8: 40 8: 45 8: 55 9: 10 9 : 25 9: 40 9: 55 11: 49 Ͳ 12: 15 12: 15 Ͳ 12: 41 10: 56 11: 03 12: 55 Ͳ 13 : 21 11: 10 1 1: 31 11: 38 11: 4 5 11: 52 10: 07 10: 14 10: 15 Ͳ 10: 3 3 10: 28 10: 42 10 : 55 Ͳ 11: 13 11: 24 11: 45 Ͳ 12: 0 3 12: 20 12: 41 12: 2 7 12: 4 8 13: 23 13: 02 1 3: 21 Ͳ 13: 31 13 : 30 13: 3 3 Ͳ 13: 43 14: 04 Ͳ 1 4 :1 4 11: 59 12: 03 Ͳ 12: 29 10: 35 1 2: 29 Ͳ 12: 5 5 12: 41 Ͳ 13: 07 11: 1 7 13: 07 Ͳ 13: 33 12: 06 1 4: 24 Ͳ 14: 3 4 14: 37 Ͳ 14: 47 14: 0 1 Ͳ 14: 19 1 4: 19 Ͳ 14: 37 15: 15 Ͳ 15: 25 1 4: 34 Ͳ 14: 52 13 : 37 15: 02 Ͳ 15: 20 13: 51 14: 19 13: 31 Ͳ 1 4: 04 12: 34 12: 13 1 2: 55 13: 09 13: 1 6 13: 44 13: 58 14: 40 14: 54 14: 26 14: 47 15: 36 15: 01 15: 20 Ͳ 15: 30 15: 29 15: 35 Ͳ 15: 45 15: 55 Ͳ 1 6:0 5 14: 12 14: 14 Ͳ 14: 24 13: 43 Ͳ 14: 01 1 4: 52 Ͳ 15: 0 2 15: 05 Ͳ 15: 15 14: 4 7 Ͳ 15: 05 15: 25 Ͳ 15: 35 15: 30 Ͳ 15 : 48 16: 10 Ͳ 16: 2 0 16: 24 Ͳ 16: 34 15: 58 Ͳ 16: 08 16: 17 Ͳ 16: 27 17: 06 Ͳ 17: 16 16: 31 Ͳ 16: 41 15:43 16: 59 Ͳ 17: 09 15: 5 7 16: 25 15: 48 Ͳ 1 5: 58 14: 33 14: 05 1 5: 08 15: 22 15: 1 5 15: 50 16: 04 16: 46 17: 00 16: 32 16: 53 17: 30 17: 05 17: 13 Ͳ 17: 23 17: 25 17: 27 Ͳ 17: 37 17: 55 Ͳ 1 8:0 5 16: 18 16: 05 Ͳ 16: 15 15: 45 Ͳ 15: 55 1 6: 38 Ͳ 16: 4 8 16: 52 Ͳ 17: 02 16: 4 5 Ͳ 16: 55 17: 20 Ͳ 17: 30 17: 34 Ͳ 17 : 44 18: 20 18: 30 18: 02 Ͳ 1 8: 12 18: 2 5 19: 00 18: 35 17: 35 18: 5 5 17: 45 18: 05 17: 48 Ͳ 1 7: 58 16: 39 16: 11 1 7: 10 17: 20 17: 1 5 17: 40 17: 50 19: 50 20: 00 18: 15 19: 55 20: 30 Ͳ 20: 48 20: 07 1 9: 05 20: 2 8 19: 15 19: 35 18: 00 18: 10 17: 41 Ͳ 17: 5 1 18: 40 18: 50 18: 4 5 19: 10 19: 20 2 1: 24 Ͳ 21: 5 0 21: 50 Ͳ 22: 16 19: 4 5 21: 37 Ͳ 22: 03 20: 49 21: 59 20: 35 Ͳ 20: 53 22: 3 9 20: 48 Ͳ 21: 06 21: 31 19: 30 19: 40 17: 55 20: 14 20: 21 20: 1 5 Ͳ 20: 33 20: 42 20: 53 Ͳ 21 : 11 21: 52 21: 45 22: 26 Ͳ 22 : 36 23: 29 Ͳ 0 :0 2 2 0 :5 6 0 :0 9 Ͳ 0: 42 21: 1 0 23: 39 21: 06 Ͳ 2 1: 24 21: 11 Ͳ 21: 37 19: 25 22: 03 Ͳ 22: 2 9 22: 19 20: 3 5 22: 59 21: 17 2 3: 22 Ͳ 23: 3 2 23: 59 22: 29 Ͳ 22: 39 22: 4 0 Ͳ 2 2:5 0 1 :0 9 Ͳ 1: 42 21: 24 21: 38 21: 03 23: 49 Ͳ 0: 22 22 : 16 Ͳ 2 2 :2 6 0 :29 Ͳ 1: 0 2 22: 47 Ͳ 2 2 :5 7 1 :2 9 Ͳ 2: 02 22: 54 Ͳ 2 3: 04 23: 08 Ͳ 23: 18 23: 19 0: 49 Ͳ 1: 22 23: 04 23: 18 1: 22 22: 29 0: 22 22: 26 1: 02 22: 57 23: 32 22: 16 2 : 02 22: 0 3 22: 36 0: 02 22: 39 0: 42 22: 50 1: 42 1 0 1 0 1 1 9 1 0 9 1 0 998 1 0 8898989 Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 315 Para llevar a cabo el programa de repostaje se ha requerido el contar con dos equipos de dispensado de hidrógeno, ya que uno sólo no alcanzaba a cubrir el caudal de hidrógeno demandado por los tranvías. Por lo tanto, para los 18 vehículos que están programados funcionen diariamente, el númer o de recorridos diarios por vehículo es de 9,111 (164 recorridos totales/18 vehículos). 5.3.3.4. Herramienta  web  Conocido el recorrido a seguir por la línea 1 del tranvía de Zaragoza. Y a partir de del programa de repostaje diario de los tranvías, del que es posible obtener el número de recorridos totales a realizar por el número total de tranvías, ya es posible realizar el caso de validación propuesto mediante la herramienta web. A continuación se muestran los pasos a seguir en la herramienta web. a. Edición  de  ruta  A partir del menú Edición Æ Rutas Æ botón Crear ruta , salta la pantalla siguiente, en la que se puede dibujar la ruta deseada. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 316 Jesús Gallego Navarro Figura 78. Pantalla crear ruta de la herramienta Previamente a pulsar sobre el botón crear ruta , se deben marcar sobre el mapa de Google los puntos por los que debe pasar la ruta y se debe escribir un nombre a la ruta, en el campo existente para tal fin. Así, se obtiene la ruta mostrada en la siguiente im agen, que coincidirá con la del trazado completo de la línea L1 del tranvía de Zaragoza. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 317 Figura 79. Recorrido de la Línea 1 del tranvía de Zaragoza obtenida en la herramienta b. Edición  de  Flota  y  Tecnologías  A continuación se comprueba que el modelo de vehículo, en este caso el tranvía URBOS III de CAF se encuentra en la base de datos. En el caso de que no esté, es posible incluirlo a partir del menú: Edición Æ Flota Æ Otros Æ botón Crear nuevo . En el caso de que el modelo deseado esté en la base de datos, pero se quiera modificar o incluir algún dato, se puede hacer a partir del menú: Edición Æ Flot a Æ Otros Æ botón Modificar. En la siguiente imagen se reproduce la pantalla Modificar, con las características del URBOS III proporcionadas por CAF . CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 318 Jesús Gallego Navarro Figura 80. Prestaciones del modelo URBOS III de CAF De igual modo, es posible añadir o modificar los diferentes equipos de que constará la estación de repostaje mediante los menús: Edición Æ Dis pensadores y Edición Æ Tecnologías. c. Edición  de  Parámetros  Antes de proceder al cálculo, es posible variar los parámetros que por defecto se utilizan para determinar el número de surtidores necesarios para cubrir la demanda total de hidrógeno. Así será posible modificar: Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 319 - Tiempo de aproximación. Es el tiempo que se tarda en aproximar el tranvía al dispensador de suministro de hidrógeno. El valor de referencia se considera de 0,5 minutos. - Tiempo de preparación. Es el tiempo que se tarda en preparar la operación de repostaje: colocación de la manguera, ajuste de boquerel. El valor de referencia se considera de 0,5 minutos. - Tiempo unitario. Representa el tiempo que cuesta el repostar un kilogramo de hidrógeno. Como valor de referencia se toma 1,282 min/kgH 2 , que es el valor medio recogido por el proyecto de demostración Hydrogen Fuel Cell Vehicle and Infrastructure Learning Demonstration del DoE [112], Figura 57, para las 21.854 operaciones de repostaje registradas en las hidrogeneras participantes. - Tiempo de espera. Es el tiempo máximo previsto que debería esperar un vehículo hasta que llega su turno de repostar. - Tiempo de salida. Es el tiempo que tarda el vehículo en abandonar la zona del dispensador y dejarla lista para el siguiente tranvía. Incluye el tiempo correspondiente a la recogida de la manguera y el tiempo que tarda el tranvía en dejar libre la zona. El valor de referencia se considera de 1 minuto. Además, en esta pantalla hay unos campos para modificar: - Porcentaje de demanda. Representa el porcentaje de llenado de los depósitos de los vehículos con los que se calcula la demanda. - Número de Dispensadores por Hidrogenera. Determina el número de hidrogeneras totales a instalar y el tamaño de las mismas. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 320 Jesús Gallego Navarro Figura 81. Pantalla Configuración de Parámetros d. Calcular  Demanda  Una vez que ya se dispone en la base de datos de la ruta a realizar y del vehículo y sus prestaciones, ya es posible proceder a calc ular la demanda de hidrógeno diaria que se producirá en la actividad prevista. Para ello se debe seleccionar el menú Calcular Demanda Æ Selección Ruta . En este punto aparece una pantalla con las rutas existente en la base de datos; se selecciona la relativa a la ruta del tranvía y lo que hará saltar una nueva pantalla con la totalidad de vehículos existentes en la base de datos. Se localiza el vehículo deseado, en este caso el URBOS III , y al pinchar sobre el botón Seleccionar Vehículo se pedirá que se inserte el Número de Vehículos previstos que seguirán la ruta diariamente, 18 según los datos proporcionados por CAF , y el Número de Recorridos diarios que realizarán estos Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 327 Figura 86. Pantalla de parámetros que influyen en el cálculo del número de dispensadores Mediante el menú: Calcular Dispensadores Æ Resultados , se accede a la pantalla que se muestra en la siguiente imagen. En ella se recogen las diferentes opciones posibles para cubrir la demanda en función de los modelos de dispensadores seleccionados. La pantalla de devuelve el número, el modelo de dispensador, la presión y estado de operación, el coste y la superficie requerida. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 328 Jesús Gallego Navarro Figura 87. Pantalla Resultados Dispensadores Mediante el menú: Calcular Dispensadores Æ Hidrogeneras , se accede a la pantalla Resultados Dispensadores por Hidrogeneras, en la que se muestran las hidrogeneras necesarias para cubrir la demanda, con el número de dispensadores de que constará cada una y las presiones o estados a las que deberá utilizarse. Para el caso particular del tranvía de Zaragoza, como se puede observar en la figura siguiente, se requerirá de una hidrogenera con dos dispensadores con capacidad para servir hidrógeno a 700 bar de presión. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 329 Figura 88. Pantalla Dispensadores por Hidrogenera f. Selección  de  Tecnología  El siguiente paso es seleccionar las tecnologías que s e quiere que se tengan en cuenta a la hora de determinar los equipos necesarios para la instalación. Se puede seleccionar: - el tipo de repostaje: líquido o gaseoso (limitado en parte por el tipo de vehículo que vaya a hacer uso de la estación de repostaje) - el tipo de almacenamiento: líquido o gaseoso - el tipo de abastecimiento de hidrógeno: o exterior: líquido o gaseoso CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 330 Jesús Gallego Navarro o producción de hidrógeno in situ mediante reformado o producción de hidrógeno in situ mediante electrolisis o combinación de varios de estos sistemas de abastecimiento A partir del menú: Seleccionar Tecnología , se obtiene un listado con todas las posibles combinaciones posibles entre tipo de repostaje, almac enamiento y abastecimiento (ver figura siguiente). Figura 89. Pantalla de selección de las combinaciones posibles de tecnologías La selección de cada una de estas combinaciones posibles se puede hacer, bien manualmente, bien a partir de la opción restringir (pinchando el botón Restringir). Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 331 Al pinchar en Restringir, salta una nueva pantalla (ver figura siguiente) en la que marcando las diferentes tecnologías de repostaje, almacenamiento y abastecimiento/producción de hidrógeno, al pinchar sobre el botón Restringir, te devuelve a la pantalla Tecnologías, en la que ya aparecen seleccionadas las combinacio nes posibles con las opciones que se han elegido como posibles. Figura 90. Pantalla Restringir Tecnología En el caso que nos ocupa, tal y como se observa en la Figura 89 y en la Figura 90, como únicamente se requiere repostar en estado gaseoso, se han seleccionada únicamente repostaje y almacenamiento en estado gaseoso, ya que los cambios de estado líquido-gas supone pérdidas de energía y por ende, de rendimiento y económicas. De este modo queda limitado el estudio a 6 opciones, que se recogen en la siguiente tabla, y que son las opciones que aparecen marcadas en la Figura 89. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 332 Jesús Gallego Navarro Tabla 41. Opciones de combinación de tecnologías para la configuración de l a hidrogenera Opción Estado en el Sistema de Dispensado Estado en el Sistema de Almacenamiento Tipo Abastecimiento 1 Gaseoso Hidrógeno Comprimido Gas Abastecimiento ex terior gas + Reformado 2 Gaseoso Hidrógeno Comprimido Gas Abastecimiento ext erior gas + Producción in-situ m ediante electrolisis 3 Gaseoso Hidrógeno Comprimido Gas Producción in- situ mediante electrolisis + Reformado 4 Gaseoso Hidrógeno Comprimido Gas Abastecimient o exterior gas 5 Gaseoso Hidrógeno Comp rimido Gas Reformado 6 Gaseoso Hidrógeno Comprimido Gas Producción in-situ m ediante electrolisis Pinchando sobre el botón Opciones de la pantalla Tecnologías (Figura 89), salta una nueva pantalla en la que aparecen las opciones contempladas en el estudio, y un nuevo recuadro en el que se indican los equipos principales que deben estar presentes en las diferentes configuraciones y el precio mínimo de los equipos para cada opc ión. Este precio se obtiene a partir de los precios que aparecen en la base de datos en la ficha de cada equipo y tecnología. La elección de equipos se realiza de forma que siempre se cubra la demanda de hidrógeno. Para ello, en ocasiones, si la opción resulta más económica, se seleccionarán varios equipos iguales que de forma individual no llegarán a cubrir la demanda, pero que en conjunto sí que lo hacen. El número de equipos iguales y para la misma función se limita a un máximo de 2. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 333 Figura 91. Resumen de las opciones sometidas a estudio de equipos requeridos Para ver con mayor detenimiento los equipos requeridos en cada opción, y conocer y tener la opción de cambiar el modelo seleccionado para cada una de las tecnologías, está la opció n de seleccionar entre las posibles la opción deseada, y pinchar sobre el botón Calcular y Seleccionar . De este modo se accede a una nuev a pantalla: Calcular costes (ver figura siguiente), en la que para cada opción, aparecen activos los campos correspondientes a los equipos que deben estar presentes en la estación de repostaje, con los modelos de los equipos seleccionados por la herramienta y el númer o de equipos necesarios, y el coste de la suma de estos equipos. CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 334 Jesús Gallego Navarro Figura 92. Pantalla Calcular costes La herramienta permite, mediante un desplegable, seleccionar para daca tipo de equipo, cualquiera de los modelos existentes en la base de datos, actualizándose de forma automática el coste total de los equipos. Pinchando sobre el botón volver , se vuelve a la pantalla anterior ( Tecnologías , Figura 91), desde donde es posible acceder a otra de las opciones de estudio. Si se ha realizado algún cambio de equipo, para que la modificación sea registrada, debe pincharse el botón Seleccionar . Además, pinchando sobre el botón de información, i , de cada tipo de equipo, salta una nueva pantalla: Selección “tipo de equipo” (ver figura siguiente), en la que se detalla el precio, prestaciones y número de equipos necesarios para c ubrir la demanda de hidrógeno definida por la flota de vehículos prevista. En esta pantalla también es posible elegir el modelo de Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 335 entre los existentes en la base de datos para ver sus prestaciones y características, pero al volver a la pantalla anterior, no se guarda ningún cambio realizado. Figura 93. Pantalla Selección de Electrolizador Recordar que en cualquier momento es posible añadir a la base de datos un modelo nuevo para cualquiera de los equipos a partir de los menús: Edición Æ Dispensadores y Edición Æ Tecnologías Æ “Nombre del tipo de equipo”. g. Combinatoria  Una vez seleccionados las opciones de estudio referentes a las tecnologías y equipos, y confirmado los modelos a utilizar en la simulación para cada una de las tecnologías CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 336 Jesús Gallego Navarro necesarias, a partir del menú: Combinatoria, se accede a una nueva pantalla: Resumen combinatoria (ver figura siguiente), en la que se muestran las diferentes opciones, por un lado de los dispositivos de dispensados seleccionados, y por otro de las diferentes opciones de tecnología. Figura 94. Pantalla Resumen Combinatoria Al pinchar sobre el botón Combinar , salta una nueva pantalla en la que aparece un listado d e todas las combinaciones posibles de modelos de dispensadores con las opciones de tecnología seleccionadas. Este listado se puede ordenar por cualquiera de las columnas de la tabla (ver siguiente figura). Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 343 - Polígonos industriales - Plan General de Ordenación Urbana Teniendo en cuenta estos criterios de decisión, es posible tener en cuenta escenarios basados en transporte urbano y/o privado: - Transporte Urbano: Se presta especial atención a las rutas seguidas por los autobuses de transporte urbano. En este caso se deberá conocer los principios y finales de línea y la concurrencia de números de línea y frecuencias en cada uno de ellos. En el caso de que se contara con tranvías propulsados con sistemas de hidrógeno, estos se asemejarían a los autobuses, realizando una adaptación de los valores de consumo. - Transporte Privado: En este conjunto se incluyen los vehículos privados (turismos, furgonetas y motos), así como taxis, flotas de reparto, o flotas de vehículos municipales. A la hora de la localización óptima de las estaciones de hidrógeno acorde al movimiento de este tipo de vehículos, deberán conocerse las zonas de mayor concentración de vehículos, ya sea como origen o destino, o en itinerancia. Para ello resulta útil conocer las zonas con mayor actividad industrial y comercial del área de estudio, así como los índices medios de densidad de tráfico de vías e intersecciones. Estos datos vienen definidos por los criterios de decisión: Índice medio de densidad de tráfico diario ( IMD ), Accesibilidad, Zonas comerciales y Polígonos industriales . Para desarrollar la herramienta, el programa utilizado es el ARCGIS . La versión utiliz ada es la 10, bajo licencia ArcView . La información proporcionada deberá estar referenciada con el mismo sistema de referencia de Google Maps , “datum WGS84 15N” , para poder representarla a través de mapas en la aplicación y generar los shapefiles correspondientes. Un shapefile es un formato vectorial de CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 344 Jesús Gallego Navarro almacenamiento digital donde se guarda la localización de los elementos geográficos y los atributos asociados a ellos. Para la construcción del SIG se precisan los siguient es planos y sus respectivas tablas de atributos (en formato shp. o similar), que corresponden con la capa de información común para todos los escenarios y los diferentes criterios de decisión: - Planos de carreteras de la zona en estudio, con sus longitudes, nº de vías, sentido. - Planos de los índices medios diarios (IMD) del tráfico. - Planos de la densidad demográfica de la ciudad. - Planos de la distribución de la actividad comercial - Planos de la distribución de los polígonos industriales. - Planos de las líneas de autobús de la ciudad. - Planos del P.G.O.U. para ver la posible edificabilidad de las parcelas. Como capa de información común puede utilizarse, bien el mapa de carreteras de la zona en estudio, bien el plano del plan de ordenación urbano dividido en sus zonas c atastrales. De cada una de estas zonas se debe disponer de la siguiente inf ormación: clasificación y calificación, tamaño, coste del suelo y geolocalización. Como ejemplo de funcionamiento del sistema, debi do a que se conoce la información necesaria del mismo, se ha elegido como zona de estudio el barrio del Áctur de la ciudad de Zaragoza. A lo largo del apartado, los ejemplos y f iguras mostradas corresponden a este barrio de Zaragoza. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 345 Figura 96. Capa de información general: plano general del barrio del Áctur de Zaragoza Fuente: Google Maps Una vez se dispone de la capa de información general, en el caso de que no se dispongan de las tablas asociadas con la información requer ida, se deben asociar manualmente las tablas de atributos de los puntos más relevantes del mapa. Ver Figura 97: Figura 97. Inserción de puntos relevantes Fuente: Elaboración propia a partir de Google Maps y ARCGIS 10 CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 346 Jesús Gallego Navarro A continuación se analizan cada uno de los criter ios de decisión que se tienen en cuenta en el sistema. 5.3.4.1. Crit erios  de  Decisión  Con el fin de facilitar la toma de decisión sobre la localización óptima de las estaciones de recarga de hidrógeno que suministren a flotas de vehículos, se han fijado unos criterios de decisión. Cada uno de estos criterios, que se describen a continuación, viene acompañados por unos pesos ( ȟ IMD , ȟ accesibilidad , ȟ d.población, ȟ rutas, ȟ comercial, ȟ Iindustrial, ȟ PGOU ). El valor de estos pesos viene recogido en el punto 5.3.4.3. Metodología. Cada uno de estos criterios de decisión se representa en una capa diferente del sistema. a. Intensidad  Media  Diaria  Se denomina intensidad media diaria anual (IMD) al número de vehículos que pasan por un vial durante un año, dividido por 365. Puede considerarse como la intensidad de tráfico que corresponde al día medio del año. En el caso que nos ocupa, la IMD se utiliza como uno de los criterios para determinar la ubicación más óptima de las estaciones de repostaje de hidrógeno. El sistema analiza los datos referentes a los IMD de las diferentes vías y resalta mediante una traza de color azul aquellas vías que cumplen que: IMD > 100.000 IMD entre 60.000 y 100.000 IMD entre 20.000 y 60.000 La diferenciación entre estos tres tipos de vías viene representada por el grosor de la traza; mayor cuanto mayor es el valor del IMD de la vía. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 347 Figura 98. Representación de los principales viales con clasificación según IMD Fuente: Elaboración propia a partir de Google Maps y ARCGIS 10 El sistema resalta entonces un área en torno a las vías de mayor IMD, de forma que la mayor distancia a la vía sea de 200 m. Esta área se representa en color verde, y será considerada como zona de preferencia a la hora de ubicar una estación de suministro. Ver Figura 99: Figura 99. Representación de las áreas de preferencia debidas a la existencia de los viales con IMD alto Fuente: Elaboración propia a partir de Google Maps y ARCGIS 10 CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 348 Jesús Gallego Navarro b. Accesibilidad  Este criterio de accesibilidad se refiere a la localización de lo s puntos de la red viaria en las que se producen intersecciones, incorporaciones y cruces de vías, con el fin de facilitar los accesos a las estaciones de servicio. El sistema realiza el análisis de las tablas asociadas a las vías y localiza aquellos nodos que pertenecen a más de una vía. Una vez localizados, se crea una nueva capa en la que se representan tantas zonas de preferencia para la localización de las estaciones, como cruces de vías correspondientes con accesos a la ciudad existan en la z ona geográfica en estudio. Estas zonas de preferencia serán de forma circular con centro en las intersecciones y un radio de 400 m. Ver Figura 100: Figura 100. Representación de las zonas de preferencia debido a la existencia de cruces de vías Fuente: Elaboración propia a partir de Google Maps y ARCGIS 10 c. Rutas  transporte  urbano  Este criterio responde especialmente a la existencia de las rutas fijas seguidas por las líneas de autobús o tranvía que conforman el transporte urbano de las ciudades. Se necesita disponer de la información de las rutas de transporte de la zona en estudio: geolocalización de las paradas bajo el sistema de referencia de Google e identific ación de inicio y fin de línea, identificador de línea (número). Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 349 Una vez se han introducido las rutas en estudio en el sistema, marcando los puntos de inicio y fin de línea, éste realiza un análisis y localiza los puntos donde más líneas de transporte urbano confluyen. Figura 101. Inserción de la línea de bus C2 de Zaragoza Fuente: Elaboración propia a partir de Google Maps y ARCGIS 10 Una vez localizados los principios y finales de línea, se crea una nueva capa en la que se representa un área circular de preferencia a la hora de localizar la hidrogenera en torno al los principios y finales de línea con radio 150 m. Ver Figura 102: CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 350 Jesús Gallego Navarro Figura 102. Representación del área de preferencia debido a la existencia de un inicio o fin de línea de autobús Fuente: Elaboración propia a partir de Google Maps y ARCGIS 10 No obstante, si se realiza en cada uno de los principios y finales de línea un estudio del número de vehículos/hora que concurren en estos puntos, y se añade a la tabla de atributos asociada a los puntos correspondientes, sería posible modificar el radio del área de preferencia en función de si el número de vehículos/hora es mayor o menor. Como cuanto mayor sea este número, mayor será el consumo de hidrógeno, mayor prioridad se le debería dar a estas ubicaciones, y aumentando el área de preferencia, mayor probabilidad existe de obtener una localización óptima. También debe analizarse a la hora de localizar la ubicación óptima de las estaciones de suministro de hidrógeno, la posibilidad de su ubicación en un lugar próximo localización de las cocheras de autobuses y tranvías. Para tal fin, la ubicación de las cocheras puede tratarse como un principio o fin de línea que contará con la mayor concurrencia. d. Zonas  comerciales  Las zonas comerciales suelen caracterizarse por actuar como un elemento concentrador de tráfico. Por un lado atrae a grandes cantidades de clientes y visitantes, y por otro crea en su Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 351 entorno un flujo permanente de tráfico creado por los trabajadores y por el t ransporte de mercancías necesario para su abastecimiento. En el sistema se introducirá la localización de las zonas con mayor actividad comercial de la zona en estudio. En nuestro caso se han localizado los grandes centros comerciales existentes en el barrio Áctur de Zaragoza. La información requerida se refiere a localización georreferenciada e identificador del centro comercial (nombre). Ver Figura 103: Figura 103. Representación de los principales centros comerciales del barrio Áctur de Zaragoza Fuente: Elaboración propia a partir de Google Maps y ARCGIS 10 Una vez localizadas las zo nas de mayor actividad comercial, debido a q ue se trata de centros habitados de especial sensibilidad por el tipo de actividad que en ellos se desarrolla, el sistema crea una nueva capa en la que se representa una área de exclusión (en rojo) con un perímetro de 500 m entorno a la zona comercial. No obstante, debido a la alta concentración de tráfico que se genera en su entorno, el sistema represent a a su vez una nueva área de preferencia (en verde) en la que ubicar la estación de suministro de hidrógeno. Esta nueva área tendrá forma de corona con una anchura de 200 m en torno al área de exclusión anteriormente indicada. En resumen: Área interior de exclusión (superficie circular 500 m radio) CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 352 Jesús Gallego Navarro Área exterior de preferencia (corona circular 500 m – 700 m) Figura 104. Representación de las áreas de exclusión (rojo) y prioritarias (verde) motivadas por la presencia de los grandes centros comerciales Fuente: Elaboración propia a partir de Google Maps y ARCGIS 10 e. Polígonos  industriales  Al igual que las zonas comerciales, los polígonos industriales se caracterizan por contar en su entorno con un elevado movimiento de vehículos. Por un lado atrae a grandes cantidades de clientes, y por otro crea en su entorno un flujo permanente de tráfico creado por los trabajadores y por el transporte de mercancías necesario para su abastecimiento. En el sistema se introducirá la localización de los polígonos de la zona en estudio. La información requerida se refiere a localización georreferenciada e identificador del polígono industrial (nombre). Ver Figura 105: Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 359 Figura 111. Criterios de decisión introducidas sobre el mapa base Fuente: Elaboración propia a partir de Google Maps, PGOUZ y ARCGIS 10 A partir de estos criterios de decisión, se generan las capas que representan las áreas de exclusión (rojo) y preferencia (verde) para la ubicación de las hidrogeneras. En la siguiente figura se representa el conjunto de estas áreas. Figura 112. Representación del conjunto de las áreas de exclusión (rojo) y prioritarias (verde) generadas por los diferentes criterios de decisión Fuente: Elaboración propia a partir de Google Maps, PGOUZ y ARCGIS 10 CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 360 Jesús Gallego Navarro Las áreas de exclusión son prioritarias sobre las de preferencia, es decir, en las áreas de preferencia que se superponen a las de exclusión serían desestimadas automáticamente. 5.3.4.3. Metodología  Como ya se ha indicado anteriormente, cada criterio de decisión viene acompañado por unos pesos. Debido a que las zonas comerciales generan dos áreas: una interior de exclusión y otra exterior de preferencia, se asocian dos pesos diferentes: ȟ comercial1 y ȟ comercial2 respectivamente. En la siguiente tabla se resumen los criterios de decisión, su identificador y su peso asociado: Tabla 50. Resumen criterios de decisión y pesos asociados Fuente: Elaboración propia Criterio de decisión Factor de área Peso asociado IMD C IMD ȟ IMD Accesibilidad C accesibilidad ȟ accesibilidad Rutas de transporte urbano C rutas ȟ rutas Zonas comerciales (área interior exclusión) C comercial1 ȟ comercial1 Zonas comerciales (área exterior de exclusión) C comercial2 ȟ comercial2 Polígonos industriales C Iindustrial ȟ Iindustrial PGOU C PGOU ȟ PGOU Densidad de población C d.población ȟ d.población Estos pesos se utilizarán para decidir de entre todas las posibles, la localización de las ubicaciones más óptimas. Los valores que tomarán los pesos asociados a los diferentes criterios de decisión son los siguientes: Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 361 - Los pesos de los criterios que impliquen la creación de áreas de preferencia, tomarán valores positivos. El valor de estos oscilará entre 0 y 1, pero deberán cumplir que la suma de ellos será igual a 1, de forma que la ubicación considerada como ideal tomaría este valor. Los pesos asociados a los cr iterios de decisión que toman valor positivo son: IMD ( ȟ IMD ), Accesibilidad ( ȟ accesibilidad ), Rutas de transporte urbano ( ȟ rutas ), Zonas comerciales ( ȟ comercial2 ), Polígonos industriales ( ȟ Iindustrial ) y PGOU ( ȟ PGOU ). ȟ IMD + ȟ accesibilidad + ȟ rutas + ȟ comercial2 + ȟ Iindustrial + ȟ PGOU = 1 [Ec. 53] Los valores aplicados a estos pesos podrán ser modificados por el usuario con el fin de poder priorizar unos criterios sobre otros, en función de las características que deba tener la red de estaciones de suministro (condicionada, por ejemplo, por el tipo de flota y de vehículos). - Los pesos de los criterios que impliquen la creación de áreas excluyentes, que como ya se ha dicho son prioritarias frente a las de preferencia, tomarán el valor igual a (- 1). Los pesos asociados a los criterios de decisión que toman valor negativo son: Zonas comerciales ( ȟ comercial1 ) y Densidad de población ( ȟ d.población ). En la siguiente tabla se indican los valores de los pes os asociados a los criterios de decisió n que se toman por defecto: CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 362 Jesús Gallego Navarro Tabla 51. Valores por defecto de los pesos asociados a los diferentes criterios de decisión Fuente: Elaboración propia Peso asociado a criterios de decisión Valores Ƞ IMD 0,05 Ƞ accesibilidad 0,05 Ƞ rutas 0,05 Ƞ comercial1 -1 Ƞ comercial2 0,05 Ƞ Iindustr ial 0,4 Ƞ PGOU 0,4 Ƞ d. p oblación -1 A la hora de determinar las localizaciones posibles para las ubicaciones de las hidrogeneras, y su posterior listado en orden de prioridad, el proceso a seguir será el siguiente: a) se realiza el sumatorio de los productos de los factores de área (Cx) por sus pesos asociados en las zonas donde se super ponen áreas de preferencia, lo cual catalogará a la zona con un número que denominaremos Grado de Decisión: Grado de Decisión = (C IMD * ȟ IMD ) + (C accesibilidad * ȟ accesibilidad ) + (C rutas * ȟ rutas ) + (C comercial1 * ȟ comercial1 ) + (C comercial2 * ȟ comercial2 ) + (C Iindustrial * ȟ Iindustrial ) + (C PGOU * ȟ PGOU ) + (C d.población * ȟ d.población ) [Ec. 54] Los factores de área C x correspondientes a los diferentes criterios de decisión tomarán el valor 1 o 0, en función de si el sistema reconoce activas áreas de exclusión o preferencia en las zonas de estudio. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 363 Para que un área sea considerada como posible, el Grado de Decisión debe ser mayor o igual a 0,4. En el caso de que sea igua l o menor a cero el área se desestima automáticamente al estar afectada por un área de exclus ión. En el caso de que el resultado se encuentre entre 0 y 0,4 (ambos valores no incluidos), significa que la zona no es urbanizable, por lo que la posibilidad de que se pudiera llevar a cabo la construcción de la instalación sería remota. b) Cuando el Grado de Decisión resulta mayor o igual a 0,4, con el fin de localiz ar las ubicaciones más óptimas. A mayor valor de este número, más óptima será la localización de la posible ubicación. Siguiendo este criterio se realizaría el listado de las posibles ubicaciones. A continuación se muestra un ejemplo en la que se representan en verde las localizaciones más óptimas para la ubic ación de las nuevas instalaciones de suministro de hidrógeno, debido a la superposición de áreas de preferencia generadas por tres o más criterios de decisión. En rojo aparecen aquellas zonas en las que se obtienen Grados de Decisión negativos debido a la superposición de una zona de exc lusión, a pesar de que coincide en la misma zona varias áreas de preferencia. Figura 113. Representación de las zonas más óptimas para la localización de las estaciones de suministro de hidrógeno Fuente: Elaboración propia a partir de Google Maps, PGOUZ y ARCGIS 10 CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 364 Jesús Gallego Navarro Con el objetivo de validar las herramientas desarrolladas: definición de necesidades e infraestructuras de suministro mediante aplicación web y Herramienta GIS para la implantación de hidrogeneras, en el apartado A6.2. Definición de Rutas y Ubicación de Hidrogeneras para la Implantación de una Red Interna de Transporte en el Polí gono PLAZA del ANEXO 6, se propone un caso de validación basado en la implantación de una red interna de transporte por carretera para el polígono PLAZA. Para ello se han definido las rutas de autobús necesarias, se ha determinado la demanda de hidrógeno y el número de hidrogeneras necesarias y finalmente, se ha planteado la posible ubicación de la/s hidrogenera/s de acuerdo a los criterios de decisión considerados. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 365 5.4. Conclusiones  De este capítulo es posible extraer las siguientes conclusiones: - A la hora de enfrentarse al reto de diseñar y dimensionar las instalaciones englobadas en un sistema basado en el hidrógeno, no existen, ni una metodología concreta, ni una tendencia compartida en la estructura y tecnologías de las instalaciones de repostaje de hidrógeno exis tentes. Ante esta situación surge la necesidad de crear una herramienta de cálculo que ayude a dar solución al dimensionado de las instalaciones de repostaje de hidrógeno y la lo gística que arrastran. - El objetivo es pues la realización de un diseño optimizado de una nueva infraestructura de distribución de hidrógeno. Para ello se plantea realizar la modelización del sistema de transporte. Esta modelización permite conocer el entorno y particularidades en las que deberá localizarse la nueva infraestructura, y ayudará a determinar el tamaño, características y localización de la red de estaciones de repostaje de hidrógeno que minimice las funciones de coste y haga máximas las de operatividad y funcionalidad. - Dato imprescindible previo a determinar la dimensión óptima de las estaciones de repostaje de hidrógeno es la demanda diaria de hidrógeno prevista, que va a tener que satisfacer. Esta demanda futura de hidrógeno es posible determinarla a partir de: o Las previsiones de demanda de la flota de vehículos, públicos o privados, que van a utilizar hidrógeno en un horizonte temporal determinado. Opción estimativa que se basa en la asignación de la demanda en función del número de vehículos de cada tipo: turismos, furgonetas, autobuses o camiones. o El estudio y diseño de las rutas a seguir por los vehículos, en el caso de tratarse de flotas cautivas o privadas con recorridos conocidos. Al tratarse de CAPÍTULO 5 Dimensionamiento de instalaciones e infr aestructuras del hidrógeno 366 Jesús Gallego Navarro recorridos conocidos, se puede realizar un análisis más en profundidad de las rutas seguidas, lo que permite alcanzar unas estimaciones de la demanda mucho más cercanas a la realidad - A la hora de diseñar la herramienta de cálculo, el punto en el que hay que hacer especial hincapié, por su alta sensibilidad tanto en el aspecto técnico como económico, es el tema del tipo de abastecimiento de hidrógeno a la estación. El tipo de abastecimiento depende de cuatro variables básicas: el coste, la demanda, la ubicación de las instalaciones y la seguridad de abastecimiento. - La utilización de algoritmos genéticos permite obtener tiempos de respuesta rápidos a los problemas de decisión que tienen su or igen en el dimensionamiento y elec ción de las tecnologías más adecuadas a la hora de establecer las infraestructuras de hidrógeno necesarias. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 367 "Las revoluciones económicas verdaderamente importantes de la historia se producen cuando una nueva tecnología de comunicación se funde con un régimen energético emergente para crear un paradigma económico completamente nuevo" Jeremy Rifkin CAPÍTULO  6.  Análisis  de  las  variables  económicas  más  influyentes  a  la  hora  de  establecer  una  infraestructura  de  recarga  para  vehículos  de  hidrógeno.  Análisis  de  sensibilidad  Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 375 hidrógeno en España que permitan elaborar un aná lisis de viabilidad de la implantación de la infraestructura del hidrógeno. Las tablas siguientes recogen las previsiones para estos horizontes temporales planteados. CAPÍTULO 6 Análisis de las variables económicas más influyentes a la hora de establecer una infraestructura de recarga para vehículos de hidrógeno. Análisis de sensibilidad 376 Jesús Gallego Navarro Tabla 52. Previsiones de oferta y demanda para el año 2015 ESCENARIO 2015 OFERTA Energía: Existen las siguientes previsiones: Petróleo: 53,77 €/barril Gas Natural: 6, 22 €/MBtu (36, 07 €/boe) Carbón: 59,61 €/t (17, 43 €/boe) Hay que remarcar l a gran variabili dad de los prec ios de las fuentes de energí a fósiles, en especi al del petróleo ya que está f ocaliza do en unas zonas muy inestables políticamente que provoc an que los precios es tén sujetos por norma general a cond ic ionantes no sólo técnicos s ino también políticos y sociales. En estos momentos el barril de Brent se encuentr a en unos 105 $ y se esper a que la previsi ón anual alcance los 121 $. En cualqui er caso, este precio puede di sminuir si se normaliza la s ituación política en los princip ales países productores de petr óleo. Vehículos: Lanzamient o de la segunda generación de s istemas de propulsión de pila de c ombustible por part e de los fabricantes de autom óviles, con la que co nseguir án reducir en un 40% el cost e del sistema de propulsión de los vehíc ulos. Turismos: El sistema de almacenami ento de hidrógeno que tie nde a imponerse a bordo de los turismos es el de gas a alt a presión a 700 bar, sin des cartar en cu alquier c aso la posibil idad de utilizar e l alma cenamien to en fo rma de hid rógeno líquido. La ca pacidad de alma cenamien to se en contrará entre los 4 y 6 ki logramos de hidrógeno, que propor cionarán autonomías de entre 200 y 400 kilómetros. Varios fabricantes como Toyota o Hyunday/ Kia , con volúmenes de producción de 50.000 vehículos al año, lanzarán turismos con esta t e cnología a un precio de aproxi madamente 35.000 €, con lo que se habrán conseguido reducir los c ostes en práct icamente un 85 % en referencia al precio actual. Autobuses: El sistema de almacenamiento de hidr ógeno qu e tiende a imponerse a bordo de los autobuses es el de gas a alta presión a 350 bar. La capacidad de almacenamient o se encontrará entre los 30 y 40 kilogramos de hidrógeno, para proporcio nar entr e 200 y 400 kilómetros de autonomía. El precio de los autobuses s e esper a fijar en torno a los 615.000 € y 360. 000 € par a autobuses y lanzaderas respect ivamente. Infraestructura: La distribución del hidrógeno se realizará princ ipalme nte mediant e vehículos indus triales que remonten un semirrem olque que transporte bot ellas de acero o mat eriales compuestos a una presión que os cila entre los 200 bar y los 1000 bar. Si s e dispone del espacio suficient e, los 200 ba r es la presión óptim a. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 377 El precio de su ministro de gas a alta pres ión me diante ve hículo industrial oscila entre los 1,2 €/kg y los 3,6 €/k g, y mediante gaseoducto entre los 0, 72 €/kg y los 2,4 €/kg. Por otro lado, el precio del suministro de hidrógeno líquido cri ogénico mediante vehículo industria l, actualmente s e encuentra entre 0,12 €/kg y 0,36 €/kg. DEMANDA Etapa muy im portante de consoli dación de mejoras tecnológicas, re ducción de co stes y aumentos de eficiencia. Son indispensable s acciones políticas de ay udas e incentivos, ya que au nque se consigan los objetivos técnicos no es suficiente para el despegue del mercado. Coste de la pila de combustible: Se producirá una disminuc ión del coste muy importa nte debido a las mejor as y a la progres iva entrada del FCEV con el consigui ente aumento de la producción. Europa: media de 100 €/kW EE.UU.: previsión m uy optimista de 25 €/kW del DoE . Otros valores los sitúan en el rango de 60-80 €/kW. Japón: media de 90 €/kW Corea: Unos 40 €/kW Se ha reducido en gr an medida el coste del stack , debiéndose optimiza r y reducir los costes del BOP, ensamblaje y pruebas de testeo. Coste de hidrógeno y formas de producción: En esta fase s e considera prin cipalment e la producción por reform ado de gas natur al. Introducción gradual de la producci ón por electr ólisis con renovables y gasificación de carbón con técnicas de secuestro de CO 2 . Europa: media de 9,5 €/kg EE.UU.: media de 4 €/kg Japón: media de 8 €/kg Infraestructura: Se considera clav e incentivar la creación de una infraestr uctura y para influir en el despegue de los FCEV. El número de estaciones no es representat ivo ya que depende de la ext ensión y población. Europa: hasta 1.000 hidrogeneras EE.UU.: hasta 1.300 hidrogeneras Corea: Se consideran 50 hidrogeneras mínimas ne c esarias par a que comience la producción a pequeña escala de FCEV. Californi a (extensión y poblac ión un poco menor a España): 18- 30 hidrogener as La distribución se realizar á principalmente po r carretera en forma gaseosa y al aumentar la demanda en forma de hidrógeno lí quido. CAPÍTULO 6 Análisis de las variables económicas más influyentes a la hora de establecer una infraestructura de recarga para vehículos de hidrógeno. Análisis de sensibilidad 378 Jesús Gallego Navarro Tabla 53. Previsiones de oferta y demanda para el año 2030 ESCENARIO 2030 OFERTA Energía: Existen las siguientes previsiones: Petróleo: 58,18 €/barril Gas Natural: 6,88 €/MBtu (39,9 €/boe) Carbón: 90,14 €/t (26, 36 €/boe) Vehículos: Lanzamiento por parte de los fabricantes de la siguiente generación de sistema de pr opulsión con pila de combustible, con lo que se conseguirán ahorras de hasta el 30 % del coste de los sistemas anteriores. Turismos: El sistema de almacenami ento de hidrógeno que tie nde a imponerse a bordo de los turismos es el de gas a alta presión a 700 bar. La capacidad de almacenami ento será de en torno a 6 kilogram os de hidrógeno, que proporc ionarán autonomías mínimas de 600 kilóm etros. Debido a la pr oducción a gran escal a, y si se d an las mis mas subvencio nes que las que se dan actualmente a los v ehículos eléctricos, alr ededor de 6.000 € por vehícu lo, el precio de los coches que monten esta tecnologí a ya será com parable con el de los coches con motor de combustión interna convencional, 20.000 € par a un turismo compac to de segmento medio. Si no se c ontempl an ayudas, el precio s eguirá siendo aún algo superior al de los vehículos diesel. Autobuses: El sistema de alm acenamiento de hi drógeno predo mi nante sigue siendo el de gas a alta presión a 350 bar. La capacidad de almacen amiento se encontrará entre los 30 y 40 kilogramos de hidrógeno, para proporcionar entr e 400 y 500 kilómetros de autonomía. Infraestructura: El suministro se realiza m ediante un mix gas co mprim ido, hidrógeno líquido y transporte po r tubería. Se prevé que el precio de sumin istro mediante vehículo industrial oscilar á entre los 0,72 €/kg y los 0,96 €/kg, y mediante gas eoducto entre los 0,36 €/kg y los 0,48 €/kg. Para la construcción de las hidrogeneras se estim an para unas condiciones de des pliegue masivo, inversiones mínim as de al menos 50 0.000 €-1.000. 000 € por hidrogenera. DEMANDA Etapa de comercialización de las pilas de combustible. Son indispensable s acciones políticas de ayudas e incentivos, ya que aunque se consigan los objetivos técnicos no es suficiente para el despegue del mercado. Coste de la pila de combustible: Europa: en 2020 el objetivo es que sea menor de 43 €/kW Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 379 Japón: menor de 35 €/kW Corea: Se est ima una reducc ión relac ión 40/1 con el precio actual. Coste de hidrógeno y formas de producción: En esta fase entran en funci onamiento las plantas de gasificación de carbón y ciclo combinado con secuestro de CO 2 . Se mantiene t ambién el reformado de gas natural y cada vez más la producción por electrólisis. El coste disminuye inc entivado por la entrada en el mercado de los FC EV. Europa: media de 5 €/kg EE.UU.: media de 2 €/kg Japón: media de 5,3 €/kg Infraestructura: Europa: hasta 5.100 hidrogeneras EE.UU.: entre 4.000-8.000 hidrogene ras según escenario Corea : hasta 500 hidr ogeneras Se empiez an a implementar las redes de tuber ías para distribución de hidrógeno. En 203 0 confluyen las tres form as de distribución. Tabla 54. Previsiones de oferta y demanda para el año 2050 ESCENARIO 2050 OFERTA Vehículos: Los precios de los coches de los segmentos me dio y alto y c on rangos de autonomía elevada llegarán a precios s imilares a los de los vehí cul os con tecnologí a diesel: 24.000- 30.000 €. Infraestructura: La distribución se realiz ará princ ipalmente por tube ría ( hasta 100 toneladas de hidrógeno al día de suministro). El transporte de gas m antiene su cuot a de mercado, para pequeñas demandas y cortas distancias. Se prevé que el precio de sumin istro mediante vehículo industrial oscilar á entre los 0,36 €/kg y los 0,48 €/kg; y mediante gas eoducto entre los 0,24 €/kg y los 0,36 €/kg en vehículo industrial. DEMANDA En esta fase las previsiones dependen de los escenar ios de crecimiento que se hayan plant eado en cada zona. Por ejemplo, Europa pr evé una ele ctrificación del 95% de su sector automoción, pero con una mezcla del 25% FCEV, 35% BEV y 35% PHEV. En este caso EE.UU. prevé una entrada mucho mayor en el mercado, entre el 40 y 90% en función de las previsiones. Coste de la pila de combustible: Europa: en 2020 el objetivo es que sea menor de 43 €/kW Japón: menor de 35 €/kW Coste de hidrógeno y formas de producción: CAPÍTULO 6 Análisis de las variables económicas más influyentes a la hora de establecer una infraestructura de recarga para vehículos de hidrógeno. Análisis de sensibilidad 380 Jesús Gallego Navarro Se plantea la producción cent ralizada en las nucleares, produc ción biológica y foto electroquím ica. Europa: a partir de 2030 el pr ecio se mantiene casi estable en 4,5 €/kg EE.UU.: el objetivo final es obtener el valor de 1 €/kg Infraestructura: Europa: hasta 18. 200 hidrogeneras La distribución se real iza mayoritariamente por tu bería en 2050 para grandes distancias y demandas. El t ransporte por carretera en f orma ga seosa m antiene una pequeña cuota de mercad o y en forma líquida pr ácticamente des aparece. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 381 6.3. Determinación  de  Costes  La determinación de costes del sistema de hidrógeno es un trabajo necesario para realizar a posteriori un análisis económico y de viabilidad del sistema del hidrógeno. Los costes son uno de los factores determinantes en la toma de decisiones y estos adquieren una mayor importancia si el objetivo último es la creación de una nueva infraestructura para un sistema energético nuevo, el hidrógeno. Existen varios factores o elementos que tienen una influencia relevante en el coste final del sistema de hidrógeno. El objetivo será por lo tanto, por un lado analizar los coste actuales de los diferentes elementos, y por otro intentar determinar la evolución que van a tener en el tiempo, a medio-corto plazo, en función de factores como el aumento de la demanda o el descenso de precio debido a la madurez que alcanzarán con el tiempo las diversas tecnologías. Los costes que se tienen en cuenta son los siguientes: - Energía - Combustibles - Instalaciones – Equipos - Vehículos - Financiación - Factores económicos, como tipo de interés o el periodo de amortización de las instalaciones y equipos - Mantenimiento - Operación CAPÍTULO 6 Análisis de las variables económicas más influyentes a la hora de establecer una infraestructura de recarga para vehículos de hidrógeno. Análisis de sensibilidad 382 Jesús Gallego Navarro 6.3.1. Costes  de  Inversión  y  Explotación  de  Hidrogeneras  A la hora de determinar los costes de inversión y explotación de la infraestructura del hidrógeno aplicado al sector transporte hay que tener en cuenta precios de: - Energía eléctrica. Necesar ia para alimentar los posibles equipos presentes en las instalaciones, como por ejemplo los equipos de producción de hidrógeno, los compresores o los dispensadores. - Gas natural. Necesario para los casos en los que se utilice un r eformador de gas para la producción de hidrógeno. - Gasóleo. En primera instancia, necesario para propulsar los camiones que suministrarán el hidrógeno a las hidrogeneras en el cas o de que se produzca suministro mediante vehículo industrial. - Agua, entendiéndola como “ combustible ”, ya que para la producción de hidrógeno mediante electrolisis se requiere agua como fuente primaria. - Hidrógeno. El precio de obtención del hidrógeno variará en función del método utilizado para su producción, si se ha ce de forma centralizada o descentralizada. También habrá que tener en cuenta los costes de distribución en el caso que la producción no sea in situ . - Instalaciones y equipos. En este apartado se incluyen todos los aparatos y equipos necesarios en las hidrogeneras para desempeñar la tarea de suministro a los vehículos. - Otros costes. En este apartado se incluyen los costes de financiación, operación y mantenimiento, operarios e instalación entre otros. 6.3.1.1. Energía  Los procesos globales de producción, almacenamiento y producción de hidrógeno en las hidrogenera requieren en mayor o menor medida de energía eléctrica. Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 383 El coste de la electricidad varía considerablemente de un lugar en función de los recursos disponibles y la tecnología de producción utilizada. El principal factor de la demanda energética es el precio de los combustibles, o mejor dicho, la diferencia de precio entre los mismos. Este factor experimenta cambios bruscos en cortos periodos de tiempo. Así por ejemplo el precio del petróleo se dobló en el año 2000 con respecto al inicio del 1999. Para España se ha tomado como referencia, el precio medio de la energía eléctrica [€/MWh] establecido para el primer trimestre del 2011 por el Ministerio de Industria, Comercio y Turismo a través de la Resolución de 31 de enero de 2011, de la Dirección General de Política Energética y Minas [93], fijando su valor en 47,75 €/MWh, o lo que es lo mismo, 4,775 c€/kWh. En el caso del gas natural, se toma el precio fijado por la CNE para el tercer trimestre del 2010, incluidos los componentes por m ermas y primas de riesgo, que es de 21,56 €/MWh (CNE Noviembre 2010,[92]). En el caso del gasóleo A, el PVP promedio de los dos primeros meses de 2011 se sitúa en 1,217 €/l en España, 1,332 €/l en la UE-14 y en 1,313 €/l en UE-27 (CNE, Febrero 2011,[100]). Figura 114. PVP del gasóleo A en Europa (Febrero 2011) Fuente: Supervisión macro estaciones de servicio: informe mensual de precios de los carburantes en España y UE. Febrero 2011. CNE [100] CAPÍTULO 6 Análisis de las variables económicas más influyentes a la hora de establecer una infraestructura de recarga para vehículos de hidrógeno. Análisis de sensibilidad 384 Jesús Gallego Navarro Los escenarios previstos por el estudio Energy Trend 2030 [101], se basan en la suposición de que los mercados energéticos globales permanecerán bien suministrados a un coste relativamente modesto durante el periodo 2000-2030. No obstante, estudios posteriores ( HyWays 2010 , Análisis del mapa de ruta del hidrógeno en España, [89]) han considerado estos precios muy bajos e irrealistas y han sido actualizados de acuer do a lo mostrado en la siguiente figura. Figura 115. Evolución de los precios de la energía 2000-2050 en el escenario base del proyecto HyWays Fuente: Análisis del mapa de ruta del hidrógeno en España, HyWays, 2010 [89] De acuerdo a las previsiones analizadas, en la siguiente tabla se muestran los intervalos de variación del precio de los combustibles: Desarrollo de criterios de optimización de diseño de infraestru ctu ras eficientes para automóviles eléctricos Jesús Gallego Navarro 391 b. Hidrógeno  gas  comprimido  El abastecimiento se realiza mediante remolques. En la hidrogenera un paso de compresión extra eleva a altas presiones parte del hidrógeno producido, necesario para el almacenamiento a bordo de vehículos (a 350 at m), mientras que el almacenamiento del remolque de cilindros se utiliza como la parte del sistema de baja presión de almacenamient o en cascada. En las siguientes tablas se recogen algunos costes a considerar a la hora de determinar los costes de distribución del hidrógeno gas comprimido mediante vehículo industrial. Tabla 58. Costes para los vehículos industriales de gas comprimido Fuente: Determining the lowest-cost hydrogen delivery mode . Yang, Ogden, 2007 [109] Factor operativo Costes propuesto s Coste del semirremolque de cilindros [€] 150.000 Coste del remolque[ €] 60.000 Coste de la cabina [€] 90.000 Salario conductor [€/hora] 10,5 Tabla 59. Factores operativos para el transporte mediante vehículo industrial Fuente: Determining the lowest-cost hydrogen delivery mode . Yang, Ogden, 2007 [109] Factor operativo Valor previsto Horas del conductor 8 Disponibilidad del vehículo industrial 24horas/día ; 3 cambios/día Factor de capacidad d el vehículo industrial /disponibilidad 80% Años de vida de la cabina 5 Años de vida del tráiler 20 Tiempo de carga y descarga 1 horas (HG), 2 horas (HL) Consumo de combustible vehículo industrial [litros/km] 0,5 Velocidad media [km/h] 50 [Document text truncated for crawler view.]