Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Máster Ingeniería Industrial Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Dpto. De Ingeniería de Materiales y Ciencia de los Materiales y del Transporte Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: María del Rocío Limón Alonso- Morgado Tutor: Nils Peter Johan Ingemar Wideberg Sevilla, 2022 iii Proyecto Fin de Máster Ingeniería Industrial Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Autor: María del Rocío Limón Alonso- Morgado Tutor: Nils Peter Johan Ingemar Wideberg Profesor titular de la Universidad Dpto. de Ingeniería y Ciencia de los Materiales y del Transporte Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 v Proyecto Fin de Carrera: Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Autor: María del Rocío Limón Alonso-Morgado Tutor: Nils Peter Johan Ingemar Wideberg El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos A mi familia, por quererme tanto y acompañarme siempre. A mis amigos, por disfrutar tanto de la vida. Y a Dios, que no me suelta de Su mano. 3.5.2. Gestión de carga 24 3.5.3. Reciclaje de batería, segunda vida y reempleazo de baterías asequible 35 3.5.4. Estandarización de vehículos eléctricos 36 3.5.5. Educación técnica. 36 4. Electrificación directa o indirecta. Análisis de escenarios para Alemania en 2050 37 4.2. Introdución 37 4.3. Escenarios energéticos revisados 38 4.3.1. Criterios de comparación 38 4.3.2. Método de evaluación 39 4.3.3. Resultados del estudio 39 4.3.4. Tecnologías de electrificación 43 4.4. Conclusiones del estudio 44 5. Conclusiones 46 Referencias 47 Glosario 51 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3-1. Comparación entre utilizar un vehículo con capacidad bidimensional solo como medio de transporte o como medio de transporte y almacenamiento de carga. Fuente: Zeccar .......................................................... 33 Tabla 3-2. Degradación de la batería del vehículo eléctrico después de ocho años. Fuente: Zecar ................. 35 Tabla 4-1. Estudios considerados en el análisis. Fuente: Elsevier ....................................................................... 38 Tabla 4-2. Eficiencias de conversión de los combustibles sintéticos asumidos por los escenarios considerados para el análisis. Fuente: Elsevier ............................................................................................................................ 43 Tabla 4-3. Aumento de eficiencia en el transporte por carretera con vehículos en el año 2050, considerando los estudios de este análisis. Fuente: Elsevier .............................................................................................................. 44 Tabla 4-4. Aumento de eficiencia de las tecnologías del transporte de camiones en 2050, considerando los escenarios de este análisis. Fuente: Elsevier .......................................................................................................... 44 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Tesla Model 3. Fuente: Google Imágenes .......................................................................................... 25 Figura 1-2. Porcentaje emisiones de GEI según sector. Fuente: El sevier .......................................................... 27 Figura 1-3. Nikola Tre, primer modelo de camiones con batería de Nikola. Fuente: Google Imágenes ............ 2 Figura 1-4. Flex 180 kW. Fuente: Heliox Energy .................................................................................................... 3 Figura 1-5. Zona de Emisiones Ultra Bajas (ULEZ) de Londres. Fuente: Transport for London ....................... 4 Figura 1-6. Madrid Zona de Bajas Emisiones (ZBE). Fuente: Portal web del Ayuntamiento de Madrid ........... 5 Figura 1-7. Área que comprende la ‘Zona de Bajas Emisiones de la Cartuja’, en Sevilla. Fuente: Portal web del Ayuntamiento de Sevilla ....................................................................................................................................... 6 Figura 1-8. Definición de las etiquetas que portan los vehículos que tienen permitida la circulación en la ZBE de la Cartuja. Fuente: Portal web del Ayuntamiento de Sevilla.............................................................................. 6 Figura 1-9. Zona de Bajas Emisiones de Barcelona. Fuente: Motorpasion .......................................................... 7 Figura 1-10. Estación de intercambio de baterías para camiones eléctricos ideada con Geely. Fuente: Somos Eléctricos ..................................................................................................................................................................... 9 Figura 1-11. Estación de intercambio de baterías ideada por NIO. Fuente: Página web NIO ........................... 9 Figura 1-12. Carretera electrificada por un sistema de catenarias, proyecto colaborativo de Siemens y Scania. Fuente: Híbridos y eléctricos ................................................................................................................................... 10 Figura 1-13. Autobuses y camiones eléctricos en expansión. Fuente: Iea ........................................................... 11 Figura 1-14. Matriculación y porcentaje de ventas de autobuses eléctricos por país, entre los años 2015 y 2021. Fuente: Iea ................................................................................................................................................................. 12 Figura 1-15. Matriculación y porcentaje de ventas de autobuses eléctricos por país, entre los años 2015 y 2021. Fuente: Iea ................................................................................................................................................................. 13 Figura 1-16. e-Truck. Fuente: MAN ........................................................................................................................ 15 Figura 2-1. Scania 25P BEV. Fuente: Solo camión ............................................................................................... 18 Figura 2-2. Nikola Tre FCEV. Fuente: Nikola Motor ........................................................................................... 19 Figura 3-1. eActros, primer camión eléctrico pesado, fabricado por Mercedes-Benz. Fuente: Car and driver .................................................................................................................................................................................... 22 Figura 3-2. Camión Semi de Tesla. Fuente: Soy motor ......................................................................................... 23 Figura 3-3. Primera estación de carga de vehículos pesados, Gotemburgo, Suecia. Fuente: Portal portuario .................................................................................................................................................................................... 25 Figura 3-4. La empresa nacida del acuerdo de colaboración, pretende operar al menos en 1700 puntos de recarga. Fuente: Cadena de Suministro ................................................................................................................. 26 xxi Figura 3-5. Necesidades de energía en para estaciones de carga de camiones en carretera. Fuente: Híbridos y eléctricos. ................................................................................................................................................................... 27 Figura 3-6. Ejemplo de recarga secuencial. Fuente: ABB web ............................................................................. 28 Figura 3-7. Ejemplo de carga en paralelo. Fuente: ABB web............................................................................... 29 Figura 3-8. El conector se mostró instalado en un cargador Alpitronic y en un camión eléctrico Scania, que pudo ser recargado, durante el propio evento, a una potencia de hasta 1 MW. Fuente: Electrive .................... 30 Figura 3-9. Gestión de carga unidireccional y gestión de carga bidireccional. Fuente: Zecar ......................... 31 Figura 3-10. Cómo utilizar un vehículo eléctrico como batería. Fuente: Zecar .................................................. 32 Figura 3-11. Usar un vehículo eléctrico como batería reduce el consumo de energía. Fuente: Zecar. ............ 34 Figura 4-1. Consumo de electricidad para el calor y el transporte por carretera, considerando el calor de ... 40 Figura 4-2. Consumo de electricidad para electrificación directa e indirecta, incluyendo procesos industriales (izquierda) y excluyéndolos (derecha). Fuente: Elsevier ....................................................................................... 41 Figura 4-3. Porcentaje de electrificación directa a indirecta y de electrificación total (líneas grises) relacionados con la energía útil en transporte de automóviles (izquierda) y en transporte de camiones (derecha). Fuente: Elsevier ......................................................................................................................................................... 42 Figura 4-4. Porcentaje de combustibles sintéticos relacionados con la energía útil en transporte de automóviles (izquierda) y de camiones (derecha). Fuente: Elsevier .......................................................................................... 43 xxiii Notación GEI BNEF Gases de Efecto Invernadero Bloomberg NEF EPA UE Encuesta de Población Activa Unión Europea EV Electric Vehicule (vehículo eléctrico) JV HDV Joint Venture (¿) High Duty Vehicle ZBE Zona de Bajas Emisiones 1 INTRODUCCIÓN ebido a la creciente escasez de los combustibles fósiles que impulsan nuestros vehículos y a los gases de efecto invernadero derivados de la combustión que estos generan, en los últimos años ha crecido el uso del vehículo eléctrico. Desde el año 2020, el transporte ha sido el mayor contribuyente de las emisiones de gases de efecto invernadero en Estados Unidos, lo cual representa el 27% de las emisiones totales, según la EPA. Los vehículos de carga pesados, representaron aproximadamente una cuarta parte de las emisiones de CO2 del transporte. El uso del vehículo eléctrico, sin embargo, varía según el país, puesto que su demanda depende de su precio, de la disponibilidad de infraestructura para su carga y los incentivos de compra y regulación de emisiones establecidos. La electrificación del automóvil está siendo influenciada favorablemente gracias a la mejora tecnológica, las ayudas públicas y la conciencia, cada vez mayor, sobre el cambio climático y la calidad del aire de la atmósfera. En los últimos siete años, el número de coches eléctricos puros en todo el mundo ha pasado de 400.000 unidades a siete millones. El aumento de autonomía ha sido el factor clave que ha hecho posible este aumento. Asia, la región con más ventas de vehículos eléctricos a nivel mundial, presenta un total de 1,03 millones de unidades, habiendo sido el crecimiento de ventas de un 108% en el año 2021, siendo el modelo más vendido el Tesla Model 3. Por otro lado, Europa cuenta únicamente con 544.207, siendo Alemania el país europeo que cuenta con la mayor flota de vehículos eléctricos. Figura 1-1. Tesla Model 3. Fuente: Google Imágenes El objetivo a medio y largo plazo de la Comisión Europea es sustituir los vehículos tradicionales de combustión interna, aquellos cuya fuente de energía es la gasolina, el gas natural o el diésel, por un transporte sostenible y eléctrico. Los vehículos pesados de carretera, tales como camiones o furgonetas, D Introducción 4 4 coste que supone la adquisición de un vehículo eléctrico, casi 67000 dólares, lo cual está muy fuere del alcance de los ciudadanos que tienen rentas más modestas. Así, dado que California prohíbe la venta de todos los vehículos nuevos con motor de combustión interna para 2035, los el Estado pretende fomentar la adopción de vehículos y camiones de cero o bajas emisiones en un número cada vez mayor estableciendo medias como esta, que incentiven a los ciudadanos a decantarse por opciones de transporte más limpias. 2.3.2. Zonas de bajas emisiones Por otro lado, la implementación de zonas de bajas emisiones o de cero emisiones supone también una opción para el fomento del transporte electrificado. Este tipo de medidas, encarecen los vehículos más contaminantes al cobrar una tarifa a los camiones diésel más antiguos para que circulen por estas áreas. Ya en 2019 se implementó en Londres una Zona de Emisiones Ultra Bajas (ULEZ) que funciona 24 horas al día y los 7 días de la semana, en el centro de la ciudad, zona que gradualmente se ha ido expandiendo. Esta zona cubre actualmente todas las áreas dentro de las Carreteras Circulares Norte y Su, mientras que las carreteras North Circular (A406) y South Circular (A205) no están en la zona. Si un vehículo no cumple con los estándares de emisión de la ULEZ, y no está exento por ninguna razón, debe pagar una tasa diaria de £12.50 para conducir dentro de la zona. Esta legislación aplica a automóviles, motocicletas, furgonetas y vehículos especializados (hasta 3,5 toneladas inclusive) y minibuses (hasta 5 toneladas inclusive). Figura 1-5. Zona de Emisiones Ultra Bajas (ULEZ) de Londres. Fuente: Transport for London 5 5 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Sin embargo, los camiones, furgonetas o vehículos pesados especializados (todos de más de 3,5 toneladas) y los autobuses, minibuses y autocares (todos de más de 5 toneladas) no tienen que pagar la tasa ULEZ. Tendrán que pagar el cargo LEZ si no cumplen con el estándar de emisiones de la Zona de Baja Emisión (LEZ), diferentes para este tipo de vehículos. A partir del 29 de agosto de 2023 la Zona de Emisiones Ultra Bajas de Londres se pretenden expandir por todos los distritos de Londres, con el propósito de limpiar el aire de la ciudad y mejorar la salud de las ciudades, ya que la mala calidad del aire está afectando la salud de los londinenses, y se debe principalmente a la contaminación que provocan los vehículos. También en Madrid, se creó ‘Madrid Zona de Bajas Emisiones’ (ZBE), uno de los aspectos más relevantes de la Ordenanza de Movilidad Sostenible, que establece límites de dióxido de nitrógeno según la Ley 34/2007, de 15 de noviembre, de calidad del aire y protección de la atmósfera y el Real Decreto 102/2011, de 28 de enero, relativo a la mejora de la calidad del aire. De esta manera, ‘Madrid Zona de Bajas Emisiones’ (ZBE) prohíbe el acceso y la circulación a todos aquellos vehículos que presentan una clasificación ambiental A en el Registro de Vehículos de la Dirección General de Tráfico. Figura 1-6. Madrid Zona de Bajas Emisiones (ZBE). Fuente: Portal web del Ayuntamiento de Madrid Para facilitar la adaptación de la ciudad a esta legislación, la Ordenanza de Movilidad Sostenible establece varias etapas, que gradualmente aumentarán la exigencia de las restricciones. El pasado 1 de enero de 2023, entro en vigor la limitación de acceso de vehículos contaminantes en Sevilla, en la ‘Zona de Bajas Emisiones de la Cartuja’, área sevillana a la que acceden al día unos 24000 trabajadores. A pesar de que las medidas tienen un período de implantación de 18 meses, los primeros estarán dedicados a la conciliación y la información. Los puntos de entrada y salida están señalizados y se establecen controles ordinarios mientras concluye la implantación del sistema electrónico que se encargará del control, mediante la lectura de la matrícula del vehículo, puesto que este ya remite al distintivo ambiental que lo caracteriza, sin ser necesario llevar una etiqueta adicional. Introducción 6 6 Algunos vehículos que no cumplan con los requisitos ambientales para acceder a la ‘Zona de Bajas Emisiones de la Cartuja’ podrán acogerse al permiso de acceso de excepciones. Figura 1-7. Área que comprende la ‘Zona de Bajas Emisiones de la Cartuja’, en Sevilla. Fuente: Portal web del Ayuntamiento de Sevilla En la Figura, se muestran las calles en las que es aplicable dicha legislación, en las zonas norte y sur de la Cartuja. A diferencia de Madrid, las restricciones únicamente son válidas de lunes a viernes, no festivos, de 7:00 a 19:00, no aplicando por ahora en el resto del horario y de días. Los vehículos que tienen permitida la circulación y el estacionamientos en la ZBE sevillana son aquellos que cuentan con el distintivo ‘0 EMISIONES’, ‘ECO, ‘C’ o ‘B’. Figura 1-8. Definición de las etiquetas que portan los vehículos que tienen permitida la circulación en la ZBE de la Cartuja. Fuente: Portal web del Ayuntamiento de Sevilla 7 7 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Desde el punto de vista del transporte pesado, muchas han sido las protestas derivadas de estas restricciones. En la ZBE de Barcelona, que comprende un área de 95 km2 y una franja horaria de 7:00 a 20:00 de lunes a viernes, camiones que no cuenten con las etiquetas de la Figura anterior, no podrán circular. Los coches y motos que no cuentan con dichas etiquetas ya tenían prohibida la circulación desde enero de 2020. Cuando se instauro la ZBE, ya se adelantó que todos los vehículos pesados tenían un destino similar. Los camiones y autocares sin distintivo ambiental, son aquellos cuya mecánica es anterior a la norma Euro 4, normalmente aquellos matriculador antes de 2006. Figura 1-9. Zona de Bajas Emisiones de Barcelona. Fuente: Motorpasion Según señala a la Asociación General de Autónomos de Cataluña (AGTC) se prevee que dichas restricciones hagan que entre 6000 y 7000 camiones no puedan prestar servicio en la ZBE, casi la mitad de los camiones de la ciudad. Además, el sector del transporte sugería que el rechazo de los vehículos pesados fuera por antigüedad en lugar de por emisiones, reclamando la homogeneidad de los filtros y catalizadores, con el propósito de evitar tener que cambiar el vehículo. 3. Situación actual a nivel mundial con respecto a vehículos eléctricos pesados En 2021, las matriculaciones de camiones y autobuses pesados aumentaron en Europa, China y Estados Unidos. Las ventas de autobuses eléctricos aumentaron un 40% con respecto al año anterior, y las ventas globales de camiones eléctricos pesados se duplicaron con creces con respecto a los volúmenes de 2020, mientras que los volúmenes de ventas de camiones totales se mantuvieron aproximadamente al mismo nivel que el año anterior. Un total de más de 14.200 camiones eléctricos pesados vendidos en 2021, lo que se traduce únicamente en el 0,3% de la totalidad de camiones vendidos a nivel mundial. Por otro lado, en 2021, se contaba con un total de 670.000 de autobuses eléctricos era y el stock de camiones eléctricos pesados era de 66.000. Esto representa aproximadamente el 4% de la flota mundial de autobuses y el 0,1 % de camiones pesados. Introducción 8 8 De esta manera, la disponibilidad de vehículos eléctricos pesados continúa creciendo en los principales mercados del mundo. La expansión del mercado en este sector, así como el apoyo político, ha conseguido establecer una base sólida para el crecimiento de ciertos mercados, como el de los autobuses eléctricos urbanos. El despliegue inicial de los vehículos eléctricos pesados (HDV) en este tipo de aplicaciones puede ayudar a generar la confianza y familiaridad con el producto necesarias para llegar a su popularidad. Demostrar los beneficios económicos y sociales, como la disminución del ruido o de la contaminación del aire, en las primeras aplicaciones es lo que llevará a su implementación posterior, donde se avanzará tecnológicamente y se pondrá en marcha la infraestructura necesaria para la puesta a punto de otras aplicaciones de más dificultad, como el transporte logístico de mercancías, autobuses escolares, camiones de basura o camionetas de mensajería urbana. El objetivo es hacer que las aplicaciones que requieren distancias largas por recorrer sean aplicaciones rentables y, por tanto, alcanzables. 1.2.1. Estrategias de carga para vehículos eléctricos pesados La recarga en una estación eléctrica, mantiene el coste bajo al cargar a velocidades lentas, a menudo durante la noche. Es el método más utilizado por los vehículos comerciales, independientemente del ciclo de trabajo y la aplicación. Sin embargo, la disponibilidad de carga a velocidades más altas en autopistas o carreteras no deja de ser necesaria, para recorridos más largos, regulares y predecibles, como lanzaderas, transporte público o autobuses escolares. Las aplicaciones con rutas muy variables, como furgonetas de reparto urbano, también pueden beneficiarse de la carga en cargadores públicos disponibles en las ciudades, por ejemplo, mientras los conductores se toman un descanso. La disponibilidad de una carga muy rápida en autopistas es fundamental para proporcionar la flexibilidad y la autonomía que precisan los camiones eléctricos que operan en la región y que hacen largas travesías. Dados los elevados costes de construcción e integración en la red, la rentabilidad de una infraestructura de recarga muy rápida de más de 350 kW, o incluso de más de 1 MW, puede ser incierta, especialmente en los primeros años de despliegue del mercado de vehículos eléctricos de alta gama. Esta incertidumbre, junto con los largos plazos de entrega y los requisitos de inversión necesarios para la capacidad de carga de estos vehículos, son grandes desafíos. Las políticas y medidas para apoyar el desarrollo de redes de recarga pueden tener una influencia importante en el despliegue eficaz de la infraestructura de recarga para vehículos eléctricos, incluidos los vehículos pesados. Se requiere una planificación estratégica para optimizar el diseño y el desarrollo de forma que sea compatible con las necesidades operativas de los vehículos pesados. Otras opciones para suministrar energía a los HDV eléctricos es el intercambio de baterías. Varias empresas chinas, como CATL, Foton New Energy Vehicle, Geely, China Energy Investment Corporation y Qiyuan Motive Power, están llevando a cabo proyectos piloto de estaciones de intercambio de baterías. Estas pruebas incluyen operaciones de intercambio de baterías para flotas de entre decenas y centenares de vehículos pesados, que operan en corta distancia, como los de reparto urbano y regional. El gobierno chino ha dado instrucciones para realizar pruebas piloto de intercambio de baterías en ocho ciudades. Tres de ellas, se centrarán en el intercambio para vehículos pesados, con el propósito de aumentar el número de camiones que utilicen el intercambio de baterías en los próximos años. 9 9 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Figura 1-10. Estación de intercambio de baterías para camiones eléctricos ideada con Geely. Fuente: Somos Eléctricos NIO, es la empresa pionera en estos sistemas de intercambio de baterías, con sus denominadas Swap Station 2.0., donde en pocos minutos es capaz de sustituir la batería de los coches eléctricos NIO por una batería completamente cargada. Figura 1-11. Estación de intercambio de baterías ideada por NIO. Fuente: Página web NIO Las estaciones de recarga eléctrica en carreteras pueden transferir energía a un camión a través de bobinas inductivas, de conexiones conductoras entre el vehículo y la carretera o también mediante catenarias (líneas aéreas). Las catenarias, que permitirían la carga en movimientos, favorecerían la flexibilidad operativa de las operaciones logísticas, y serían muy competitivas en términos de coste total y costes operativos, en comparación, con la carga muy rápida, donde la validez en el mercado se evalúa mediante los costes y las capacidades de las baterías para los vehículos pesados. Introducción 10 10 Figura 1-12. Carretera electrificada por un sistema de catenarias, proyecto colaborativo de Siemens y Scania. Fuente: Híbridos y eléctricos En las pruebas de sistemas de catenaria instalados por Siemens con camiones Scania se han utilizado en operaciones reales de transporte en autopistas alemanas, las conocidas Autobahn que carecen de límite de velocidad. Desde principies de 2019 se ha llevado a cabo este proyecto, en el que los camiones eléctricos pueden acoplarse en la carretera a una catenaria para cargar sus baterías, sin necesidad de cargar en una estación para hacerlo. A día de hoy, hay 15 camiones utilizan tres sistemas de 13 km de longitud. Alemania ya ha anunciado la intención de desplegar cientos de kilómetros de autopista equipados con catenarias, utilizadas junto a la recarga y el repostaje estacionarios a lo largo del país. También Reino Unido quiere probar un sistema de catenarias para camiones pesados. Algunos países europeos, como Francia y los Países Bajos, han encargado estudios sobre la viabilidad económica y el impacto ambiental de estos sistemas, así como los potenciales riesgos que pueda tener con respecto al tráfico. La catenaria, y otras soluciones de carga dinámica, cuentan con la ventaja de funcionar en más vehículos de propulsión de cero emisiones (es decir, PHEV, BEV o FCEV) equipado con un pantógrafo u otros componentes de transferencia de energía a bordo. 1.2.2. Registro actual de HDV eléctricos En este apartado se detallará el número de matriculaciones de vehículos eléctricos pesados, autobuses y camiones. A continuación, en la figura, se muestra los principales modelos de este tipo de vehículos que se encuentran actualmente en expansión, en diferentes zonas del mundo. 11 11 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Figura 1-13. Autobuses y camiones eléctricos en expansión. Fuente: Iea 1.3.1. Autobuses eléctricos En cuanto a autobuses eléctricos, China domina el mercado de estos. Además, siguen aumentando las nuevas matriculaciones de estos vehículos. A pesar de ello, desde 2018 las ventas de autobuses eléctricos en Estados Unidos, así como en toda Europa, han ido socavando este dominio del mercado global. India está finalizando una licitación para más de 5.500 autobuses eléctricos, lo que va a convertirla en uno de los mercados más grandes del mundo para autobuses eléctricos. Por otro lado, los objetivos a nivel nacional o municipal para la transición a la contratación pública de solo autobuses con cero emisiones, así como a la Directiva de vehículos limpios para los países que pertenecen a la UE, han incrementado las ventas de autobuses eléctricos en países como Francia, Alemania, España y el Reino Unido. En la siguiente figura, se observa un gráfico resumen de las cifras comentadas. Introducción 12 12 Figura 1-14. Matriculación y porcentaje de ventas de autobuses eléctricos por país, entre los años 2015 y 2021. Fuente: Iea 1.3.2. Camiones eléctricos Refiriéndonos ahora a camiones eléctricos, una vez más, China representó casi el 90% de las matriculaciones de camiones eléctricos en 2021, frente a casi el 100 % en 2017. Las ventas en Estados Unidos y Europa han comenzado a aumentar rápidamente en los últimos años, impulsadas por un aumento en los modelos disponibles en esos países, así como por el apoyo político, mejorando rápidamente la viabilidad técnica y la competitividad económica de los camiones eléctricos. 13 13 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Figura 1-15. Matriculación y porcentaje de ventas de autobuses eléctricos por país, entre los años 2015 y 2021. Fuente: Iea 1.3. Principales fabricantes IVECO, MAN, Daimler Truck, Scania o Volvo son los fabricantes más destacados en la fabricación de camiones eléctricos. 1.3.1. IVECO IVECO es una marca de Iveco Group, empresa líder internacional que desarrolla, produce y vende una amplia gama de vehículos industriales, de transporte y medios especiales enfocados a la defensa, la protección civil y a misiones anti-incendios. La compañía opta por las tecnologías del motor más modernas, destacando la propulsión con metano (CNG) y biocombustibles, así como las tecnologías híbridas y la electrificación de los vehículos. IVECO es la empresa europea líder en los vehículos comerciales de gas natural, y el único fabricante que ofrece, en toda su gama de productos, motores de diesel ecológico y de gas natural. La compañía firmó un acuerdo con Enel X, empresa dedicada al desarrollo y venta servicios de energización innovadores, que ofrece soluciones de electrificación para el consumo y la movilidad. Bajo los términos de un acuerdo no vinculante, ambos fabricantes planean una colaboración que conducirá al sector comercial de vehículos europeos, concretamente a los vehículos comerciales ligeros, vehículos pesados y autobuses, hacia las e-mobility o movilidad eléctrica, tecnologías de transporte que funcionan con electricidad generada mediante una fuente sostenible. De esta forma, se evaluará cómo los camiones eléctricos de IVECO soportan la transición hacia la flota de vehículos de cero emisiones con las tecnologías de Enel X, mientras se examinan nuevas oportunidades de negocio en otras áreas del transporte. La Clasificación de vehículos eléctricos 20 20 2.2.5. Vehículo híbrido no enchufable. Hybrid electric vehicle (HEV) El sistema de estos vehículos es muy similar al de los híbridos enchufables, con la diferencia de que la batería de este tipo de vehículos tiene una capacidad más reducida para alimentar al motor eléctrico, y sólo es posible alimentarla con los sistemas de frenanda, desaceleraciones y con el motor de combustión. La autonomía que tienen es muy reducida, normalmente inferior a un kilómetro, siendo bueno para el ahorro de combustible en vía urbana. A diferencia de los demás, cuentan con el distintivo ambiental ECO. 21 3. TENDENCIAS PARA LA ELECTRIFICACIÓN DEL TRANSPORTE POR CARRETERA ara describir las principales tendencias que se están dando para facilitar la electrificación de vehículos, se focalizará el análisis en tres apartados; las políticas y presión social que fomentan la movilidad eléctrica, la importancia de electrificar el transporte público y el desplazamiento de mercancías, así como las tendencias del mercado y el enfoque que le dan los fabricantes de automóviles. 3.2. Políticas que impulsan la electrificación Ya se ha mencionado que el Protocolo de Kyoto y el Acuerdo de Paris en la COP 21 llevaron a los países a tener un mayor compromiso con fortalecer la respuesta global a la amenaza del cambio climático (Acuerdo de Paris, 2015). Las medidas individuales dependían de cada país que participó, sin embargo, ya muchos de ellos anunciaron objetivos retadores para la electrificación de la movilidad. Por ejemplo, Países Bajos y Noruega anunciaron que dejarían de vender vehículos de gasolina y diésel en 2025, objetivo que India y Alemania pusieron para 2030 y Francia para 2040. Por otro lado, China, a pesar de carecer de una meta similar, exige que para 2025 al menos el 20% de las ventas de vehículos nuevos sean de batería eléctrica o híbridos enchufables. Siendo el país con el mercado más grande del mundo, contando con 30 millones de automóviles y camiones cada año, esta medida es un gran avance hacia la electrificación del transporte por carretera. Escocia apunta que en 2032 cesará la venta de coches de diésel o gasolina, y en el resto de Reino Unido se hará en 2040. También ciudades como Madrid, Paris, Ciudad de Mexico o Atenas, en la conferencia de alcaldes C40, anunciaron su intención de prohibir vehículos diésel en el centro de sus ciudades en 2025. 3.3. Transporte público y mercancías El transporte público es uno de los contribuyentes principales en la contaminación de grandes ciudades, especialmente aquellos que funcionan a partir de diésel. Es evidente que el uso de autobuses eléctricos en lugares que sufren gran contaminación es una medida efectiva para disminuir la emisión de GEI. Como consecuencia, existe una tendencia significativa hacia el uso de autobuses más respetuosos con el medio ambiente, concretamente, autobuses eléctricos de batería. China es el país que lidera su implementación. Ya en 2016, de los 345000 autobuses eléctricos que había en todo el mundo, la gran mayoría se encontraba en el país, de los cuales 300000 eran autobuses de batería. La ciudad de Shenzen ya electrificó al completo su flota de más de 16000 autobuses en 2017, anticipándose un año a la fecha en la que tenía previsto hacerlo. Por otro lado, a pesar de el resto P Tendencias para la electrificación del transporte por carretera 22 22 de países van con retraso en contraste con el país chino, ciudades como Londres, París o Los Ángeles, se han comprometido a comprar únicamente autobuses eléctricos a partir de 2025. También el sector de los taxis experimenta una tendencia similar. En Shenzhen, el 63% de los más de 125000 taxis que operan en la ciudad son eléctricos y Pekín contaba ay con 20000 taxis eléctricos al finalizar 2020. Finalmente, el transporte de mercancías por carretera también está experimentando un cambio hacia la propulsión de estos vehículos de forma eléctrica. En 2017, Mercedes-Benz entró en fase de prueba por carreteras alemanas con el primer camión totalmente eléctrico pesado, llamado eActros. Figura 3-1. eActros, primer camión eléctrico pesado, fabricado por Mercedes-Benz. Fuente: Car and driver Este camión, producido en la planta de Wörth, supone un paso fundamental hacia la disponibilidad de vehículos de carga electrificados. Cuenta con un pack de tres o cuatros baterías, cada una de ellas con una energía total aproximada de 105 kWh. Asi, los eActros que alcancen una capacidad máxima de 420 kwh contarán con una autonomía de hasta 400 kilómetros. También, de forma similar a otros vehículos eléctricos, es capaz de regenerar energía eléctrica aprovechando frenadas y desaceleraciones. Además de ser un camión de cero emisiones, lo que le permite acceder sin restricciones a zonas urbanas libres de emisiones, como el centro de Madrid, cuenta con bajos niveles de sonoridad, lo que facilita entregas nocturnas, disminuyendo el ruido en las ciudades. También Tesla anunció en 2017 el comienzo de la producción de su camión Semi, el cual se encuentra aún en la fase de desarrollo, aunque se entima que las primeras unidades se entreguen en diciembre de 2022. Se espera que tenga hasta 804 kilómetros de autonomía y destaca por su forma aerodinámica, destinada a minimizar el consumo de energía. Presume de un coeficiente aerodinámico de 0,36, lo cual se traduce en una reducción del 20% respecto a un camión convencional, significando esto una reducción del consumo de hasta un 10%, ahorrando miles de euros anualmente. El Semi adopta un perfil inclinado de su sección frontal, inspirado en los trenes de alta velocidad, para reducir la zona de alta presión y conseguir la aerodinámica deseada. 23 23 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Figura 3-2. Camión Semi de Tesla. Fuente: Soy motor Además, ofrecerá una amplia visibilidad de la vía al conductor, a través de dos pantallas táctiles situadas a ambos lados del volante. El camión contará con cuatro motores en el eje trasero, con una potencia total de unos 1300 caballos, aproximadamente. Se estima que, con una carga de 36000 kilos, tarde unos 20 segundos en acelerar de 0 a 100 km/h. Con respecto su paquete de baterías, su capacidad será cercana a 1000 kWh, siendo su recarga a través de los cargadores Megacharger, hasta diez veces más potentes que los Superchargers usados en la actualidad. Tesla promete que, con tan solo 30 minutos de recarga, se obtengan 650 kilómetros de autonomía. El precio de Semi será unos 150000 dólares, para el modelo con autonomía de 482 kilómetros, y de 180000 dólares para 804 kilómetros. 3.4. Respuestas de los fabricantes de automóviles El creciente interés de los consumidores, junto con la presión de la opinión pública y los acuerdos comerciales, ha obligado a los principales fabricantes de automóviles a tomarse en serio la electrificación de sus flotas. Se preveé que el 24% de las ventas anuales de vehículos ligeros en 2030 sean de vehículos eléctricos, aumentando hasta el 43% para 2035 y hasta el 54% en 2040. Fabricantes como Volvo, Ford, Volkswagen, BMW o Renault, ya han comenzado con la tarea. 3.5. Desafíos para la electrificación del transporte por carretera Para describir los principales desafíos que afrontar a la hora de electrificar el transporte por carretera, se describirá la necesidad de sistemas de almacenamiento de energía (baterías) que sean recargables y adecuados, la gestión de la recarga, el final de la vida útil de las baterías, la importancia de estandarizar los VE y la necesidad de formación técnica y adecuación para el uso de los VE. 3.5.1. Baterías adecuadas El reto fundamental para la producción de vehículos eléctricos es, sin duda, el almacenamiento de la energía. Es imprencindible que los paquetes de baterías producidos sean seguros, que cuenten con una vida útil prologada (de más de 4000 ciclos y más de 10 años), con alta densidad de energía (kWh/l) y energía específica, así como de potencia (kW/l) y de potencia específica (kW/kg). Generalmente, las Tendencias para la electrificación del transporte por carretera 24 24 baterías se optimizarán para tener una alta energía (lo cual se relaciona con la autonomía del vehículo) o potencia (relacionada con la aceleración), no para ambos parámetros. Por otro lado, se ha demostrado que es posible cargar de forma rápida las baterías LFP (de hierro y litio) a una corriente cuatro veces la capacidad de esta, sin presentar una degradación significativa. Sin embargo, los picos de uso, tienen mayor impacto en la vida útil de la batería. Una opción para mitigarlo, sería incorporar múltiples fuentes de energía en el mismo vehículo, lo cual es más complejo y costoso. Otros aspectos a tratar son la gestión térmica y el impacto del ciclo de vida de las baterías, que incluye la fabricación y su reciclado. En la última década, se ha puesto un gran esfuerzo en la investigación de esto, dando como resultado la llegada de las baterías de Litio al mercado. Actualmente, la mayoría de las baterías del mercado cuentan con un ánodo de grafito, menos el Tesla X y el Tesla Model 3 cuyo ánodo es de grafito-silicio, y un cátodo de Litio, Níquel, Cobalto y Manganeso, conocido como NCM: LiNixCoyMnzO2, de óxido de Aluminio y Cobalto de Litio, NCA: LiNiCoAlO2, o espinela de óxido de litio y manganeso, LMO: LiMn2O4. También existen modelos, como los chinos, que usan LFP para el cátodo. 3.5.2. Gestión de carga Al igual que los vehículos diésel necesitan gasolineras, los vehículos eléctricos necesitan estaciones de carga. Y en este momento, no hay suficientes estaciones de carga en el mundo para respaldar los vehículos eléctricos que estarán operativos en la próxima década. Las altas expectativas en el crecimiento de las ventas de vehículos eléctricos plantean grandes desafíos para la red de carga eléctrica, lo cual se ve además agravado por el interés creciente en aumentar la capacidad de las baterías, de aumentar la ratio de carga, ya sea con carga rápida o ultrarrápida. En la actualidad, la mayoría de los propietarios de camiones eléctricos, dependen de equipos de carga instalados en sus instalaciones propias, lo cual limita su uso y autonomía. Aunque, en teoría, cargar un camión en una estación de vehículos de pasajeros es posibles, el diseño de estas estaciones, los espacios de estacionamiento y necesidad de gran energía que precisan los camiones, hacen que no sea del todo posible usar estas estaciones indistintamente para camiones o vehículos de pasajeros. La realidad es que una red de carga especial para camiones es necesaria para llevar a cabo de descarbonización de esta parte del transporte por carretera. La primera estación de carga pública para vehículos pesados eléctricos se inauguró en el año 2021, en Gotemburgo, Suecia, con una capacidad de carga de hasta 360 kW por bahía de carga. En el Puerto de Gotemburgo, anualmente más de un millón de camiones pesados entregan o recogen mercancías, por lo que está ubicación para una estación de carga es idónea para impulsar la descarbonización de este sector. Al ser construida para ser usada fundamentalmente por vehículos pesados y, por tanto, de gran volumen, la estación tiene dimensiones que proporcionan facilidad para girar y acceder a ella desde múltiples direcciones. 25 25 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Figura 3-3. Primera estación de carga de vehículos pesados, Gotemburgo, Suecia. Fuente: Portal portuario Así, a pesar de que los fabricantes suelen adoptar por la competencia, varios de ellos se han unido para alcanzar un objetivo común: todos necesitan cargadores para la venta sus vehículos. Una nueva empresa conjunta formada por Volvo Group, Daimler Truck y Traton Group (incluidos Scania y Volkswagen) busca desarrollar una infraestructura de carga muy necesaria, con el objetivo de hacer posible el transporte eléctrico de larga distancia. 3.5.2.1. Un proyecto común hacia la electrificación Los fabricantes Scania y Volvo Trucks tienen objetivos muy ambiciosos para la alcanzar la ansiada electrificación necesaria para la reducción de GEI. Scania se compromete a ser completamente eléctrica para 2040 y Volvo Trucks estima que el 50% de sus entregas de vehículos sean eléctricos ya en el año 2030. Para hacer posible estas a ambiciones nació la JV (Joint Venture), fundada bajo un acuerdo de colaboración firmado por Traton (antiguamente conocida como Volkswagen Trucks), Mercedes y Volvo, que, junto con Milence, empresa dedicada a la construcción de redes de carga pública para vehículos eléctricos pesados, se instalará al menos 1700 puntos de carga a lo largo de cerca de autopistas y en centros logísticos en Europa para 2027, para dar vida a los camiones EV y así facilitar su uso y circulación. Sin embargo, aún se desconoce el nombre definitivo que tendrá esta JV, con la que quiere acelerar la creación de una infraestructura de carga para el creciente número de vehículos eléctricos en Europa y contribuir a la sostenibilidad del transporte para 2050, que se dará a conocer más adelante. Su sede principal se encontrará situada en Ámsterdam. Cada uno de los colaboradores se ha comprometido a invertir 500 millones de euros en total, lo que se supone la mayor inversión en infraestructura de carga en la industria europea de camiones pesados hasta hoy. La JV proporcionará estaciones de carga de alto rendimiento para todos los operadores de flotas de con camiones eléctricos. Se espera que dichas redes tengan capacidades de carga muy altas, de hasta 1MW. Tendencias para la electrificación del transporte por carretera 26 26 Figura 3-4. La empresa nacida del acuerdo de colaboración, pretende operar al menos en 1700 puntos de recarga. Fuente: Cadena de Suministro El portavoz de Milence, Zazhary Alfred, cuando le preguntaron por el objetivo de la JV, afirmo: “Queremos ser un catalizador en el mercado, brindando a los operadores de transporte la confianza que necesitan para invertir y operar con flotas de camiones eléctricos pesados, sabiendo que la infraestructura de carga estará ahí cuando y donde sea necesaria, y siempre 100% segura y disponible”. 3.5.2.2. Infraestructura de carga Los camiones eléctricos pesados de larga distancia requieren un enfoque diferente a la hora de poner en marcha la infraestructura necesaria para su carga con respecto a los automóviles de pasajeros. Según Zachary, esto se reduce a cuatro diferencias principales: requisitos de espacio, demanda de energía, confiabilidad y seguridad. Los camiones transportan varias toneladas de mercancías que, unido a las grandes distancias que recorren para completar sus entregas, resulta en cientos de kilómetros desde un centro de recarga hasta el siguiente. De esta forma la red de carga se enfrenta a grandes desafíos: • Horario. Los apretados horarios que deben seguir los camiones de larga distancia conllevan una demanda adicional en las estaciones de carga. Los cargadores deben ser rápidos y deben funcionar el 100 % del tiempo. • Espacio. Los camiones requieren mucho más espacio para maniobrar que los automóviles de pasajeros, así como espacio para estacionar, lo que hace imprescindibles que las estaciones sean de una amplitud considerable. • Necesidades de energía. Los camiones eléctricos requieren mucha más energía que los automóviles de pasajeros. Hoy en día pueden tener capacidades de batería de alrededor de 500- 600 kWh, alrededor de 8-10 veces la de un automóvil eléctrico típico. Con el fin de evitar la interrupción de los horarios de los conductores de los camiones, la idea es en que las estaciones de carga de JV, la carga pueda hacerse en menos de 45 minutos, para dar autonomía al camión durante 4 horas y media. Esto se equilibraría muy bien con las paradas necesarias para descansar que deben hacer lo conductores al recorrer largas distancias. Si la 27 27 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera carga se hace durante la noche, y se tiene suficiente tiempo para para recargar el camión, es posible hacer la recarga con los cargadores que existen en la actualidad. Sin embargo, al querer recargar en menos de una hora la batería completa, se requiere una gran potencia. La idea es que el Sistema de Carga de Megavatios (MCS) entregue hasta 3,75 MW durante una recarga de 45 minutos. En este punto, es importante señalar la importancia de la estandarización necesaria de las especificaciones técnicas del MCS, para que sea compatible con todas las variedades de camiones y evitar interrumpir los flujos logísticos. 3.5.2.3. Estaciones de carga de camiones eléctricos Según un informe emitido por National Grid en noviembre de 2022, una estación de carga de camiones eléctricos en el año 2035 podía necesitar casi tanta electricidad como una ciudad pequeña. En la siguiente ilustración se muestra un gráfico que expone el estudio, comparando las necesidades de energía de las estaciones de carga y edificios y ciudades. Figura 3-5. Necesidades de energía en para estaciones de carga de camiones en carretera. Fuente: Híbridos y eléctricos. Se observa la subida de energía demandada entre los años 2035 y 2045, de 20 a 30 MW, lo que se puede asociar a la expansión de la flota de camiones eléctricos prevista en esos años. Una estación de carga de camiones eléctricos precisa de los siguientes elementos: 1. Conexión a la red eléctrica. Como es obvio, las estaciones de carga de camiones eléctricos deben estar conectadas a la red eléctrica de alta potencia para suministrar la electricidad necesaria para cargar los camiones. La conexión puede ser de alta tensión o de baja tensión, dependiendo de las especificaciones del equipo de carga y de la red eléctrica local. 2. Transformador. En algunos casos, se puede necesitar un transformador para convertir la electricidad de alta tensión de la red eléctrica en una tensión adecuada para cargar los camiones eléctricos. 3. Sistema de distribución eléctrica. Este sistema distribuye la electricidad desde la fuente de alimentación hasta los puntos de carga donde se enchufan los camiones. El sistema de distribución puede incluir transformadores, paneles de distribución, interruptores y otros componentes. Tendencias para la electrificación del transporte por carretera 28 28 4. Puntos de carga. Estos son los puntos donde los camiones eléctricos se enchufan para cargar sus baterías. Los puntos de carga pueden ser de diferentes tipos, dependiendo de la velocidad de carga requerida y del tipo de conector utilizado. Referido a este punto, es interesante hablar de las distintas configuraciones de carga que propone la empresa ABB: • Carga secuencial: en lugar de tener un cargador por vehículo, ABB propone un sistema de carga secuencial, con un único armario de alimentación, en el que una vez se carga el primer vehículo, comenzará a cargarse el siguiente de forma automática. Esta distribución es para cargadores de 100-160 kW. La carga secuencial, idónea para la carga nocturna de una flota de camiones, presenta ciertas ventajas: - Los vehículos se cargan con alta potencia, lo que maximiza su disponibilidad. - La conexión a la red necesaria es menor, lo cual reduce inversiones iniciales, así como costes operativos. - Utilización óptima de la estación de carga, lo que supone una menor inversión. Figura 3-6. Ejemplo de recarga secuencial. Fuente: ABB web 29 29 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Como se puede observar en la Figura 8, tras cargar un camión se carga el siguiente, hasta cargar la flota entera. Esta modalidad resulta muy interesante para cargar una flota completa durante una noche, por ejemplo. • Carga en paralelo. Se pueden cargar dos vehículos al mismo tiempo utilizando un único cargador con dos tomas de corriente (Terra DC fast Terra HP, Depot charge box). Si sólo se enchufa un vehículo al poste de carga, tomará 100% de la potencia disponible. En cuanto un segundo vehículo se enchufe, la potencia disponible por vehículo se dividirá (50%/50%) entre los dos vehículos. Una vez que uno de los vehículos esté completamente cargado, el segundo tomará el 100% de la potencia disponible. De la carga en paralelo se destacan las siguientes ventajas: - Al cargar dos vehículos al mismo tiempo, se maximiza la disponibilidad del vehículo. - La necesidad de estar conectado a red es menor, lo que reduce la inversión inicial así como los costes operativos. - La infraestructura se utiliza de forma eficiente, lo que se traduce en menor inversión en el equipamiento de recarga. Figura 3-7. Ejemplo de carga en paralelo. Fuente: ABB web Tendencias para la electrificación del transporte por carretera 36 36 Hub, asegura ser capaz de recuperar el 95% de los materiales de las baterías, sin producir desechos adicionales. La primera fase, la fase Spoke, se descargan por completo las baterías, hasta conseguir que el producto sea completamente inerte y, por tanto, seguro. Se separan los plásticos de los metales y se trituran el resto de materiales por medios mecánicos, obteniendo la llamanda black mass, o masa negra, que pasa a la siguiente fase. En la segunda fase, la fase Hub, se recuperan los componentes del ánodo y el cátodo contenidos en la masa negra, a través de hidrometalurgia, de forma que pueden volver a ser usados para la fabricación de nuevas baterías. Otro aspecto importante para los usuarios de vehículos eléctricos es el reemplazo de la batería a un precio razonable, lo cual es bastante crítico, dado que la batería es el componente más costoso de los vehículos eléctricos, siendo entre un 30% y un 40% del precio total. A pesar de que el uso de los vehículos eléctricos no ha sido hasta ahora muy prolongado, Nissan ya ha anunciado que el reemplazo de sus baterías de 24kWh tendrá un coste de 2850 €. 3.5.4. Estandarización de vehículos eléctricos Además de la necesidad de estandarizar los vehículos y sus componentes en desarrollo, también es importante llevar a cabo esta tarea en los sistemas de carga y en los sistemas V2G, existiendo ya normativa para ello, como IEC TC69-Electric road vehicles and electric industrial trucks y la ISO/TC 22/SC 37- Electrically Propelled Vehicles. Las principales áreas donde hay más tarea actualmente para la industrialización son los sistemas de carga a través de cable, la transferencia de energía inalámbrica, la interfaz de comunicación del vehículo y la red, las especificaciones relativas a la seguridad o el sistema de baterías de ión de Litio. 3.5.5. Educación técnica. La previsión de grandes ventas de vehículos eléctricos en los próximos años, trae consigo la necesidad de cualificar a profesionales, tanto para gestión como para el mantenimiento de las flotas, particularmente en la gestión de la carga rápida y de reparación de los vehículos. Adicionalmente, es necesaria una formación de las fuerzas de seguridad, de las urgencias sanitarias y de los bomberos sobre los riesgos asociados al uso de dichos vehículos, como el riesgo de accidentes o de incendio. Al ser más potentes y pesados, los vehículos eléctricos provocan accidentes que pueden ser más peligrosos. Basta pisar el acelerador para tener inmediatamente toda la fuerza del vehículo, lo cual hace que sea más complejo de controlar y, al ser más pesados debido al volumen de sus baterías, las inercias son mayores y, por tanto, las consecuencias son mayores. Por si fuera poco, las propias baterías también suponen riesgo, puesto que al ser golpeadas al circular por un pavimento que no esté bien acondicionado, es fácil provocar un incendio. Esto ocurre cuando se daña el separador de las baterías que aísla el ánodo y el cátodo, ya que al romperse pondría en contacto ambos electrodos, lo cual provocaría cortocircuito, calentándose la solución electrolítica de la batería, que se compone de solventes orgánicos, provocando un incendio. Otra de las causas de incendio e incluso de explosión de una batería es la fuga térmica, donde las altas temperaturas pueden causar reacciones exotérmicas dentro de la propia batería, provocando un sobrecalentamiento que podría desencadenar una explosión. A pesar de que la meta que tienen los fabricantes de baterías es aumentar la densidad energética, la velocidad de carga y disminuir su degradación a lo largo del tiempo, no pierden de vista la importancia de que estas garanticen la seguridad de su eso, mejorando las técnicas de carga e introduciendo sistemas de empaquetamientos y cerramientos más seguras. 37 4. ELECTRIFICACIÓN DIRECTA O INDIRECTA. ANÁLISIS DE ESCENARIOS PARA ALEMANIA EN 2050 4.2. Introdución Según lo acordado en el Acuerdo de París (2015) Alemania tiene como objetivo la reducción de un 80-95% de sus GEI para el año 2050, en comparación con los niveles de gases de efecto invernadero que se registraron en 1990. Hoy en día, el 85% de las emisiones que provocan el efecto invernadero se relacionan con la energía, concretamente con la producción de electricidad (43%), la generación de calor (34%) y el transporte por carretera (22%). Por lo tanto, afrontar la descarbonización por estas tres vías es fundamental para alcanzar la meta del Acuerdo de París. La electricidad generada por tecnologías renovables supone una opción importante para la descarbonización del sistema eléctrico, a pesar de que su variabilidad implique grandes retos a la hora de estabilizar el sistema. A su vez, las renovables pueden impulsar la descarbonización de usos finales de la energía no eléctricos¸ como la generación de calor o el transporte por carretera. Sin embargo, las aplicaciones de uso final de la energía pueden seguir diferentes caminos: - Electrificación directa: aquí se incluyen los dispositivos que proporcionan calor y transporte usanso electricidad directamente como entrada. Para la generación de calor es el caso de los calentadores eléctricos o las bombas de calor eléctricas. Para el transporte por carretera, se considera electrificación directa los vehículos eléctricos con batería, los híbridos enchufables o los tranvías, que toman electricidad de una red de cables aéreos. - Electrificación indirecta: aquí se incluyen los dispositivos de calefacción y transporte que conusmen electricidad a través de combustibles sintéticos; aquí podemos incluir la electrólisis del hidrógeno sintético. Este combustible sintético se convierte en calor, mediante calentadores de gas, bombas de de calor de gas e instalaciones de cogeneración, y también en tracción, utilizando la energía eléctrica de pila de combustible. Estas dos vías de electrificación, compiten entre sí por el uso de la energía renovable. Ambas presentan ventajas y desventajas, por lo que no es obvia la combinación o la elección de uno de estos dos tipos de electrificación para llevar a cabo la descarbonización. Por ejemplo, la electrificación directa suele ser mejor en términos de eficiencia, mientras que la indirecta presenta ventaja a la hora de ser alamacenada en un largo plazo. Muchas de las tecnologías que utilizan la electrificación directa o indirecta aún no se encuentran maduras, por lo que su desempeño final se somete a cierta incertidumbre todavía. En este estudio tratará de evaluar qué papel jugará la electrificación del calor y el transporte por carretera en los futuros sistemas energéticos, con cuánta electricidad renovable adicional se necesitará Electrificación directa o indirecta. Análisis de escenarios para Alemania en 2050 38 38 para los nuevos usos finales de energía eléctrica, y en qué medida la electrificación directa e indirecta se sustituyen y complementan 4.3. Escenarios energéticos revisados Como consecuencia del aumento del consumo final de la energía desde 2014, el estudio considera un consumo adicional de electricidad para el sistema energético alemán. Puntualizar que las conclusiones de este análisis sin equiparables y representativas para de condiciones similiares a Alemania. Para comparar, se consideran dos criterios, la reducción de emisiones de GEI y el uso final de la energía. Tabla 4-1. Estudios considerados en el análisis. Fuente: Elsevier 4.3.1. Criterios de comparación Para comparar los escenarios considerados en el estudio, se consideran dos criterios. 4.3.1.1. Reducción de emisiones de GEI El objetivo de reducción de 1,5 ºC y 2 ºC del Acuerdo de Paris, se traduce como una reducción del 80- 95% de los GEI. Para el análisis, se consideran las siguientes categorías: - Tendencia: engloba aquellos escenarios considerados en el análisis que no cumplen con el objetivo de reducción de emisiones. - ∆GEI ≥80% : engloba aquellos escenarios en los que las emisiones se reducen lo suficiente como para alcanzar el límite inferior del objetivo, es decir, al menos un 80%. Sin embargo, no consigue superarlo mucho más. - ∆GEI ≥85% : engloba aquellos escenarios en los que las emisiones se reducen un 85% o más. 4.3.1.2. Uso final de energía Con respecto a las aplicaciones de uso final de la energía, distinguimos entre: calor para edificios y para procesos industriales, así como entre automóviles y camiones, lo que resulta útil para nuestra evaluación de escenarios. 39 39 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera 4.3.2. Método de evaluación Como se ha dicho, el estudio revisa el papel esperado de la electrificación directa e indirecta del calor y el transporte por carretera en el sistema energético alemán en 2050 desde dos perspectivas diferentes: 4.3.2.1. Sistema eléctrico Se determina el consumo de electricidad para calor y transporte por carretera, diferenciando dos campos claros: objeto de electrificación, es decir, generación de calor y transporte por carretera, y tipo de electrificación, es decir, directa e indirecta. En cuanto a la electrificación indirecta, se identifica la cantidad de electricidad que se convierte en gases sintéticos y, a menos que se indique lo contrario, se asigna en parte a la generación de calor y al transporte por carretera de acuerdo con la participación de estos usos finales en el consumo total de gas. 4.3.2.2. Uso final de la energía Para el cálculo de la tasa de electrificación lo hacemos de la siguiente manera: 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Para entender esta tasa podemos hacerlo con el siguiente ejemplo: si uno de cada dos automóviles es un vehículo eléctrico de batería, y cada dos kilómetros se conduce eléctricamente, la participación de la electrificación en la energía útil será del 50 %, es decir, su tasa de electrificación es un 50%. Por un lado, la tasa de electrificación en la generación de calor se cuantifica en términos de calor útil. Dentro de este calor útil, que podemos traducirlo en demanda de calor, distinguimos entre aplicaciones de calor en edificios, que incluyen calefacción de espacios y termos de agua caliente, y el calor para procesos industriales, que requieren un calor de nivel de temperatura mucho más alto que la calefacción del hogar. Por otro lado, sin embargo, en la tasa de electrificación en el transporte por carretera, se considera energía útil la energía de tracción, distinguiendo entre automóvil y camiones. 4.3.3. Resultados del estudio En este apartado se muestran los resultados de la revisión de escenarios centrándose en el consumo de electricidad para calefacción y transporte por carretera, las cuotas de electrificación del calor, y las cuotas de electrificación del transporte por carretera. Finalmente, se revisan los supuestos tecnológicos subyacentes y se vinculan con los resultados anteriores. 4.3.3.1. Consumo de electricidad para calefacción y transporte por carretera Puesto que no todos lo escenarios analizados cubren con todo el sistema de calor y transporte considerado, es necesario hacer una distinción a la hora del análisis, considerando en el gráfico de la izquierdo la inclusión del calor derivado de la energía industrial y excluyéndolo en el de la derecha de la Figura 1. El consumo de electricidad para el transporte por carretera y el consumo de electricidad para calefacción, son las dos “variables de decisión”, que se muestran en los ejes y definen la posición de los puntos, que representa la reducción de GEI para cada uno de los escenarios de la Tabla 1. Las líneas de contorno que se muestran en diagonal representan el consumo total de electricidad, tanto para la generación de calor como para el transporte por carretera. Se puede observar que en todos los escenarios en los que se cumple con los obejtivos de reducción de emisiones ∆GEI ≥80% y ∆GEI ≥85%, la electricidad para la generación de calor está en un rango de 269-157 TWh si se incluye el calor de los procesos industriales y en 63-199 TWh si no se incluyen. El Electrificación directa o indirecta. Análisis de escenarios para Alemania en 2050 40 40 consumo de electricidad para el transporte por carreter está entre 71 TWh y 281 TWh, donde se incluyen los vehículos de batería y los camiones como parte del consumo directo así como aquellos que emplean la energía procedente de combustibles sintéticos. Se intuye observando los gráficos que la electrificación es muy sensible a la mitigación de GEI, puesto que cuantas más emisiones se reduzcan más electricidad se consume para la electrificación de la generación de calor y del transporte por carretera. Es obvio que esta electricidad adicional debe generarse a partir de fuentes libres de carbono para que tenga un efecto positivo en la reducción de emisiones de GEI. Esto es muy detacable para el transporte por carretera. Puede observarse en el gráfico de la derecha el consumo de electricidad está en el rango de 71 TWh a 146TWh en ∆GEI ≥80%, mientras que alcanza valores de 156TWh a 281TWh para ∆GEI ≥85%. Por el contrario, la relación entre la reducción de GEI y el consumo de electricidad para la generación de calor es bastante débil; entre 63TWh y 138TWh para ∆GEI ≥80% y entre 70TWh y 199TWh para ∆GEI ≥85%. Figura 4-1. Consumo de electricidad para el calor y el transporte por carretera, considerando el calor de procesos industriales (izquierda) y excluyéndolo (derecha). Fuente: Elsevier 41 41 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera Figura 4-2. Consumo de electricidad para electrificación directa e indirecta, incluyendo procesos industriales (izquierda) y excluyéndolos (derecha). Fuente: Elsevier En la Figura 3 se evalúa el consumo de electricidad para calefacción y transporte por carretera utilizando como criterio el tipo de electrificación. En los ejes del gráfico se muestra el consumo de electricidad para electrificación directa y el consumo de electricidad para electrificación indirecta. Como antes, el consumo total de electricidad se muestra en las líneas de contorno que se muestran en diagonal. En este caso, para los escenarios que cumplen con ∆GEI ≥80% y ∆GEI ≥85%, 85%), el consumo de electricidad para electrificación indirecta varía en un rango mucho más amplio que el consumo de electricidad para electrificación directa. Esto puede observarse en el caso que no considera los procesos industriales, donde los rangos son de 0 TWh a 552 TWh, que se comparan con 113 TWh a 278 TWh. Esto podría explicarse por la baja eficiencia de conversión que posee la electrificación indirecta, lo que hace aumentar su consumo eléctrico. De nuevo, se pueden sacar conclusiones sobre la conexión entre la reducción de emisiones de GEI y la electrificación. Para los escenarios que alcanzan los objetivos de reducción de emisiones, ∆GEI ≥80%, el consumo de electricidad para la electrificación directa es mucho mayor que para el de electrificación indirecta. En cambio, si se reducen las emisiones en mayor medida, como en ∆GEI ≥85%, se amplifica la cantidad de electrificación indirecta, lo cual puede ser explicado con la necesidad de almacenamiento a largo plazo de la energía para equilibrar la generación y el consumo de energía renovable. 4.3.3.2. Electrificación del transporte por carretera Desde un punto de vista de uso final de la energía del transporte por carretera, comparamos la electrificación directa, utilizando vehículos eléctricos a batería y tranvías, con la electrificación indirecta, utilizando hidrógeno sintético como combustible en vehículos de pila de hidrógeno y en vehículos que emplean como combustible metado sintético. En la Figura se presentan los resultados Electrificación directa o indirecta. Análisis de escenarios para Alemania en 2050 42 42 los resultados del análisis. Los puntos están numerados con los números correspondientes a cada estudio de la Tabla 1. Con respecto al transporte de vehículos (izquierda), los escenarios se pueden diferenciar entre sí con respecto a la participación de la electrificación total (líneas de contorno en diagonal): aquellos escenarios que alcanzan el objetivo de reducción de emisiones ∆GEI ≥80% se encuentran en el rango de 41-75%, mientras que el resto de reducciones de GEI ∆GEI ≥85% llevan a participaciones totales de electrificación del 70-100%. Se puede observar una tendencia hacia la electrificación directa de automóviles, aunque los escenarios no presentan un dominio común por completo. La participación de electrificación directa está en el rango de 19-66% para ∆GEI≥80% y 38-95% para ∆GEI≥85%, mientras que la correspondiente indirecta varía entre 0-46% para ambos objetivos. Solo algunos escenarios presentan electrificación para alcanzar ∆GEI ≥80%, mientras que muchos incluyen hasta el 95%. Sin embargo, si las emisiones se reducen en ∆GEI ≥85%, todos los escenarios soportan al menos el 51% de la electrificación total. Figura 4-3. Porcentaje de electrificación directa a indirecta y de electrificación total (líneas grises) relacionados con la energía útil en transporte de automóviles (izquierda) y en transporte de camiones (derecha). Fuente: Elsevier En la Figura 7, se representa la proporción de combustibles sintéticos que se emplearán en el transporte en automóviles y camiones. El combustible dominante es el hidrógeno sintético para el electrificado indirecto de automóviles, que se presenta como combustible principal en siete de cada diez escenarios, donde los combustibles sintéticos suministran más del 20% del transporte total de automóviles. Por el contrario, es más probable que se encuentren escenarios con una alta proporción de metano para el transporte con camiones. Una posible explicación podría ser que el metano se puede usar en motores de combustión interna convencionales, y como la mayor demanda de combustible debido al peso de los camiones requiere celdas de combustible más grandes y, por lo tanto, más pesadas, lo que dificulta 43 43 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera la electrificación indirecta a base de hidrógeno. Curiosamente, tanto para el transporte de automóviles como de camiones, los líquidos sintéticos solo se consideran para ∆GEI≥85%. Figura 4-4. Porcentaje de combustibles sintéticos relacionados con la energía útil en transporte de automóviles (izquierda) y de camiones (derecha). Fuente: Elsevier 4.3.4. Tecnologías de electrificación Las tecnologías que desarrollan combustibles sintéticos para la obtención de electricidad, así como su distribución, son claves para la electrificación indirecta. En la tabla 2 se resumen las eficiencias de conversión asumidas para todos los escenarios que consideran la electrificación indirecta. Tabla 4-2. Eficiencias de conversión de los combustibles sintéticos asumidos por los escenarios considerados para el análisis. Fuente: Elsevier La eficiencia de los escenarios que consideran la obtención de energía como fuente, mediante la electrólisis, varían entre el 65% y el 80%, donde se supone la disponibilidad de producir la electrólisis a alta temperatura, de manera más eficiente, procedimiento no probado comercionalmente en la actualidad. Por otro lado, la conversión de metano en energía oscila entre el 53% y el 64%. La eficiencia de tecnologías es incierta, a lo cual se suma la dependencia que tiene con el tipo de CO2 utilizado como fuente. Electrificación directa o indirecta. Análisis de escenarios para Alemania en 2050 44 44 Teniendo en cuenta la distribución a gran escala, el hidrógeno precisa de una infraestructura novedosas y tecnológicamente también incierta. Por el contrario, el metano sintético es posible distribuirlo y almacenarlo en la infraestructura actual del gas natural de nuestros días. En la siguiente tabla se muestra una visión general del aumento de la eficiencia en el transporte por carretera en 2050, comparándola con los datos de la década de 2010. Tabla 4-3. Aumento de eficiencia en el transporte por carretera con vehículos en el año 2050, considerando los estudios de este análisis. Fuente: Elsevier A pesar de la madurez tecnológica de los vehículos con motor de combustión, los diferentes escenarios consideran un aumento de eficiencia del 27% al 64%, lo cual reduce la demanda de combustibles sintéticos y biocombustibles. Sin embargo, puede apreciarse un aumento de eficiencia en de los vehículos eléctricos con batería generalmente menor, lo cual nos lleva a deducir de la eficiencia actual del motor eléctrico actual. Tabla 4-4. Aumento de eficiencia de las tecnologías del transporte de camiones en 2050, considerando los escenarios de este análisis. Fuente: Elsevier El transporte de camiones, donde las alternativas tecnológicas al motor de combustión, aún se encuentra en una etapa más temprano que para los automóviles. Como se comentó anteriormente, la electrificación del transporte de camiones por cables aéreos puede resultar una condición necesaria para aumentar la electrificación directa más del 20%. 4.4. Conclusiones del estudio Este estudio, que evalúa distintos escenarios, demuestra que la electrificación tiene un papel fundamental para conseguir una reducción de gases de efecto invernadero. Se concluye el capítulo con las siguientes premisas: 1. Debido al uso intensivo de la electricidad, el consumo de calor y de transporte por carretera se espera que aumente a 400-800 TWh para 2050. Para alcanzar este rango, cuanto más reduzcan las emisiones de GEI, más combustibles fósiles en los sectores de uso final de energía se espera que sean substituidos por la electricidad renovable. Es crucial por tanto que los gobiernos traten de considerar esta necesidad adicional de energías renovables, así como de mantener una alta aceptación social de estas y así permitir un mayor crecimiento de la electricidad eólica y solar. 45 45 Estudio sobre la electrificación de vehículos pesados de carretera 2. Se espera que el 40-95% de la electricidad suministrada en Alemania en 2050 corresponda la generación de calor. La electrificación térmica se producirá de forma directa. 3. Se espera que la electrificación compense entre el 40-100% del transporte por carretera en Alemania. Además, cuanto más se reduzcan las emisiones de GEI, más se espera que se electrifique el transporte eléctrico por carretera. Los escenarios revisados no muestran claramente si es mejor electrificar el transporte de forma directa o indirecta. Aunque se espera que al menos el 20% de los automóviles sean vehículos de batería, el destino del resto es incierto. 4. Los resultados de varios escenarios revelan unan clara tendencia hacia la electrificación, siendo la innovación, ante la clara incertidumbre tecnológica, clave para cualquier de las vías propuestas de descarbonización, directa o indirecta, propuestas. 5. Se debe puntualizar que este análisis encontró dificultades a la hora de comparar algunos de los escenarios considerados, debido a la heterogeneidad de est