30 mar. 2013

¿POR QUÉ EL COCHE ELÉCTRICO NO ES LA SOLUCIÓN EN ESTOS MOMENTOS? III

...Continuación posts anteriores.

En el post anterior mostraba dos coches eléctricos, y un coche convencional en comparación:

Nissan Leaf: coche eléctrico con baterías de iones de litio

Honda FCX Clarity: coche eléctrico con pila de hidrógeno

Renault Mégane Sport Tourer Expression Energy dCi 110 S&S: coche convencional de referencia

El objeto de este post es realizar unos números rápidos para comparar consumo y autonomía.

Antes de empezar hay que tener en cuenta que un coche eléctrico es muy eficiente a cargas muy baja, justo al contrario de un coche convencional con un motor térmico. Como ya he comentado numerosas ocasiones el rendimiento a cargas muy bajas de un motor térmico es horrible, y normalmente cuanto mayor es la carga del motor mejor es el rendimiento (hasta cierto punto). Además hay otro detalle importante, cuando circulamos despacio (ya sea circulación urbana, carretera de montaña o un atasco), normalmente frenamos con frecuencia. En un coche convencional cada vez que frenas tiras algo del combustible a la "basura", en cambio en un coche eléctrico recuperas una parte importante de la energía cinética cuando frenas suavemente. Esto aumenta todavía más la ventaja de un coche eléctrico respecto a un coche convencional en las típicas condiciones de circulación lenta.

Finalmente, en un coche eléctrico las cargas auxiliares del coche (especialmente la climatización) son, en proporción, mucho más significativas que en un coche convencional cuando circulamos despacio. Por tanto, cuando la climatización tiene que trabajar duro (ya sea por mucho calor o por mucho frio) la autonomía será menor.

Estas diferencias impactan enormemente en el consumo del coche. Por tanto nuestra experiencia en coches convencionales no es representativa de lo que pasará si nos compramos un coche eléctrico.

Tomemos como ejemplo los consumos de mi coche:

En carretera:
  • En carretera convencional (máximo 100Km/h), buen tiempo, evitando puertos de montaña complicados y conduciendo con cuidado el consumo es del entorno de 5l/100Km.
  • Autopista sin pasar de 120Km/h y buen tiempo del entorno de 6l/100Km
  • En condiciones adversas (puertos de montaña complicados, nieve, viento muy fuerte...) 7l/100Km, aunque nunca circulo muchos kilómetros en esas condiciones.
 En ciudad:
  • Condiciones ideales (muy poco tráfico, evitando semáforos) 5,5l/100Km
  • Condiciones típicas (vivo en una ciudad pequeña en la que los atascos son casi inexistentes) 6,5l/100Km
  • Condiciones más adversas (atasco)  8,5l/100Km, de nuevo nunca circulo muchos kilómetros en esas condiciones.
Las oscilaciones típicas de consumo se encuentran por tanto entre 5l/100Km y 8,5l/100km.  Gracias a que dispongo de un depósito generoso, y que no es posible conducir cientos de kilómetros en las condiciones más adversas en realidad los consumos medios oscilan típicamente entre 5,2l/100Km y 6,5l/100Km. Repostando típicamente 65litros permite una autonomía entre 1000Km y 1250Km. Es decir, si las cosas se dan mal la autonomía se reduce un 20% respecto a condiciones muy favorables.

Ahora veamos lo que ocurre con el consumo del Nissan Leaf:
  •  Condiciones ideales (velocidad más o menos constante de 60Km/h, climatizador sin conectar): autonomía 220Km, consumo 11KWh/100Km
  • Conducción urbana real, sin climatizador (velocidad 40Km/h): autonomía 170Km, consumo 14KWh/100Km
  • Conducción carretera real con climatizador (velocidad 90Km/h): autonomía 110Km, consumo 22KWh/100Km
  • Condiciones más desfavorables (autopista a 120Km/h con climatizador): autonomía 80Km, consumo 30KWh/100Km
    NOTA: el consumo varía en función de la temperatura, densidad del aire, temperatura de consigna de la climatización, lo que ha envejecido la batería, desnivel recorrido... Por eso según donde consultes y según el ciclo de homologación la autonomía varía enormemente. Podéis consultar directamente en Nissan. La información publicada en la Wikipedia también es interesante.

Ya se ve claramente la diferencia con un coche convencional. Asumiendo una autonomía de 170Km en condiciones favorables, en condiciones desfavorables la autonomía se reduce en más de un 50%. Y a diferencia de un coche convencional, en un coche eléctrico la autonomía es tan reducida que es mucho más fácil conducir todos los kilómetros de una carga de la batería en condiciones muy desfavorables (por ejemplo viento en contra, nieve, o temperaturas extremas).

En el caso del Honda Clarity haré la simplificación de considerar una autonomía 3,2 veces mayor que en el caso del Nissan Leaf, en realidad habrá pequeñas diferencias, téngase en cuenta que el Honda es más pesado y también más aerodinámico.

En el caso del coche convencional (Renault Mégane): un conductor muy cuidadoso puede bajar de 4 litros cada 100Km. En cambio un conductor poco cuidadoso puede alcanzar un consumo de 7litros cada 100Km. La gran mayoría de los conductores obtendrán un consumo medio en el rango 4,5l/100Km y 6l/100Km para un depósito completo. Tomo estos dos últimos consumos para calcular la autonomía. Si además tenemos en cuenta que el depósito tiene 60l, ya podemos calcular la autonomía: 1000Km a 1300Km.

Por último, realizo los siguientes supuestos para el cálculo económico:
  • Precio gasóleo 1,37euros (correspondiente al precio que se puede obtener en estos momentos en España).
  • Precio cargar batería Nissan Leaf: oscila entre 7,13€ y 2,36€ según tarifa eléctrica que tengas contratada, y horario en el que recargues la batería. Fuente la Wikipedia.
    NOTA: he utilizado tarifas eléctricas disponibles en España. El coste unitario de la energía eléctrica corresponde a una potencia contratada de 10KW (cantidad que me parece razonable si destinas unos 4KW a recargar el coche). El coste mínimo corresponde a la tarifa supervalle y el coste máximo corresponde a la tarifa normal.
  • Precio kilogramo de hidrógeno comprimido: 4$ a 8$. Tomo el precio de Estados Unidos porque hay más mercado, y los precios son más transparentes. Este precio en origen lo paso a euros y añado el IVA (en estos momentos el Impuesto Sobre el Valor Añadido en España es del 21%, al menos este impuesto habría que pagarlo seguro)
Toda la información se puede presentar en una tabla:

Modelo Mégane Leaf FCX Clarity
Fabricante Renault Nissan Honda
Consumo condiciones favorables 4l/100Km 14KWh/100Km 0,74Kg/100Km
Consumo condiciones desfavorables 7l/100Km 30KWh/100Km 1,56Kg/100Km
Coste unitario favorable 1,37€/l 0,1€/KWh 3,7€/Kg
Coste unitario desfavorable 1,37€/l 0,3€/KWh 7,4€/Kg
Coste recorrer 100Km favorable 5,48€ 1,4€ 2,74€
Coste recorrer 100Km desfavorable 9,59€ 9,0€ 11,54€
Autonomía favorable 1300Km 170Km 544Km
Autonomía desfavorable 1000Km 80Km 256Km

Análisis coste combustible
El Nissan Leaf es mucho más barato que cualquiera de las otras opciones si se recarga con una tarifa eléctrica económica. Además, tenemos la ventaja que la tarifa eléctrica más económica está disponible por la madrugada, que es justo cuando usualmente no se conduce el coche.

El Honda FCX Clarity depende completamente del coste del hidrógeno comprimido. En la estimación superior (7,4€/Kg) el coste es comparable al coche convencional de referencia. En la estimación inferior (3,7€/Kg) el coste es intermedio entre el Nissan Leaf y el Renault Mégane. Como el coste del hidrógeno es todavía una incógnita, comprar un coche de hidrógeno es arriesgado.

Análisis autonomía
Finalmente, llegamos al talón de Aquiles de estos coches. En determinadas condiciones la autonomía puede ser reducidísima. En el caso del Nissan Leaf se puede quedar en unos exiguos 80Km. Además aunque existiera una red amplia de "electrolineras" tampoco sería operativo realizar un viaje largo, ya que incluso con instalaciones de recarga adecuadas (una toma de 50KW) se requiere media hora para realizar una recarga de la batería, y únicamente se recarga hasta el 80% de la capacidad. Al menos podemos recargar las baterías en 8 o 12 horas si encontramos un enchufe normal de corriente alterna.
NOTA: la recarga rápida contribuye a reducir la vida de las baterías.

En el caso de un coche impulsado por hidrógeno las cosas son también bastante malas. En conducción por autopista apenas tenemos combustible para circular dos horas. Y además, una vez se acabe el hidrógeno, va a ser muy difícil encontrar un lugar en el que nos rellenen el depósito.

Llegamos por tanto a una conclusión bien conocida, de momento el coche eléctrico no es una opción para muchos usuarios por su reducida autonomía ¿Qué haría falta para que un coche eléctrico alcanzara un uso masivo?

Para el caso de un coche con baterías:
  • Una autonomía mucho mayor. Por ejemplo 200Km en condiciones desfavorables. Para conseguir un alcance así haría falta unas baterías mucho más pesadas, lo cual perjudicaría el consumo del coche (no demasiado grave), y aumentaría enormemente el precio del vehículo (muy grave). Por ejemplo el Tesla Modelo S, con una batería de 60KWh tiene un precio de más de 70.000€ en España. Como no es razonable esperar que el consumidor medio page esas cantidades por un coche, para un alcance mucho mayor se necesita un precio de las baterías mucho menor. Probablemente esto sólo será posible con un cambio tecnológico.
  • Disponer de "electrolineras" con cambio de baterías. En un viaje largo no es operativo esperar 30 minutos para cargar las baterías. Parece mucho más razonable cambiar las baterías. Es decir, necesitamos un coche, y una estación de servicio que permita cambiar las baterías en unos minutos. En el caso del Nissan Leaf esta opción no está disponible. Sin embargo en los coches eléctricos fabricados por Renault si que se ha pensado un sistema de recambio de las baterías, que se comercializa con el nombre de QuickDrop.
  • Finalmente, para poder viajar cómodamente con un coche eléctrico, también necesitamos que se cree una densa red de "electrolineras".
Para el caso de un coche de hidrógeno:
  • Ya partimos de una autonomía baja pero casi aceptable. Para un uso masivo de este coche sólo es necesario una red muy densa de "hidrogeneras" que comercialicen el hidrógeno a un precio competitivo.
Continuará...

22 mar. 2013

¿POR QUÉ EL COCHE ELÉCTRICO NO ES LA SOLUCIÓN EN ESTOS MOMENTOS? II

...Continuación post anterior.

Probablemente el coche eléctrico empezó hace algo más de 15 años con el EV1 fabricado por General Motors, al menos este fue el primer coche producido en serie por un gran fabricante. Es interesante echar un vistazo a este coche para comprobar que tampoco se ha avanzado tanto desde aquella época. El EV1 era un cupé pequeño de 2 plazas:

Concept car GM Impact. El EV1 comparte muchos elementos de este prototipo. Foto obtenida en Wikipedia

Estas son sus principales características:

Modelo EV1
Fabricante General Motors
Año 1997
Dimensiones:
Largo
Ancho
Alto

4,31m
1,765m
1,283m
Tipo Cupé 2 plazas
Potencia 102KW
Aceleración 0 a 60mph 8s
Peso en vacío 1400Kg
Almacenamiento energía Baterías ácido-plomo1
Capacidad 16,5 o 18,7KWh
CD 0,19
CD×S 0,36m2
Unidades producidas 1117 unidades
Autonomía 110 o 160Km
Velocidad máxima 130Km/h, limitada electrónicamente
Precio $340002
NOTA 1: unos años después se comercializó una versión con baterías de níquel metal hidruro que pesaba 80Kg menos, y aumentaba la autonomía hasta 225Km.
NOTA 2: precio estimado, GM nunca vendió el coche, lo comercializó con leasing entre $399 y $549 al mes.


Este coche era extraordinariamente caro (téngase en cuenta que el precio es de 1997) por varios motivos: en parte porque fue un desarrollo completamente nuevo, y por tanto cada una de las piezas tuvo que desarrollarse; también porque la serie fue muy corta; además, las prestaciones del coche eran dignas de un deportivo de la época3 (salvo la velocidad máxima que estaba limitada a 130Km/h); y finalmente porque incorporaba un gran número de avances novedosos para la época. A destacar los siguientes elementos:
NOTA 3: como referencia el Volkswagen Golf GTI de 1997 aceleraba de 0 a 100Km/h a 8,8s, en cambio el mismo modelo actual acelera de 0 a 100Km/h en  7,3s, pero tiene una potencia de 155KW, un 50% más que el EV1.
  • ABS y control de tracción.
  • Aviso perdida presión neumáticos.
  • Dirección asistida eléctrica.
  • Un climatizador.
  • Llantas y asientos de magnesio.
  • Estructura de aluminio.
  • Algunos paneles de la carrocería de plástico.
  • El mínimo coeficiente de resistencia aerodinámica de cualquier coche producido en serie hasta la actualidad. Sólo cuando el Volkswagen produzca en serie el prototipo XL1 (tal vez en 2014), se batirá esta marca.
Este coche tuvo una leyenda negra por su poquísima difusión y por la manera en la que GM canceló el programa. Quien tenga interés puede consultar este link en la Wikipedia.

Ahora veamos que coches eléctricos está disponibles en la actualidad. Del post anterior se deduce que en estos momentos tenemos dos alternativas razonables para alimentar el motor eléctrico del coche: la pila de hidrógeno, y las baterías de iones de litio.

Empecemos por el coche de baterías de iones de litio, y tomo como referencia el coche más vendido en el mundo. El Nissan Leaf ya ha superado las 50.000 unidades vendidas:

Nissan Leaf modelo 2011, foto obtenida en wikipedia

Los datos que os presento son del último modelo, del 2013:
Modelo Leaf
Fabricante Nissan
Año 2013
Dimensiones:
Largo
Ancho
Alto

4,445m
1,770m
1,550m
Tipo 5 puertas hatchback, 5 plazas
Potencia 80KW
Aceleración 0 a 100Km/h 11,9s
Peso en vacío 1521Kg
Almacenamiento energía Baterías de iones de litio
Capacidad 24KWh
CD 0,28
CD×S 0,64m2
Unidades producidas más de 50.000 unidades
Autonomía 121Km ciclo EPA4, 200Km ciclo NEDC
Velocidad máxima 145Km/h
Precio 33900€5
NOTA 4: en ciclo EPA (Environmental Protection Agency) se calcula con el 80% de la carga de la batería, ese es uno de los motivos por el que hay tanta diferencia con el ciclo NEDC (New European Driving Cycle).
NOTA 5: este es el precio válido para España. Las ayudas a la compra de un coche eléctrico varían enormemente. Por ejemplo en el caso de España tenemos una ayuda de 6000euros. En Alemania no hay ningún tipo de ayuda, y en Estados Unidos varía de unos estados a otros, pero la ayuda típica es de un crédito de $7500. En este link gentileza de Teslar Motors se puede consultar las ayudas en cualquier país.


El aspecto del Leaf es bastante convencional. Recuerda a cualquier otro coche de dimensiones similares, como por ejemplo un Peugeot 308. No destaca particularmente por ninguna innovación respecto otros coches eléctricos disponibles en el mercado, y supongo que el éxito comercial viene de un precio competitivo, y unas características típicas de un coche medio. La construcción es más o menos la de un coche convencional (estructura de acero), aunque al ser diseñado exclusivamente como coche eléctrico las baterías se han situado debajo del piso, que es donde deben estar para no limitar el espacio en el habitáculo y bajar el centro de gravedad. Como la estructura es de acero el peso es de aproximadamente 150Kg más de lo que pesaría un coche tradicional de estas dimensiones. Ni las ruedas (205mm de ancho), ni la aerodinámica se diferencian especialmente de las características de cualquier otro coche.

En los coches alimentados con pilas de hidrógeno no hay un líder en el mercado como el Nissan Leaf, en realidad las ventas de estos coches son casi testimoniales. Aquí tenéis una lista de vehículos que se han desarrollado con celda de combustible. Un buen ejemplo de este tipo de coches es el Honda FCX Clarity:

Honda FCX Clarity modelo 2007. Fuente Wikipedia

Modelo FCX Clarity
Fabricante Honda
Año 2008
Dimensiones:
Largo
Ancho
Alto

4,834m
1,847m
1,468m
Tipo 4 puertas sedan, 4 plazas
Potencia 100KW
Aceleración 0 a 60mph 12,5s
Peso en vacío 1600Kg
Almacenamiento energía Hidrógeno6
Capacidad 4,1Kg a 350bar (depósito 171litros)
CD no publicado
CD×S no publicado
Unidades producidas unos cientos
Autonomía 386Km ciclo EPA
Velocidad máxima 160Km/h
Precio $600 al mes (leasing)
NOTA 6: además dispone de una batería iones de litio para recuperar la energía al frenar

Este coche se empezó a ofrecer en leasing hace 5 años, y así sigue en estos momentos, sin estar claro para cuando se fabricará en serie. Si después de 5 años sigue sin fabricarse en serie está claro que Honda no ver mercado para coches de hidrógeno, o lo que es peor, no es capaz de venderlo a un precio razonable.

A diferencia del Nissan Leaf, este es un coche poco convencional. Es ligero si tenemos en cuenta sus dimensiones. Ya que pesa más o menos lo mismo que coches similares convencionales. También tiene una aerodinámica aparentemente excepcional, aunque Honda no publica datos concretos.

Ahora hagamos el ejercicio de comparar el consumo de los dos coches presentados con un coche convencional. Comparar los dos coches eléctricos es razonable, ya que el Honda Clarity pesa sólo un poco más que el Nissan Leaf, y aunque sea más grande, la aerodinámica es muy superior a la del Leaf. Como coche de referencia escojo uno de los coches de precio razonable que menos consume y tiene un tamaño intermedio entre los dos coches eléctricos:

Renault Mégane Sport Tourer. Imagen gentileza de Renault.

Modelo Mégane Sport Tourer
Expression Energy dCi 110 S&S
Fabricante Renault
Año 2013
Dimensiones:
Largo
Ancho
Alto

4,567m
1,804m
1,507m
Tipo 5 puertas familiar, 5 plazas
Potencia 81KW (Turbodiésel 1,5l)
Aceleración 0 a 100Km/h 12,4s
Peso en vacío 1379Kg
Almacenamiento energía Gasóleo
Capacidad deposito 60litros
CD 0,32
CD×S 0,72m2
Unidades producidas cientos de miles
Autonomía más de 1000Km
Velocidad máxima 190Km/h
Precio 21500euros7
NOTA 7: este precio es válido para España, e incluye descuento de la marca.

Aquí tenemos un coche absolutamente convencional, razonablemente económico, muy vendido y destacable por un buen motor turbodiésel. Más o menos acelera lo mismo que los coches eléctricos. A baja velocidad apuesto por los coches eléctricos, en adelantamiento por encima de 90Km/h apuesto por el Mégane. Además el Mégan tiene una velocidad máxima muy superior y un alcance infinitamente superior. Finalmente el Mégan es 12.500euros más barato (en el caso de España).

Continuará...

NOTA: todos los datos obtenidos en las Wikipedia, salvo algunos datos del Renaul Mégane obtenidos en Km77.

16 mar. 2013

¿POR QUÉ EL COCHE ELÉCTRICO NO ES LA SOLUCIÓN EN ESTOS MOMENTOS? I

Lo vehículos eléctricos llevan con nosotros desde hace muchos años. Han tenido un éxito enorme en trenes, tranvías y suburbanos, pero también en vehículos de carretera como el trolebús. Sin embargo los coches eléctricos nunca han tenido verdadera difusión comercial, ni siquiera ahora que se dispone de baterías con una densidad de energía muy superior a la batería tradicional de ácido/plomo que montamos en cualquier coche convencional. Existen dos problemas fundamentales en el coche eléctrico:
  • Para el usuario: no se dispone de "electrolineras" en las que remplazar las baterías o "hidrogeneras" donde repostar hidrógeno.
  • Para el medio ambiente: no se dispone de suficiente generación eléctrica de fuentes renovables.
Alrededor de estos dos problemas tenemos el problema del almacenamiento de energía. Empecemos revisando las alternativas para almacenar energía:

Bombeo hidráulico
Lo comento porque este es el método más habitual para almacenar energía en grandes cantidades. El concepto es tan básico como almacenar energía aprovechando la energía potencial. Se bombea agua a un embalse elevado. Luego la energía eléctrica se genera invirtiendo el proceso. El rendimiento del proceso puede ser muy elevado, y el precio del sistema (por unidad de energía) es bajo, especialmente si ya se dispone de dos embalses para generar energía hidroeléctrica. Evidentemente no tiene ningún uso para un coche, pero estas instalaciones son necesarias si pretendemos extender el uso del coche eléctrico, ya que las energías eólica y solar son fuentes intermitentes. Como se verá más adelante, la energía solar y sobretodo la eólica son casi imprescindibles para que el coche eléctrico reduzca las emisiones de gases de efecto invernadero.

Comprimir aire
De momento esta es la única alternativa real al bombeo hidráulico para almacenar energía en grandes cantidades. Para que el almacenamiento sea económico se necesita disponer de un depósito barato, típicamente una mina subterránea abandonada suficientemente poco permeable para que las fugas sean pequeñas. Si se quiere utilizar en un coche tenemos un serio problema de densidad de energía. El problema está en el calentamiento de un gas. En una compresión de un gas sin intercambio de calor con el exterior (proceso adiabático) el aumento de la temperatura sigue la siguiente fórmula:

T2/T1 = (P2/P1)(γ-1)/γ

Donde:
T - es la temperatura absoluta, por tanto en el sistema internacional en grados Kelvin.
P - es la presión.
 γ - es la relación entre el calor específico del gas a presión constante (CP) y a volumen constante (CV), para el aire es aproximadamente 1,4.
1 - condiciones de entrada al compresor.
2 - condiciones de salida del compresor.

Veamos lo que ocurre con la temperatura del aire a la salida de este compresor ideal. Condiciones de partida aire a 25ºC y presión atmosférica al nivel del mar (1bar):


Esta estimación es optimista. Cuando se comprime un gas en la realidad el rendimiento es menor a la unidad. El efecto de esta falta de "idealidad" es que el gas se calienta más que con un compresor ideal. Por tanto aunque se pueda equipar el coche con un depósito que soporte 300bar de presión o incluso mucho más, el aire a esa presión se calienta hasta 1250ºC. Es una temperatura tan elevada que hace técnicamente casi inviable una compresión adiabática. Incluso aunque no se refrigere el aire, un depósito a una temperatura tan elevada no tardaría mucho tiempo en perder calor. Por eso en la práctica los sistemas de aire comprimido suelen trabajar con temperaturas próximas a la temperatura ambiente (compresión aproximadamente isoterma). Pero entonces, tenemos un serio problema, cuando el aire se expande para mover el coche alcanza temperaturas bajísimas; y aquí se reduce el rendimiento del sistema, ya que tenemos que calentar el aire mediante un cambiador de calor con el exterior (para poder continuar con el proceso de expansión) y tenemos que deshidratar el aire para evitar que se forme hielo. En resumen el rendimiento del sistema es bajo, y más aún si el aire comprimido se obtiene con un compresor doméstico, que tiene un rendimiento mediocre.
NOTA: una compresión más o menos isoterma requiere menos energía que una compresión adiabática, pero también se obtiene menos energía al expandir el aire. Sin embargo el verdadero problema está en la necesidad de transferir calor tanto al comprimir como al expandir el gas, ahí es donde empeora el rendimiento del sistema.

Pero volvamos al inicio del razonamiento ¿Cuanta energía almacenamos en un depósito de aire comprimido? La energía por litro de depósito es muy baja. Por lo explicado anteriormente, la energía razonable es la de una expansión isotérmica, en este caso la densidad energética (por unidad de volumen) sigue la siguiente fórmula:

W = P2×ln(P2/P1)

Para el caso de una presión de 300bar (30MPa) la energía por litro de depósito es de:

W = 1m3×30MPa ×ln(30/0,1) = 171MJ/m3 = 0,171MJ/l

NOTA: si el proceso fuera adiabático la densidad de energía aun sería menor debido a la elevada temperatura. Es decir, por unidad de masa (Kg de aire) la densidad de energía es muy superior, pero como a 1250ºC la densidad del aire es muy inferior respecto un proceso isotermo a 25ºC, disponemos de menos energía en nuestro depósito.

En resumen, en un depósito de aire a 300bar tenemos tan sólo un 0,5% de la densidad energética de un litro de gasóleo. Esta bajísima densidad (además del rendimiento mediocre del sistema) explica porque ha tenido poco éxito el coche de aire comprimido. Sí que tiene interés para coches híbridos, debido a que necesitamos acumular muy poca energía, típicamente sólo la necesaria para circular unos pocos kilómetros, y por tanto podemos utilizar presiones más bajas y depósitos de tamaño razonable. De hecho, en estos momentos el grupo PSA está a punto de comercializar un coche híbrido con aire comprimido:


Esquema del sistema Hybrid air Imagen gentileza de PSA
NOTA: según parece la presión utilizada en este sistema es del entorno de 20bar. Además, el aire comprimido no se utiliza directamente para mover el coche. Existe un sistema hidráulico intermedio. Es el líquido hidráulico el que acciona una bomba y motor hidráulico.

Energía cinética
Conceptualmente un acumulador cinético es esencialmente un volante de inercia. Las principales diferencias es que debe girar mucho más aprisa que un volante de inercia convencional, y debe tener unas pérdidas mucho menores:

Esquema acumulador cinético gentileza Wikipedia.

Para evitar que un acumulador cinético pierda energía es necesario que el volante esté en vacío y que no tenga rozamiento en los rodamientos. Para ello se utilizan rodamientos magnéticos.

La energía que puede almacenar un acumulador cinético es proporcional a la resistencia específica del material con el que se fabrica el volante. Dado que los materiales compuestos son los materiales que tienen mayores resistencias específicas, la mayor densidad energética se obtendrá con estos materiales. Teóricamente la densidad energética de un acumulador puede ser muy elevada, sin embargo, según este artículo de la Wikipedia la máxima densidad energética de un sistema completo típico es de 40KJ/Kg. No obstante, voy a suponer que técnicamente fuera posible un acumulador con una densidad 10 veces mayor, es decir 0,4MJ/Kg. Incluso en ese caso la densidad energética es un 1% de la energía disponible en un kilogramo de gasóleo. Esto explica porque tampoco se ven coches con acumuladores inerciales.

Al igual que en el caso del aire comprimido, los acumuladores cinéticos si son una opción factible para un coche híbrido:


Ejemplo acumulado cinético par automoción de un sistema de recuperación de energía al frenar, comúnmente conocido por sus siglas en inglés: KERS - Kinetic Energy Recovery System. Imagen obtenida en Wired.
NOTA: el KERS es muy conocido por su uso en la fórmula 1. No confundir con el ejemplo mostrado. Los KERS de fórmula 1 utilizan normalmente baterías en vez de acumuladores cinéticos.

Energía química
Finalmente llegamos a la gran apuesta de los coches eléctricos, las baterías químicas. Únicamente voy a presentar dos sistemas: las pilas de hidrógeno y las baterías de iones de litio.

Pilas de hidrógeno
Las pilas de hidrógeno, también conocidas como pilas de combustible son un sistema más eficiente que las máquinas térmicas para conseguir energía haciendo reaccionar el hidrógeno y el oxígeno para obtener agua.

En esta link de la Wikipedia podéis encontrar más información sobre pilas de hidrógeno. A diferencia de una batería convencional, los reactivos se pueden suministrar de manera continua, luego teóricamente el kilometraje que se puede circular con este sistema es superior a las baterías de iones de litio que se verán más adelante. Desgraciadamente en la práctica no es tan sencillo. Veamos algunos problemas:
  • El hidrógeno es un gas muy volátil, y de llama casi transparente. En principio es más peligroso que por ejemplo el gas natural.
  • El hidrógeno sólo es licuable a temperaturas criogénicas. No parece por tanto viable almacenar gas licuado en un coche. El hidrógeno a presión tiene una densidad energética pequeña. En la práctica en un coche con un depósito de tamaño razonable sólo se pueden almacenar unos pocos kilogramos de hidrógeno, lo cual forzosamente reduce el alcance respecto a un coche impulsado con cualquier hidrocarburo. Existen algunas otras posibilidades para almacenar hidrógenos, podéis consultar más información en este link de la Wikipedia, pero ninguna es completamente satisfactoria.
  • El rendimiento de una pila de hidrógeno (proceso carga descarga) es bajo comparado con el rendimiento de cualquier batería. Las mejores pilas pueden alcanzar un rendimiento del 70%, pero cuando se tienen en cuenta todas las pérdidas del sistema (incluido la necesidad de comprimir el hidrógeno), y además tenemos en cuenta que un coche requiere una pila relativamente pequeña (del orden de 10 a 100KW) y razonablemente ligera, el rendimiento real del sistema está más bien en el rango del 50%.
  • Las pilas de hidrógeno de momento son relativamente caras para aplicarlas en coches.
Atención, aunque el hidrógeno es una forma de almacenar energía eléctrica (cuando se obtiene el hidrógeno a través de la electrólisis del agua), en la práctica sale más económico obtenerlo a través de la descomposición del gas natural. Volveré sobre este punto más adelante.

Baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio son omnipresentes en los teléfonos móviles y en los ordenadores portátiles. De momento son también las baterías químicas de mayor densidad de energía disponibles comercialmente para automoción. Tienen una densidad energética hasta 5 veces mayor a una batería convencional de ácido/plomo. Las mejores baterías comerciales tienen una densidad energética de 0,9MJ/Kg. Esto tan sólo es el 2% de la densidad energética del gasóleo.

Además, estas baterías tienen algunas ventajas que las hacen idóneas para un coche:
  • Cuando no se usan se descargan lentamente. Hacen falta meses para descargar una batería.
  • El proceso de carga y descarga tiene un rendimiento elevado.
  • Una vida larga, aunque menos que un buen motor de combustión. Además, a lo largo de la vida la batería va perdiendo prestaciones.
Tienen al menos cuatro inconvenientes destacados:
  • En los diseños actuales hay que evitar descargar demasiado las baterías para prolongar su vida. De hecho cuanto menos se descarguen mayor es su vida. Esto impide aprovechar toda la capacidad teóricamente disponible.
  • Sólo funcionan correctamente en un rango determinado de temperaturas. Si la temperatura es demasiado alta la batería podría llegar a arder espontáneamente. En algunos casos la temperatura de ignición se puede alcanzar simplemente cortocircuitando las baterías. Especialmente los diseños con densidades de energía más altas son más propensos a los accidentes, como ha sufrido dolorosamente Boeing en su último avión, el Boeing 787.  Incluso un daño en la batería puede causar la ignición.
  • Estas baterías están muy bien para un teléfono móvil, pero son una alternativa cara para los coches.
  • El tiempo de recarga es alta. En el mejor de los casos hacen falta decenas de minutos para conseguir recargar un porcentaje importante de la capacidad de la batería.
Podéis obtener más información sobre estas baterías en la Wikipedia.

Otros sistemas de almacenamiento
Existen otros muchos tipos de baterías, en algunas características superiores a las baterías de iones de litio, pero de momento por diversos motivos no se consideran una alternativa interesante para coches. A destacar las baterias metal/aire y las baterías de sales fundidas.

También existen pilas de combustión que utilizan otros combustibles diferentes al hidrógeno.

Existen algunos sistemas exóticos para almacenar energía, de momento sin interés para un coche eléctrico:
  • Los supercondensadores.
  • Utilizar campos magnéticos generados con bobinas de materiales superconductores (conocido habitualmente por las siglas en inglés SMES, Superconducting Magnetic Energy Storage).
  • Almacenamiento de energía térmica. Típico de instalaciones solares térmicas, ya sea para producir electricidad en las horas punta cuando no se dispone de sol, o para proporcionar agua caliente doméstica.
  • Sintetizar hidrocarburos. El hidrógeno tiene problemas de almacenamiento, y es relativamente peligroso. Por eso puede tener interés sintetizar hidrocarburos. Si la fuente de partida es biomasa, entonces podemos tener un sistema totalmente sostenible.
Finalmente, el hidrógeno, además de utilizarlo en pilas de combustible, también se puede utilizar en motores térmicos. Esto es casi la única alternativa para aplicaciones donde la planta de potencia tiene que tener una potencia específica (KW/Kg) muy elevada. A destacar en aplicaciones aeronáuticas.

Continuará...

9 mar. 2013

EL CONSUMO ESPECÍFICO III - APLICACIÓN PRÁCTICA DE LA CURVA DE MÁXIMA EFICIENCIA

...Continuación post anterior.

En el post anterior he presentado la curva de máxima eficiencia de un motor de combustión. Para que se entienda mejor el concepto ahora voy a mostrar como afecta al consumo de un coche real. Partimos del diagrama de consumo específico que mostré en el anterior post. Como comentaba, se trata de un motor turbodiésel de 90CV, desarrollado por el grupo Volkswagen hace 15 años:



Tal y como hice en la serie sobre conducción en pendientes, Elijo un Volkswagen Golf que montaba este motor para obtener algunos números rápidos:


NOTA: las principales características de este coche, los supuestos realizados y el modelo utilizado para simular el consumo de este coche se muestran en este post y en este otro post.


Comencemos analizando lo que ocurre circulando en llano a velocidad constante

¿A qué velocidades hay que circular para que el motor funcione en alguno de los puntos de la curva de máxima eficiencia?

La respuesta es sencilla:

Velocidad
(Km/h)
Marcha Régimen motor
(rpm)
9 1000
16 1000
25 1000
35 1000
45 1000

¡Únicamente podemos circular a velocidades típicas de circulación urbana! Para cualquier velocidad superior necesitaríamos marchas más largas para conseguir que el motor funcione sobre la curva de máxima eficiencia. Para mostrar más claramente lo que os comento hagamos el cálculo inverso:

¿Circulando a 120Km/h, cual es el desarrollo óptimo? La potencia necesaria para circular en estas condiciones es de 20KW. En esta estimación falta añadir las pérdidas de la transmisión. Si supongo un rendimiento de la transmisión del 97%, la potencia que tiene que suministrar el motor es de 20/0,97, es decir casi 21KW. En el anterior post mostraba como para esa potencia el óptimo es un régimen de 1500rpm, por tanto el desarrollo que necesitamos es de 120/1500 = 80Km/h×1000rpm.
Es decir para circular por autopista es deseable un desarrollo muy largo. Por ejemplo harían falta 7 o mejor 8 marchas para disponer de una marcha tan larga.
NOTA: en la práctica no son necesarios desarrollos tan largos. Como mostraba en el primer post sobre consumo específico, con un desarrollo de 68Km/h×1000rpm es suficiente para la marcha más larga.


Veamos lo que ocurre circulando con el motor muy cargado

Acabamos de ver que en llano y a velocidad constante normalmente es difícil circular en la curva de máxima eficiencia a velocidades típicas de carretera y autopista. Sí que es posible si el motor está mucho más cargado. Para ello hay que acelerar o subir una pendiente. Como el diagrama de consumo específico no es válido en condiciones de aceleración, estudiaremos el caso de una pendiente elevada. En particular el caso de una pendiente del 7,5% (reutilizamos los cálculos de este post):

En estas condiciones podemos circular a 7 velocidades distintas sobre la curva de máxima eficiencia:

Velocidad
(Km/h)
Marcha Régimen motor
(rpm)
9 1000
16 1000
25 1000
42 1200
77 1700
117 2600
130 3700

Represento estos puntos en la misma gráfica que calculé de consumo en función de la velocidad:
NOTA: en esta gráfica se representa el consumo del coche para cada una de las cinco marchas en función de la velocidad. También se añade una curva discontinua donde se sugiere la marcha más razonable para cada velocidad.



Veamos qué conclusiones se pueden sacar de esta gráfica:

  • Si unimos los siete puntos obtenemos el mínimo consumo posible para cada velocidad si tuviéramos un desarrollo óptimo.
    NOTA: en realidad harían falta más puntos para obtenerla curva con algo más de precisión. Además en esta curva tiene importancia el rendimiento del sistema de transmisión. El principio el rendimiento debería ser pero cuanto más corto es el desarrollo.
  • Como disponemos de un coche de 5 marchas el menor consumo no tiene por qué darse sobre la curva de máxima eficiencia. Veámoslo con un ejemplo. Circulando en 2ª marcha el mínimo de consumo se da a 25Km/h. En cambio en la curva de máxima eficiencia (velocidad de 16Km/h) se consume más. Sin embargo con una marcha más larga se puede consumir bastante menos a 25Km/h, de hecho se da la casualidad que el desarrollo de la 3ª marcha es el óptimo para circular a 25Km/h.
    NOTA: normalmente a más velocidad más consumo. Sin embargo esto deja de ser cierto a muy baja velocidad (en este ejemplo a menos de 35Km/h). El consumo del coche es el resultado de multiplicar el rendimiento del motor por el par que debe suministrar el motor. A muy baja velocidad aumentan ambos términos. Por una parte empeora el rendimiento del motor (como ya he comentado en numerosas ocasiones), y por otra aumenta el par necesario. El motivo está en la potencia auxiliar. La potencia auxiliar es la que consumen los elementos auxiliares del coche (típicamente dirección asistida, climatización, ventilador del radiador y cualquier otra potencia a través del alternador). Como la potencia auxiliar es poco dependiente con la velocidad (de hecho en mi modelo supongo el término constante), cuanto más despacio circulas más aumenta el consumo, ya que la potencia es proporcional al par por la velocidad. Si la velocidad es menor el par es mayor. Por eso en este ejemplo la resistencia que tiene que vencer el motor es la misma a 10Km/h y a 65Km/h. Por eso cuando se circula a baja velocidad es muy importante disponer de sistemas eficientes que reduzcan al máximo la potencia auxiliar.
  • Si dispones de un cambio de marchas continuo parece una buena idea seguir la curva de máxima eficiencia. Sin embargo cuando sólo dispones de un cambio manual de cinco marchas hay zonas en el que el funcionamiento del motor es inestable.  Veámoslo con un ejemplo. Supongamos que circulamos en 3ª marcha en la curva de máxima eficiencia, es decir en este ejemplo a 1000rpm, si por un despiste o un aumento de la pendiente el régimen del motor bajara a 950rpm costaría bastante recuperar un régimen de 1000rpm, e incluso puede que hubiera que reducir a 2ª marcha. Esto no ocurriría si tuviéramos un cambio continuo como el Toyota Prius, ya que en estas condiciones el control del cambio pasaría a un desarrollo más corto automáticamente, permitiendo acelerar sin dificultad hasta 1000rpm. Sin embargo, aunque no sea siempre recomendable llevar el motor en la curva de máxima eficiencia, si es una muy buena guía de por donde hay que llevar el motor del coche. Fijaros como las marchas que recomendaba en este post para cada velocidad (curva en negro en la gráfica de más arriba) se parece mucho a la curva de máxima eficiencia. Y si este coche dispusiera de más marchas aún se parecería más.

Conclusión final:

Como ya comentaba en el post anterior, la principal lección que hay que sacar de todo esto es que hay que ajustar las revoluciones del motor a la potencia que suministra el motor.

Por ejemplo para un coche con una potencia normal (por ejemplo coches con velocidad máxima en el entorno 160Km/h y 200Km/h). Para velocidades muy bajas (típicamente circulación urbana) hay que llevar el motor muy por debajo del par máximo (en realidad tan bajo como te permita las características del motor de tu coche). Para velocidades típicas de carretera hay que llevar el motor un poco más revolucionado, pero por debajo del par máximo. Para velocidades típicas de autopista hay que llevar el motor en el entorno del par máximo. Desgraciadamente en la mayoría de los coches no se dispone de marchas suficientemente largas para que el motor esté tan poco revolucionado en autopista.

Cuando se requiera más potencia, es decir al acelerar o subir cuestas, el régimen del motor se aumentará. En la mayoría de las condiciones reales no hay que subir el régimen demasiado (por ejemplo aumentar el régimen en 1000rpm suele ser suficiente para subir cuestas pronunciadas y acelerar bastante el coche).

Por el mismo motivo cuando bajamos pendientes o deceleramos el coche el régimen del motor se ha de reducir al mínimo posible.

La potencia del coche tiene un efecto importante. Si dispones de un motor potente  el régimen de funcionamiento ha de reducirse más. En el caso de un motor muy potente ni siquiera es conveniente (desde el punto de vista del consumo) circular cerca del par máximo, lo conveniente suele ser llevar siempre el motor muy poco revolucionado.

En cambio si tienes un motor muy justo de potencia el régimen ha de aumentarse más. En estos coches en adelantamientos o subida de cuestas importantes será necesario revolucionar el motor muy por encima del par máximo, buscando la zona de máxima potencia.

Además, no hay que olvidar que cada motor es diferente. La curva de máxima eficiencia puede variar mucho de un motor a otro. Por eso es importante conocer para tu coche a qué régimen hay que llevar el motor para que el consumo sea mínimo. Por ejemplo como mostraba en este post, mi coche sólo funciona correctamente a 1000rpm (en llano a velocidad constante) en 1ª marcha y 2ª marcha.

8 mar. 2013

ÍNDICE DE CONTENIDO BLOG

PRESENTACIÓN


¿CÓMO CONDUCIR PARA CONSUMIR MENOS?
UN PAR DE OBVIEDADES

DECÁLOGO PARA REDUCIR EL CONSUMO

COMÓ MINIMIZAR EL EFECTO DEL AIRE ACONDICIONADO EN EL CONSUMO

CONSEJOS PARA CONDUCIR CON PENDIENTES PARA MINIMIZAR EL CONSUMO, Y ALGUNOS MITOS

CÓMO MINIMIZAR EL CONSUMO CON UN COCHE ELÉCTRICO

CIRCULAR EN PUNTO MUERTO: CONSEJOS PARA CIRCULACIÓN URBANA

CIRCULAR EN PUNTO MUERTO: CONSEJOS PARA CIRCULAR EN CARRETERA


SERIE ENEMIGOS DEL CONSUMO
LA VELOCIDAD
¿A QUÉ VELOCIDAD DEBO CIRCULAR POR AUTOPISTA?

EL FRENO I
EL FRENO II

LA POTENCIA I
LA POTENCIA II

LA RESISTENCIA DE RODADURA I
LA RESISTENCIA DE RODADURA II

LOS TRANSITORIOS I - EL ARRANQUE EN FRÍO
LOS TRANSITORIOS II - LAS ACELERACIONES

EL DESARROLLO INADECUADO I
EL DESARROLLO INADECUADO II
EL DESARROLLO INADECUADO III
EL DESARROLLO INADECUADO IV

EL PESO, MALO PARA EL CONSUMO Y BUENO PARA LA SEGURIDAD I
EL PESO, MALO PARA EL CONSUMO Y BUENO PARA LA SEGURIDAD II
EL PESO, MALO PARA EL CONSUMO Y BUENO PARA LA SEGURIDAD III


JUSTIFICACIÓN SERIE ¿CÓMO CONDUCIR PARA CONSUMIR MENOS?
LEYENDAS URBANAS: CONECTAR EL AIRE ACONDICIONADO CONSUME MUCHO I
LEYENDAS URBANAS: CONECTAR EL AIRE ACONDICIONADO CONSUME MUCHO II
LEYENDAS URBANAS: CONECTAR EL AIRE ACONDICIONADO CONSUME MUCHO III

¿CÓMO CONDUCIR CON PENDIENTES PARA MINIMIZAR EL CONSUMO? I
¿CÓMO CONDUCIR CON PENDIENTES PARA MINIMIZAR EL CONSUMO? II
¿CÓMO CONDUCIR CON PENDIENTES PARA MINIMIZAR EL CONSUMO? III
¿CÓMO CONDUCIR CON PENDIENTES PARA MINIMIZAR EL CONSUMO? IV
¿CÓMO CONDUCIR CON PENDIENTES PARA MINIMIZAR EL CONSUMO? V
¿CÓMO CONDUCIR CON PENDIENTES PARA MINIMIZAR EL CONSUMO? VI
¿CÓMO CONDUCIR CON PENDIENTES PARA MINIMIZAR EL CONSUMO? VII
¿CÓMO CONDUCIR CON PENDIENTES PARA MINIMIZAR EL CONSUMO? VIII

CIRCULAR EN PUNTO MUERTO I: PRESENTACIÓN
CIRCULAR EN PUNTO MUERTO II: IMPACTO EN LA SEGURIDAD
CIRCULAR EN PUNTO MUERTO III: ¿POR QUÉ?
CIRCULAR EN PUNTO MUERTO IV: LA TEORÍA
CIRCULAR EN PUNTO MUERTO V: CUESTA ABAJO
CIRCULAR EN PUNTO MUERTO VI: CUESTA ABAJO EN CONDICIONES REALES
CIRCULAR EN PUNTO MUERTO VII: FRENAR A ALTA VELOCIDAD
CIRCULAR EN PUNTO MUERTO VIII: FRENAR A BAJA VELOCIDAD
CIRCULAR EN PUNTO MUERTO IX: CIRCULAR POR IMPULSOS
CIRCULAR EN PUNTO MUERTO X: RECOMENDACIONES PARA CIRCULAR POR IMPULSOS


SERIE TÉCNICA Y TECNOLOGÍA
EL CONSUMO ESPECÍFICO DEL MOTOR I
EL CONSUMO ESPECÍFICO DEL MOTOR II
EL CONSUMO ESPECÍFICO DEL MOTOR III

MOTORES DIÉSEL I
MOTORES DIÉSEL II
MOTORES DIÉSEL III
MOTORES DIÉSEL IV
MOTORES DIÉSEL V

LOS CONSUMOS HOMOLOGADOS I - ¿SE PUEDEN SUPERAR?
LOS CONSUMOS HOMOLOGADOS II - ¿SE PARECEN A LOS CONSUMOS REALES?
LOS CONSUMOS HOMOLOGADOS III - ¿CÓMO SE OBTIENE EL CONSUMO HOMOLOGADO?
LOS CONSUMOS HOMOLOGADOS IV - ¿POR QUÉ SUBESTIMAN EL CONSUMO?
LOS CONSUMOS HOMOLOGADOS V - ¿NOS ENGAÑAN LOS FABRICANTES?

¿POR QUÉ EL COCHE ELÉCTRICO NO ES LA SOLUCIÓN EN ESTOS MOMENTOS? I
¿POR QUÉ EL COCHE ELÉCTRICO NO ES LA SOLUCIÓN EN ESTOS MOMENTOS? II
¿POR QUÉ EL COCHE ELÉCTRICO NO ES LA SOLUCIÓN EN ESTOS MOMENTOS? III
¿POR QUÉ EL COCHE ELÉCTRICO NO ES LA SOLUCIÓN EN ESTOS MOMENTOS? IV

SOBRE EL RENDIMIENTO Y EL MOTOR TÉRMICO IDEAL


SERIE LA IMPORTANCIA DEL COCHE EN EL CONSUMO
LA IMPORTANCIA DEL COCHE
¿ES SEGURO MI COCHE?
¿CUÁNTO AHORRO CON MI COCHE NUEVO? I
¿CUÁNTO AHORRO CON MI COCHE NUEVO? II
¿CUÁNTO AHORRO CON MI COCHE NUEVO? III
¿CUÁNTO AHORRO CON MI COCHE NUEVO? IV


OFF TOPIC
LA VELOCIDAD MEDIA, LA PEOR DE LAS MEDIAS POSIBLES

EL DEPORTIVO ELÉCTRICO
 
LA RESISTENCIA DE RODADURA III


NOTA: ya hay suficientes posts en el blog para que sea un poco confuso moverse por él. El objeto de este post es proporcionar un poco de claridad. Iré actualizando con el tiempo este índice.

2 mar. 2013

EL CONSUMO ESPECÍFICO II - LA CURVA DE MÁXIMA EFICIENCIA

En el post en que se explicaba el consumo específico y el diagrama de consumo específico dejé pendiente explicar la curva de máxima eficiencia. La curva de máxima eficiencia es la que contiene los puntos de máxima eficiencia del motor para cualquier potencia. Es decir, es la curva que seguiría el coche con un cambio de marchas continuo. En este post explicaba que es un cambio de marchas continuo.

Si se dispone del diagrama de consumo específico del motor obtener la curva de máxima eficiencia es sencillo, únicamente hay que buscar para cada potencia el punto donde el consumo específico mínimo.
NOTA: dado que la potencia de un motor es el régimen por el par, las curvas de potencia constante corresponde a funciones inversas, es decir de fórmula y = k/x. Simplemente hay que representar estas curvas de potencia constante y buscar en qué punto el consumo específico es mínimo. En la figura de más abajo las curvas de potencia constante se representan en azul.

La mejor forma de verlo es con un ejemplo. Vuelvo a utilizar el diagrama de un motor turbodiésel del grupo Volkswagen que ya he utilizado en varias ocasiones en el blog (fuente Wikipedia):



Como es lógico el polo económico es uno de los puntos de la curva. Para que esta curva sea un poco más gráfica la represento de la siguiente manera:
  • Consumo específico en función de la potencia.

  • Régimen del motor en función de la potencia.



Veamos algunas conclusiones que se pueden obtener de estas curvas:
  • El motor tiene un rendimiento próximo al óptimo en un rango de potencias muy amplio. Dependiendo del motor (gasolina o diésel, 2 o 4 válvulas por cilindro, turbo o atmosférico) y en general en función de los refinamiento que tenga el motor, el rango en el que el rendimiento sea razonablemente bueno será mayor o menor. Por ejemplo en el caso del motor del Toyota Prius, que funciona con un ciclo Atkinson (se verá más adelante), o del motor de Honda mostrados más abajo (ambos de gasolina) se mantiene un buen consumo específico hasta la potencia máxima, en cambio en el motor turbodiésel mostrado más arriba se mantiene el buen rendimiento hasta el 90% de la potencia máxima. Sin embargo en todos los motores de combustión alternativa el rendimiento es muy malo a cargas muy bajas. Por ejemplo en el motor turbodiésel mostrado más arriba esto ocurre para potencias inferiores al 15% de la potencia máxima. Esta incapacidad de conseguir un rendimiento aceptable a cargas muy bajas explica porque los consumos son mediocres en coches con mucha potencia (esto se mostraba en este post).

  • En general es una mala idea para el consumo del coche seguir el consejo de llevar el motor en el régimen de par máximo. En realidad debemos ajustar el régimen del motor a la potencia necesaria. Para potencias muy bajas habrá que circular a un régimen muy bajo (como mostraba en este post), para potencias bajas habrá que circular a régimen bajo, es decir por debajo del par máximo (como mostraba en este post), y sólo para potencias altas hay que circular en un régimen en el entorno del par máximo. Obviamente, si tienes que circular a potencias muy altas (por ejemplo en el turbodiésel mostrado más de 45KW) hay que circular a un régimen por encima del par máximo, sin embargo en un coche con una potencia suficiente es raro que sea necesaria tanta potencia, por tanto, en la mayoría de los coches únicamente en el caso de extremos está justificado (desde el punto de vista del consumo) circular a un régimen por encima de la zona de par máximo. Salvo que circules a velocidades elevadísimas, típicamente los casos extremos en los que se requiere que el motor trabaje en la zona de máxima potencia se reducen a adelantamientos, incorporaciones delicadas a una vía rápida y tal vez subida de pendientes fuertes en autopista.

  • Salvo que tengas un coche con una transmisión continua, por ejemplo un Toyota Prius; únicamente conseguirás hacer funcionar el motor en la curva de máxima eficiencia en un punto para cada marcha (o a lo sumo dos puntos). Por ejemplo, supongamos que estás circulando en llano a velocidad constante con un coche con cinco marchas. Normalmente únicamente a cinco velocidades determinadas (una para cada marcha) conseguirás llevar el motor en la curva de máxima eficiencia. Si te mueves a velocidades bajas (típicamente hasta 70Km/h o 80Km/h) es fácil moverse en la zona de la curva de máxima eficiencia evitando algunos rangos de velocidad poco favorables (ver este post donde se muestra un caso real), sin embargo si te mueves a velocidades típicas de autopista no dispones de marchas suficientemente largas para que el motor funcione en la curva de máxima eficiencia (este problema se explicaba en este post). En realidad hay una solución, disponer de un cambio muy largo de 7 o 8 marchas. Como mostraba en este post, en la práctica sólo se encuentra coches de 7 o 8 marchas con cambios automáticos.
La curva de máxima eficiencia que he mostrado en la figura de más arriba es la típica curva de un motor diésel, para potencias elevadas la curva sigue la curva de par máximo. Por eso en un motor diésel no suele ser un problema para el consumo pisar el acelerador mucho (cuando se requiere mucha potencia). No suele ocurrir lo mismo en un motor de gasolina. Esto ya lo he comentado alguna vez, por ejemplo en este post. También se ve muy claramente en la curva de máxima eficiencia:


NOTA: consumo específico en g/KWh. Motor de gasolina IMA de Honda, cilindrada 1,4l, datos año 2006. Fuente tesis doctoral de J. V. Baalen. El régime del motor su muestra en radianes por segundo. 1 rad/s = 9,55rpm.

Los datos corresponden a un motor de gasolina convencional (ciclo Otto). Esa curva roja un tanto errática es la curva de máxima eficiencia (OOL = Optimal Operating Line). Fijaros como para este motor la curva siempre está claramente por debajo de la curva de par máximo.

Continuará...