PERSPECTIVA DE LA ELECTROMOVILIDAD EN ESPAÑA

PERSPECTIVA DE LA ELECTROMOVILIDAD EN ESPAÑA
ENFOCADO EN EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN EN LOS
COCHES ELÉCTRICOS.
Autor: Sánchez Sirvent, María del Pilar
Director: Wagner, Markus.
Entidad colaboradora: Technische Universität München TUM.
RESUMEN DEL PROYECTO
1. Introducción
Este proyecto está dividido básicamente en dos partes:
La primera parte consiste en un análisis de las diferentes energías que
hay en España. El objetivo es hacer un sumario de los distintos tipos de
energía primaria que se consumen en el país, así como los distintos
procesos que son llevados a cabo para transformar dicha energía
primaria en energía final, lista para el consumidor. También se ha
llevado a cabo un análisis de cómo se distribuye dicha energía final en
los diferentes sectores. Esto incluye el sector Industrial, el sector
servicios, el sector primario, el sector residencial y, finalmente, el sector
del transporte. Las principales características de este sector, al ser el
mayor consumidor de energía, han sido estudiadas más en detalle.
Tras el análisis del sistema energético, se han investigado las emisiones
de CO2 asociadas al consumo de las distintas materias primas, así como
a los distintos procesos de transformación de dichas materias en energía
final. Las emisiones asociadas al consumo de dicha energía final han
sido también analizadas, diferenciando las atribuidas a cada sector. Este
análisis nos lleva a identificar al sector de transporte como el mayor
responsable de las emisiones de CO2 en España, especialmente el
transporte por carretera, como era de esperar.
La segunda parte está enfocada en la demanda energética del sistema
refrigerante de los coches eléctricos. Estos coches, como bien indica su
nombre, son propulsados gracias a la energía eléctrica almacenada en
grandes baterías a bordo del vehículo. Son una propuesta ecológica
alternativa a los vehículos de combustión interna, debido a la ausencia
de emisiones directas. El principal problema de estas baterías es la baja
capacidad de almacenamiento de energía que presentan, lo que se
traduce en una limitada autonomía. Además esta autonomía es muy
variable, puede verse dramáticamente reducida si se incrementa el
consumo de energía de la batería. El sistema refrigerante de los coches
2 eléctricos consume una cantidad sustancial de dicha energía, llegando a
reducir la autonomía considerablemente.
El objetivo de esta parte es analizar la demanda energética del sistema
de refrigeración de un coche eléctrico de dicha batería y con ello,
estudiar los cambios que esta demanda de energía extra produce sobre
la autonomía del vehículo.
2. Metodología
La metodología usada para desarrollar este proyecto ha sido:
En primer lugar, como bien se ha explicado en la introducción, se ha
realizado un análisis del sistema energético español y las emisiones de
CO2, diferenciando entre las distintas materias primas usadas, los
diversos procesos energéticos y transformaciones que sufren dichas
materias hasta convertirse en energía final, y los distintos sectores a los
que va dirigida dicha energía. Se ha descrito las emisiones asociadas a
dichos consumos de energía primaria, transformaciones, y energía final.
En segundo lugar, para analizar el consumo del sistema de refrigeración
de los coches eléctricos, se ha desarrollado una herramienta de
simulación en el programa Matlab. Dicha herramienta calcula la energía
demanda de la batería del vehículo eléctrico bajo distintas condiciones
de temperatura y de velocidad. De este modo se puede apreciar como
este consumo es mayor cuando el aire acondicionado se encuentra en
funcionamiento. El efecto que este aumento de demanda de energía de
la batería produce sobre la autonomía del vehículo ha sido también
investigado. Finalmente, la energía total consumida por una determinada
flota de coches durante un año ha sido también calculada.
3. Resultados y conclusiones
El sistema energético español esta basado principalmente en el
consumo de combustibles fósiles, lo que produce altas emisiones de
dióxido de carbono CO2. La materia prima más usada es el petróleo y
sus derivados, representando en 2011 un 48,7% del total de energía
primaria consumida, seguida del gas natural en un 20,7%. Las energías
3 renovables ascendieron a un total del 10,4%, porcentaje que se ha visto
doblado en los últimos años y que espera seguir esta tendencia de
crecimiento hasta alcanzar un 20% a finales del año 2020, según lo
acordado en Plan de Acción de Energías Renovables 2011-2020 [1]. El
sector del transporte es el mayor consumidor de energía. En 2011,
1,505 EJ fueron consumidos por este sector, lo que representa un
43,5% del total de energía final consumida en España. Especialmente el
transporte por carretera, responsable del 38,2%. Como es de suponer,
también es el mayor responsable de las emisiones de CO2, llegando a
representar en 2011 el 47,9% del total de emisiones atribuidas al
consumo de energía final. Un cambio en este sector es necesario para
alcanzar una política sostenible respetable con el medio ambiente. [2 ,3]
El coche eléctrico es una posible solución. De este modo, el petróleo
perdería importancia, y la electricidad ganaría relevancia en este sector.
Para reducir las emisiones de CO2, sería necesario incrementar la
participación de las energías renovables en la matriz energética en lo
que respecta a generación de electricidad. Esto supondría una ventaja
relevante para la energía de España, no solo por la mitigación del efecto
invernadero, si no también porque convertiría a España en un país mas
autosuficiente con tecnologías renovables más desarrolladas, y menos
dependiente del petróleo importado. Para que esta solución sea posible,
el vehículo eléctrico debe sufrir un mayor desarrollo. Sin embargo sigue
habiendo numerosos factores que impiden su integración en la
sociedad, entre ellos su reducida autonomía.
Tras analizar el consumo energético de la batería a lo largo de todo un
año, se ha podido apreciar cómo dicho consumo aumenta en los días de
verano debido a la demanda energética del sistema de refrigeración del
coche (cabe destacar que en el estudio sólo se ha tenido en cuenta el
sistema de refrigeración, no la calefacción, de este modo se puede
apreciar la diferencia de consumo al usar el aire acondicionado).
4 Variation of specific consumption kWh/100 km of the battery
19.5
19
kWh/100 km
18.5
18
17.5
17
16.5
16
0
1000
2000
3000
4000
5000
hours
6000
7000
8000
Fig. 3.1: Energía específica consumida cada 100 km a lo largo de un año.
Este aumento de demanda de energía de la batería puede causar una
reducción de la autonomía del vehículo hasta en un 16% en los días
mas calurosos del año. Algunos resultados se han recopilado en la
siguiente tabla.
Tabla 3.1: Valores de la autonomía del vehículo eléctrico en diferentes días de un año.
Cruising range
Month
Toutside (ºC)
AC
2nd January
-0,6
OFF
147,45
16th June
26,9
ON
138,97
20th July
35,8
ON
127,93
5th August
39,6
ON
123,96
21st September
25,5
ON
140,76
(km)
5 4. Referencias
[1]
Ministerio de Industria, Energía y Turismo. Instituto de diversificación y
ahorro de energía (IDAE). Resumen del Plan de Energías Renovables
2011-2020.
[2]
Alessandro Danesin, María Cruz Lascorz, Pedro Linares, Álvaro LópezPeña, Ignacio Pérez-Arriaga, Renato Rodrigues. Observatorio de
Energía y Sostenibilidad en España, Universidad Pontificia de Comillas,
Madrid, 2012.
[3]
Ministerio de Industria, Energía y Turismo. Secretaría de estado. La
Energía en España 2011. Madrid, 2011.
6 PERSPECTIVES OF ELECTROMOVILITY IN SPAIN FOCUSED
ON COOLING REQUIREMENTS OF ELECTRIC VEHICLES
1. Introduction
This project is basically divided into two different parts. In the first part the
basic structures of Spain’s energy are investigated and described. The
aim is to summarize the different types of primary energy consumed in
Spain and the different processes that are carried out to transform this
primary energy into final energy. An analysis is made of how this final
energy is dispatched to the different sectors. These include the industrial
sector; the trade, commerce and service sector; the primary sector; the
residential sector; and the transport sector. The characteristics of the main
energy consumer, the transport sector, will be further described.
After the energy system analysis, the CO2 emissions from the different
types of primary energy and from the different sectors have been also
investigated, as those from the diverse processes that are carried out to
transform these raw materials into final energy. The emissions from the
consumption of the different types of final energy have also been
described, making a difference between sectors. Transport sector is
identified as the major CO2 emitter, especially road transport, as could be
expected.
The second part focuses on the cooling requirements of electric vehicles.
Battery electric vehicles (BEVs) are propelled by an electric motor and
use, as indicated in its name itself, a large onboard battery as an energy
storage system. These vehicles are one of the recommended solutions to
reduce the CO2 emissions because of its zero direct emissions. The main
disadvantage of these vehicles is that their batteries have a low energy
capacity storage, which is traduce in a reduced cruising range. The
heating and air-conditioning system requires a substantial amount of the
power from the battery, considerably reducing the range of the car. These
7 are some of the most important factors that have hindered the integration
of electric vehicles into society.
The goal of this paper is to determine a simulation model of an airconditioning system of an electric vehicle in a realistic temperature
scenario and driving cycle. This model allows us to determine the power
required from the battery at any instant, and therefore the energy
consumed by an individual electric vehicle. The total amount of energy
consumed by different fleet of vehicles will be also evaluated.
2. Methodology
The methodology used for developed this paper has been:
As explained in the introduction, for the first part, an analysis of the
Spanish energy system and the CO2 emissions has been made, making a
difference between the different raw materials used, the divers processes
and transformations that these materials suffer until they are converted
into final energy, and the different sectors in which this final energy is
used. The emissions attributed to the primary energy and final energy
consumption has been also described.
Then, for analyze the consumption of the air-conditioning system of an
electric vehicle; a simulation tool has been developed in Matlab. This tool
calculates the energy consumed by the battery under different
temperature conditions and driving cycles. It can be appreciate how this
consumption is higher when the air-conditioning is working. The effect that
this rise of the energy demanded from the battery cause in the autonomy
of the car has also been studied. To finish, the total amount of energy
consumed by a certain fleet of cars during a whole year has also been
studied.
8 3.
Results and conclusions
The Spanish energy system is mainly based on the combustion of fossil
fuels, which produce high carbon dioxide (CO2) emissions. The most used
primary energy is oil and oil derivatives. In 2011 it represents 48,7% of the
total primary energy consumption, followed by natural gas at 20,7%.
Renewables energies ascended to 10,4%, percentage that has been
doubled in the last years, and it seems to keep on with this growing trend
till achieve 20% at the end of 2020, according to Plan de Acción de
Energías Renovables 2011-2020 [1]. The transport sector is the major
energy consumer and therefore, the major CO2 emitter. In 2011, 1,505 EJ
were consumed by this sector, which represents 43,5% from the total final
energy consumed in Spain. Especially transport by road, responsible for
38,2%. As it could be expected, transport sector is also the major CO2
emitter, accounting for 47,9% of the total emissions from the final energy
consumption in 2011. To over come this problem, changes in this sector
must be made. [2,3]
At the moment, it seems that a reasonable solution to this obstacle, is the
integration of the electric vehicle into the society. This way, oil wouldn’t be
so important and electricity would gain relevance in this sector.
Accordingly, to achieve a maximal reduction of the CO2 emissions, it is
necessary to increase the participation of renewables energies in the
electricity generation. This would mean a relevant advantage for the
Spanish energy sector, not only because of the mitigation of the
greenhouse effect, but also because Spain would be less dependent on
the imported oil. Spain would be more self-sufficient due to its highdeveloped renewable technologies.
For this solution to be possible, the electric vehicle should be more
developed. However, the electric vehicle faces many different obstacles.
One of the main problems that hindered its integration into the transport
9 sector is the short driving range and the low amount of charging
infrastructure.
While analyzing the energy consumption of the battery during a whole
year, it can be appreciate how this consumption is higher in the summer
due to the increase of the energy demand because of the air-conditioning
system.
Variation of specific consumption kWh/100 km of the battery
19.5
19
kWh/100 km
18.5
18
17.5
17
.
16.5
16
0
1000
2000
3000
4000
5000
hours
6000
7000
8000
Fig. 3.1: Energy consumed every 100 km as function of the hour of the year.
This increase in the energy consumption can dramatically decrease the
autonomy of the car. This reduction can be as far as 16%, meaning that in
the hot days, the electric vehicle has even less autonomy.
10 Tabla 3.1: Results of the cruising range for different hours of the year.
Toutside (ºC)
AC
2nd January
-0,6
OFF
147,45
16th June
26,9
ON
138,97
20th July
35,8
ON
127,93
5th August
39,6
ON
123,96
21st September
25,5
ON
140,76
4.
[1]
Cruising range
Month
(km)
References
Ministerio de Industria, Energía y Turismo. Instituto de diversificación y
ahorro de energía (IDAE). Resumen del Plan de Energías Renovables
2011-2020.
[2]
Alessandro Danesin, María Cruz Lascorz, Pedro Linares, Álvaro LópezPeña, Ignacio Pérez-Arriaga, Renato Rodrigues. Observatorio de Energía
y Sostenibilidad en España, Universidad Pontificia de Comillas, Madrid,
2012.
[3]
Ministerio de Industria, Energía y Turismo. Secretaría de estado. La
Energía en España 2011. Madrid, 2011.
11