Funcionamiento de los vehículos híbridos

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Tecnologías de
propulsión híbridas
y las evidencias científicas de su eficacia
El objetivo de esta línea
de actuación de Fitsa
es difundir la eficacia,
científicamente probada,
de las tecnologías de
seguridad y protección
ambiental –valores
positivos– presentes en
el automóvil.
Con ello se pretende
poner en valor social y
de mercado
el conocimiento de
estas tecnologías,
induciendo así su
demanda por parte de
los ciudadanos en
beneficio de su seguridad
y del medioambiente,
que es uno de
los Objetivos Directores
de las actuaciones de
la Fundación.
En los trabajos de
investigación y análisis
han colaborado diversas
entidades especializadas
en los ámbitos
tecnológicos concretos,
y a quienes Fitsa expresa
su reconocimiento.
Tecnologías
de propulsión
híbridas
y las evidencias
científicas de su
eficacia
• La necesidad de construir
vehículos cada vez más limpios
ha impulsado el desarrollo de
soluciones innovadoras y eficaces
para la reducción del uso de
fuentes de energía no renovables
y, además, contaminantes. Los
vehículos híbridos representan el
principal salto tecnológico de los
últimos años en este sentido.
• El uso de vehículos híbridos
tiene dos ventajas principales:
la reducción de emisiones
contaminantes y el ahorro de
combustible. Ambos se consiguen
gracias, principalmente, a las
estrategias de recuperación
de energía.
• Se estima que gracias al frenado
regenerativo que incorporan los
vehículos híbridos es posible
recuperar hasta el 30% de la
energía cinética, lo cual se
traduce en un ahorro de cerca de
un litro de gasolina por cada 100
km recorridos en ámbito urbano.
• Otra de las ventajas del vehículo
híbrido es su uso más silencioso
en ciudad, donde mayor impacto
negativo sobre la calidad de vida
tiene la contaminación acústica.
Por definición, un vehículo híbrido es
los vehículos híbridos que combinan el
aquél cuya propulsión se realiza utilizando
funcionamiento de un motor de
dos tipos diferentes de fuentes de energía.
combustión interna (motor
En la práctica, se pueden dar diferentes
convencional) con un motor eléctrico.
combinaciones energéticas duales: motor
eléctrico que se alimenta de baterías
conectadas a una pila de combustible, una
turbina de gas combinada con un motor
eléctrico alimentado con baterías, un
motor de combustión combinado con otro
Un bebé de
cien años de edad
eléctrico, etcétera.
El desarrollo de vehículos híbridos no es
Los vehículos híbridos que se
tan reciente como pueda parecer. Ya a
comercializan en la actualidad y que han
finales del siglo XIX, durante los primeros
superado la fase de prototipo utilizan un
pasos de la entonces recién nacida y
motor eléctrico y otro de combustión
titubeante industria automovilística, se
interna o convencional. El origen de la
comenzaron a desarrollar los primeros
energía utilizada para la propulsión sería
vehículos híbridos. En aquellos tiempos, la
por tanto dual: el depósito de combustible
motivación principal era la de dotar a los
alimentaría al motor de combustión
posibles clientes de vehículos que se
convencional y la batería al motor
moviesen con una energía fácilmente
eléctrico. De esta manera, en teoría, se
accesible. El petróleo escaseaba, no por
podría usar el motor eléctrico para
falta del mismo, sino por el limitado
circular en zonas urbanas sin consumir
desarrollo entonces de las técnicas para su
combustible y evitando las emisiones
extracción y posterior transformación.
nocivas (gases, ruido…), y el motor de
combustión para zonas interurbanas.
De hecho, el petróleo no se constituye en la
principal fuente de energía hasta iniciado ya
El trabajo FITSA-Robotiker de revisión
el siglo XX, cuando su extracción se hace
de las tecnologías de propulsión
intensiva y, gracias a ello, desciende su
híbridas se ha centrado en el análisis de
precio. La industria de automoción se
centra así en el desarrollo de motores
alimentados con productos derivados del
petróleo, gasolina y gasóleo
fundamentalmente, perdiendo importancia
la investigación en alternativas tales como
los vehículos de propulsión eléctrica.
Todo transcurrió sin grandes sobresaltos
hasta que aparecieron las primeras señales
de alarma. A mediados de la década de los
pronto se desvanecería con la aparición de
70 la duración de las reservas de petróleo
nuevos yacimientos de petróleo y con los
se calculó por primera vez y se estableció
esfuerzos, sobre todo de la industria
en unos 50 años, bajo la hipótesis de que
automovilística, por promover y desarrollar
se mantendría el consumo de la época. Los
vehículos más eficientes que consumieran
fabricantes de vehículos reaccionaron y se
cada vez menos.
empezaron a interesar de manera
generalizada en sustituir las
No es hasta principios de la década de los
motorizaciones basadas en motores de
90 cuando aparece una nueva
combustión interna y el consumo de
preocupación: la del impacto ecológico
hidrocarburos por otras nuevas soluciones
que el uso del petróleo, como fuente
como motores alimentados con
principal de energía, está causando en el
biocombustibles, alcoholes, hidrógeno...
planeta Tierra y las posibles consecuencias
futuras que de su uso podrían derivarse.
Sin embargo, esta primera visión pesimista
sobre la principal, casi única, fuente de
A finales de la década de los ochenta un
energía para el transporte individualizado
científico de la NASA, James Hansen,
postuló que existía una relación causaefecto entre el aumento de la temperatura
de la Tierra y la emisión de ciertos gases a
la atmósfera procedentes de la actividad
humana. Uno de los focos principales de
esta emisión era, y lo sigue siendo, el
automóvil. Así, y tras casi una década de
especulaciones acerca de esa influencia,
finalmente en 1997 se celebró en la ciudad
de Kioto la cumbre que redactó el
documento clave para comenzar a reducir
las emisiones de gases de efecto
invernadero a la atmósfera: el Protocolo o
Acuerdo de Kioto.
El acuerdo de Kioto marcó el inicio de una
nueva mentalidad por parte de las
instituciones y de la población en general:
la preocupación por el estado del
medioambiente. Desde entonces, los
medios de comunicación difunden
profusamente el protocolo de Kioto y las
consecuencias de su no cumplimiento. La
preocupación por el entorno natural ha
calado tanto en la sociedad que, a día de
hoy, tiene tanto peso como la
preocupación por el posible
desabastecimiento de combustibles.
A lo largo de estos años la industria
automovilística se ha preocupado de
desarrollar vehículos cada vez más eficientes
y se ha adelantado en muchos casos a las
administraciones públicas a la hora de
imponerse a sí misma reducciones en las
emisiones de sus vehículos y en el consumo
de los mismos. Además, y como no podía
ser de otra manera, las administraciones a
cargo de la reglamentación de los vehículos
han ido desarrollando desde entonces
coyuntura, ha dado la bienvenida a este
esfuerzo renovador de las marcas y ha
apoyado este tipo de vehículos con sus
decisiones de compra.
diferentes directivas europeas que han
marcado el límite máximo de emisiones
Funcionamiento
de los vehículos
híbridos
contaminantes (como, entre otras, las
denominadas normas EURO).
El funcionamiento de un vehículo híbrido
se basa en la combinación de dos tipos de
Esta preocupación por el medioambiente
motores, uno eléctrico y otro convencional
se ha visto acompañada recientemente por
o de combustión interna, a través de un
una nueva crisis del petróleo. El precio del
sofisticado sistema de control híbrido y de
mismo ha ido elevándose en los últimos
un paquete de baterías.
años progresivamente, detectándose,
además, un previsible agotamiento de los
En general, un vehículo híbrido funciona
principales yacimientos en un plazo más o
como uno convencional al que se le ha
menos corto, calculado en 30 años al ritmo
unido un motor eléctrico cuya misión es
de consumo actual. La extracción de
bien ayudar al motor de combustión
petróleo de yacimientos menos accesibles
cuando se precise una mayor potencia o
y dispersos hará que el precio del mismo
bien impulsar él solo al vehículo, con el
siga elevándose.
motor de combustión desconectado,
cuando la potencia requerida sea pequeña,
En este contexto, el desarrollo de vehículos
por ejemplo en condiciones favorables de
híbridos ha tenido un caldo de cultivo
conducción.
favorable. Por una parte la necesidad,
autoimpuesta en muchos casos o marcada
Los vehículos híbridos se clasifican en tres
por la normativa en otros, de construir
tipos atendiendo al modo en que se
vehículos cada vez más respetuosos con el
conectan ambos motores: híbridos en serie,
medioambiente ha impulsado el desarrollo
híbridos en paralelo e híbridos mixtos.
de soluciones innovadoras y eficaces para
reducir el uso de fuentes de energía no
1. Arquitectura en serie
renovables y, a menudo, contaminantes.
En los híbridos en serie el vehículo es
Una de estas soluciones han sido los
impulsado enteramente por el motor
vehículos híbridos, y el mercado,
eléctrico gracias a la electricidad
igualmente influenciado por esta
suministrada por el motor de
Configuración Serie
combustión, el cual arrastra a su vez un
consiste en decelerar el vehículo no
generador eléctrico. La batería actúa por
del modo convencional basado en el
lo tanto como acumulador de la
rozamiento de las pastillas contra los
electricidad (energía) sobrante y, cuando
discos de freno, sino invirtiendo el
está cargada, permite la desconexión
funcionamiento del motor eléctrico y
temporal del motor de combustión, de
haciéndolo funcionar como un
forma que el vehículo puede impulsarse
generador de electricidad. Una
momentáneamente de manera
analogía puede servir para explicar
totalmente eléctrica.
el concepto de freno regenerativo:
del mismo modo que un ventilador
Los flujos energéticos característicos de la
emplea electricidad para hace girar
configuración en serie son los siguientes:
sus aspas mientras que un
aerogenerador utiliza el viento para
a) El motor de combustión, a través del
obtener electricidad, un motor
generador, puede alimentar al
eléctrico en un automóvil puede
motor eléctrico y también cargar la
emplear electricidad para impulsarlo
batería.
o bien utilizar dicho impulso para
b) La batería puede alimentar al motor
generar electricidad.
eléctrico pero también, gracias a la
capacidad de éste de actuar como
2. Arquitectura en paralelo
freno regenerativo, el motor
En los híbridos con arquitectura paralela
eléctrico puede, a su vez, recargar la
tanto el motor de combustión como el
batería. El frenado regenerativo
motor eléctrico trabajan
simultáneamente para impulsar las
ruedas del vehículo. El sistema de
tracción no es excesivamente complejo
mecánicamente en esta arquitectura,
puesto que el motor eléctrico
simplemente trabaja en paralelo con el
motor de combustión. Esto supone una
notable simplificación a la hora de
desarrollar una hibridación por parte de
cualquier fabricante.
3. Arquitectura mixta
Esta configuración proporciona la
Los flujos energéticos característicos de la
posibilidad de propulsar al vehículo
configuración en serie son los siguientes:
enteramente mediante el motor de
combustión, enteramente mediante el
a) El motor de combustión, a través del
motor eléctrico, puede también
motor eléctrico o mediante una
combinación de ambos motores.
impulsar al vehículo y, también,
cargar la batería funcionando éste
El concepto de un vehículo mixto es el de un
último como un alternador.
vehículo híbrido con arquitectura serie en el
b) La batería puede alimentar al motor
que se ha conectado el motor de
eléctrico y, gracias a la capacidad del
combustión directamente a las ruedas. Así,
freno regenerativo, el motor eléctrico
tanto el motor de combustión como el
puede también recargar la batería.
generador y el motor eléctrico están todos
Arquitectura paralela
electricidad. Esa electricidad es
usada unas veces para recargar las
baterías y otras para alimentar al
motor eléctrico, según las
necesidades.
c) El motor eléctrico es alimentado por
las baterías y a su vez éste es capaz
de recargar las baterías en los
momentos que funcione a modo de
ellos interconectados a través de un sistema
de engranajes diferencial el cual, a su vez,
está conectado a la transmisión del vehículo.
freno regenerativo.
d) El motor eléctrico impulsa las ruedas
a través del conjunto diferencial.
El flujo de la energía en los vehículos con
Las ventajas del sistema híbrido mixto con
arquitectura mixta sería el siguiente:
respecto a los demás sistemas son las
siguientes:
a) El motor de combustión impulsa al
vehículo a través del conjunto
diferencial.
b) El generador, que está también
- Gracias al conjunto diferencial, el motor
de combustión puede ser conectado a las
ruedas en aquellos momentos en los que
conectado a ese conjunto diferencial,
opere en el rango óptimo de revoluciones
es impulsado por el motor de
(rango de máximo rendimiento y mínimo
combustión produciendo así
consumo)
Arquitectura mixta
- Al trabajar el motor de combustión en
dichas condiciones y al disponer del
refuerzo del motor eléctrico, ya no es
necesario dotar a estos vehículos de
complicadas, y caras, cajas de cambios.
El sistema de control de ambos motores
consigue que el funcionamiento del
conjunto esté siempre optimizado.
Ventajas realmente
preciosas: menor
impacto en el
medioambiente y
reducción del
consumo de
combustible
Las desventajas incluyen el incremento de
la complejidad mecánica en general, con el
Los vehículos a motor representan una
correspondiente aumento del costo tanto
de las principales fuentes de
en la parte mecánica como en la relativa al
contaminación ambiental y de emisión
sistema de control del conjunto.
de gases responsables del efecto
invernadero. Los dos gases de efecto
Por otro lado, un vehículo híbrido se puede
invernadero más importantes son el CO2 y
también clasificar en función de su nivel de
el metano. Por otra parte, las principales
electrificación. Según esta segunda
emisiones contaminantes causadas por los
clasificación existen dos grados de
vehículos son los óxidos de nitrógeno
hibridación: total o parcial. Cuando el
(NOx), los hidrocarburos (HC) y el
vehículo es capaz de funcionar tanto con
monóxido de carbono (CO). Las emisiones
cada motor de modo totalmente
de estos gases procedentes de los
independiente como de hacerlo con
vehículos representan respectivamente el
ambos motores simultáneamente, se
58%, el 50% y el 75% del total de
denomina “full hybrid” o híbrido total. La
emisiones atmosféricas. Además, los
hibridación total admite todas las
vehículos contribuyen a la emisión de
combinaciones posibles de funcionamiento
otros contaminantes tóxicos como el
y es por lo tanto la más completa y
plomo, el benceno, el butadieno y otros
compleja de gestionar, además de por
carcinógenos asociados a las pequeñas
supuesto la más eficiente. En segundo
partículas sólidas emitidas por el tubo de
lugar, cuando el vehículo es capaz de
escape. La gasolina genera también otros
hacer funcionar a los dos motores a la vez
contaminantes a través de la evaporación
pero sólo al motor de combustión de
del combustible en ciertas partes del
forma independiente se dice que es del
sistema motriz del vehículo; esta
tipo “mild hybrid”, híbrido parcial, híbrido
evaporación representa alrededor del 30%
suave o vehículo con asistencia eléctrica. A
de la emisión global de hidrocarburos
este grado de hibridación se le considera
procedentes de fuentes móviles.
parcial o incompleto al carecer de la
capacidad de funcionar de modo
Las partículas en suspensión no proceden
exclusivamente eléctrico.
únicamente del proceso de combustión,
TABLA 1
Reducción media de emisiones. Comparación entre vehículos híbridos y vehículos convencionales
Gasolina
Diesel
Emisiones
Híbrido
Euro IV
% reducción
Euro IV
NOx
0,01
0,08
87,5
0,25
% reducción
CO
0,18
1,0
82
0,50
64
HC
0,02
0,10
80
0,05
60
PM
--
--
--
25
100
CO2
104
165
37
146
29
96
Porcentaje de reducción de emisiones de un vehículo híbrido (Toyota Prius) respecto a uno que cumpla la normativa EURO IV. Dato CO2:
Valores medios vehículos nuevos 2004. Datos en g/km excepto para PM que se indican en en mg/km.
ya que algunas de ellas se desprenden del
En cualquier caso, en la tabla (1) se puede
pavimento debido al propio paso de los
ver la reducción media de emisiones en un
vehículos. Se estima que entre el 40 y el
vehículo híbrido con respecto a otro
60% de las partículas en suspensión en las
vehículo convencional que cumpla la
zonas urbanas proviene del tráfico rodado;
normativa actual de emisiones EURO IV, y
el resto proviene de otras actividades
según sea de gasolina o diesel.
diversas (industria, agricultura, obras...).
Como ya se ha comentado, la preocupación
Los vehículos diesel emiten hasta cinco
por las emisiones de CO2 tiene cada vez
veces más partículas sólidas que los
más importancia tanto a nivel del
propulsores de gasolina: mientras que los
consumidor como de los gobiernos, debido
primeros emiten entre 20 y 30
entre otros factores a los compromisos
microgramos de partículas por cada
adquiridos a través del Protocolo de Kioto.
kilómetro recorrido, los segundos
Por este motivo, resulta interesante analizar
únicamente expulsan 5 microgramos a lo
con cierto detalle posibles escenarios de
largo de esta distancia.
reducción de las emisiones de CO2 a corto
plazo. En la tabla (2) se compara la
En tanto en cuanto utilizan un motor de
reducción anual que se obtendría con
combustión interna, los automóviles
diferentes escenarios (ritmos) de
híbridos no pueden considerarse vehículos
de emisión cero y todavía son fuente tanto
de contaminación atmosférica como
acústica, al igual que un vehículo
TABLA 2
Hipótesis empleadas
reducción anual
de emisiones de CO2
(valores en Gg, o
miles de toneladas)
convencional. Por otro lado, las prestaciones
% de híbridos en la
flota = nº de vehículos
medioambientales de los vehículos híbridos
1% = 15.000
12 Gg CO2
tienden a deteriorarse con el tiempo,
5% = 75.000
60 Gg CO2
aumentando las emisiones de
10 % = 150.000
120 Gg CO2
contaminantes a medida que el vehículo
50 % = 750.000
envejece.
100 % = 1.500.000
600 Gg CO2
1.200 Gg CO2
adquisición de vehículos híbridos, tomando
como referencia las emisiones totales
anuales de los turismos y los límites de
emisión contemplados en el Protocolo de
Kioto para nuestro país.
Debido a determinadas características
mecánicas, como el frenado regenerativo,
algunos vehículos híbridos pueden
alcanzar consumos medios muy
freno regenerativo equivalen
aquilatados y difíciles de igualar incluso
generalmente a un litro de combustible
por vehículos de menor tamaño, y ello no
por cada 100 kilómetros recorridos en
solo en ciudad sino también en recorridos
conducción por ciudad. El sistema de
interurbanos.
parada del motor de combustión puede
suponer por sí solo un ahorro de
Al igual que sucede con las emisiones
consumo del 10% en el ciclo urbano,
contaminantes, los vehículos híbridos
llegándose al 17% si la circulación es
ofrecen las mayores reducciones de
muy intensa, y de en torno al 6% en
consumo durante la conducción por
ciclo mixto.
ciudad y cuanto más denso sea el trafico.
La posibilidad de apagar su motor de
combustión y moverse utilizando el motor
eléctrico junto al freno regenerativo
aportan un importante ahorro en
consumo. Los ahorros que se derivan del
Una gran idea
para ahorrar:
la recuperación
de la energía
Una de las grandes novedades que ha
aportado el vehículo híbrido consiste en
la posibilidad de recuperar parte de la
energía gracias al freno regenerativo.
Este sistema de frenado es capaz de
recuperar durante la frenada parte de la
energía cinética que posee el vehículo
por el mero hecho de desplazarse a una
determinada velocidad. En un sistema de
frenado convencional la energía cinética
se transforma (se disipa) en calor o
energía calorífica resultado de la fricción
urbano en donde se producen frecuentes
frenadas. Además, el frenado regenerativo
permite reducir en un 22% el peso del
sistema de frenado convencional,
alargándose también su vida útil.
entre pastillas o zapatas, por un lado, y
discos o tambores, por otro.
También ventajas
silenciosas
Así, en las fases de deceleración y frenado
Existe otra contaminación no tan
el motor eléctrico actúa como un
reconocida inicialmente, pero no por
generador de electricidad y aprovecha la
ello menos perjudicial: la
energía cinética del vehículo para obtener
contaminación acústica producida por
electricidad que se almacena en las
los vehículos a motor. Las principales
baterías. Esto permite recuperar una cierta
fuentes de contaminación acústica en la
cantidad de energía que se perdería en
sociedad actual provienen de los
forma de calor en el caso del sistema de
vehículos a motor, los cuales se calcula
frenado convencional. El sistema de
que son responsables de casi un 80% de
frenado regenerativo actúa siempre que se
dicha contaminación. La industria se
usen los frenos y también siempre que el
estima que es responsable de otro 10%
vehículo deje de acelerar, por lo que este
de las emisiones sonoras, los ferrocarriles
sistema ofrece su mayor eficiencia en
de un 6% y los locales públicos, como
aquellas situaciones en las que existen
por ejemplo los bares, del restante 4%.
continuas aceleraciones y deceleraciones,
como es el caso de la conducción en
En España, el segundo país más ruidoso
ciudad. En conducción en autopista el
del mundo después de Japón, el parque
sistema de frenado regenerativo sigue
automovilístico –compuesto en la
funcionado esporádicamente, por ejemplo
actualidad por cerca de 22 millones de
en bajadas prolongadas o al reducirse la
vehículos– genera en algunas zonas un
velocidad después de una maniobra de
intenso ruido urbano de cerca de 85 dB(A).
adelantamiento.
A partir de un nivel sonoro superior a 65
dB(A), el límite aceptado por la
En general, se estima que es posible
Organización Mundial de la Salud, los seres
recuperar hasta el 30% de la energía
humanos sufren ya molestias derivadas del
cinética, lo cual se traduce en un ahorro
ruido continuo. En zonas urbanas con
medio de cerca de un litro de gasolina
mucho tráfico, y al margen de los motores,
por cada 100 km recorridos en ámbito
el propio rozamiento entre los neumáticos
y la calzada produce ya un considerable
ruido en el ambiente.
Los fabricantes de automóviles han
desarrollado en las últimas décadas un
enorme esfuerzo para disminuir el ruido
procedente de los automóviles. Así, se ha
mejorado el sistema de escape, se ha
aislado y encapsulado el compartimiento
del motor y se han optimizado
detenido o se mueve a baja velocidad
acústicamente otras fuentes de ruido como
algunos híbridos paran el motor de
las entradas de aire o la aerodinámica
gasolina y funcionan sólo con el sistema
exterior.
eléctrico para impulsarse, con lo que la
emisión de ruidos puede reducirse en
Los vehículos híbridos siguen siendo
más de un 95%. En ciudad esta última
vehículos hasta cierto punto
circunstancia se da habitualmente, ya
convencionales en tanto en cuanto
que una gran parte del tiempo los
disponen de un motor de combustión
vehículos se mueven en caravana y a
que utilizan en mayor o menor medida.
velocidades lentas (por debajo de 45
Por ello, cuando su motor de combustión
km/h) o, simplemente, están detenidos.
está en marcha a velocidades medias o
La gran ventaja del vehículo híbrido en
elevadas, prácticamente el 100% de las
este sentido es por tanto su uso
fuentes de ruido coinciden con las de un
silencioso en ciudad, donde mayor
vehículo convencional. Sin embargo,
impacto negativo tiene la
cuando el vehículo híbrido está
contaminación acústica.
Evidencias cientificas de la eficacia de las tecnologías
Colección 2006
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.-
El programa EuroNcap.
Avance en el diseño de los reposacabezas
Sistema de alerta de cambio involuntario de carril
Avisa cinturones
El control electrónico de estabilidad y el sistema de ayuda a la frenada
Control inteligente de velocidad
La llamada automática e-call
Las luces de conducción diurna
Sistemas de control de la presión de los neumáticos
Las luces diurnas en vehículos de cuatro ruedas y la accidentalidad de ciclomotores y motocicletas
Los sistemas de navegación
La protección de peatones y ciclistas
Tecnologías de propulsión híbridas
Individualmente se pueden descargar en www.fundacionfitsa.org
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