Capitulo 4
Anuncio
Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán 4. Estado de la técnica de los vehículos híbridos Antes de proceder a la selección de equipos comerciales, es necesario estudiar el estado de la técnica de cada uno de estos, de esta manera podremos elegir aquellos que mejor se ajusten a nuestros requerimientos tecnológicos y económicos. 4.1 Sistemas de almacenamiento de energía 4.1.1 Clasificación general de los sistemas de almacenamiento a. Sistemas primarios o activos: Proporcionan energía por sí mismos, a partir de un proceso termoquímico, electroquímico, físico o mecánico. Sistemas Pila de combustible Motor térmico Baterías máquinas (Tipo Na-S) Densidad Energía Depende combustible almacenado Depende combustible almacenado 110Wh/kg Características Densidad Rendimiento potencia Coste 1.4 kW/litro ~ 60% ~ 60€/kW ~ 1 kW/kg ~ 20% ~ 40€/kW 150 W/kg ~ 75% ~ 150€/kW b. Sistemas secundarios o pasivos: Son aquellos que se limitan a almacenar energía en forma determinada y cederla en otro momento en esa misma forma. Es decir, toman y ceden cantidades de energía a modo de reserva. Características Densidad Energía Densidad potencia Vida útil Sistemas [Wh/kg] [kW/kg] (nº ciclos) Disco de inercia <150 2 ilimitado Supercondensador 1-10 ~ 10 >500.000 Sistema neumático ~ 60 Elevado ilimitado Sistema hidráulico ~ 10 1.5 ilimitado Baterías Pb-Ácido 35-50 150-900 ~ 1000 Baterías de otros pares 50-220 30-200 200-2000 Coste [€/kW] elevado ~ 80 medio medio 15-30 80-200 31 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán 4.1.2 Sistemas electroquímicos Clasificación de las baterías: a) Primarias: Tienen un solo ciclo de descarga. Ejemplos: “Pila seca” o de Leclanché, Baterías alcalinas. b) Secundarias: Sistemas que permiten ser recargados. b.1) Pasivas: Pueden operar sin necesidad de un sistema auxiliar. b.2) Activas: Necesitan de un sistema auxiliar para funcionar. b.1) Baterías Secundarias Pasivas Sistema de almacenamiento de energía basado en reacciones químicas de oxidación – reducción y que pueden operar sin la necesidad de un sistema auxiliar. Se trata de acumuladores colocados en serie para conseguir el voltaje deseado. Formados por cátodo, ánodo y electrolito donde tienen lugar las reacciones químicas de oxidación y reducción que se producen en la carga y descarga del sistema. Existen múltiples tipos de baterías en función de los materiales que actúan como ánodo y cátodo. b.1.1) Batería tipo Pb-ácido Sistema de almacenamiento de energía basado en reacciones químicas de oxidación – reducción con electrodos de plomo y electrolito ácido. Se trata de acumuladores colocados en serie para conseguir el voltaje deseado. Tipos: a) Convencionales: Sus electrodos son láminas planas. Existen versiones de electrodos tubulares que, aunque aprovechan peor el espacio, aumentan su ciclo de vida respecto a las anteriores de 3 a 5 años. Necesitan sistemas de venteo para evacuar el hidrógeno producido en momentos de altas exigencias. b) Avanzadas: Versión mejorada de plomo-ácido convencional: -Se han optimizado peso y volumen en las partes inactivas. -Incluyen reactivos sólidos que optimizan la estructura del óxido de plomo -Incluyen reducciones en el grosor de dichos electrodos, aunque sin disminuir su resistencia mecánica. - Se favorece la agitación del electrolito evitando la estratificación. - Mejoras: favorecen la retención del material del electrodo positivo en descargas rápidas, mejoran las características. 32 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán c) Reguladas con válvula: “Valve regulated lead acid, VRLA”. Válvula que sólo permite el venteo de gases producidos en situaciones de alta exigencia cuando la situación es extrema. Diseño de electrolito en el que se busca reducir la expulsión de gases mediante la utilización de catalizadores que recombinan oxígeno e hidrógeno en agua: - Aumento de seguridad: ya que sus expulsiones de hidrógeno son poco habituales. - Mejora de sus características. d) De lámina de metal: El electrodo está compuesto de láminas de grosor muy bajo dispuestas en forma de espiral. Los separadores y electrolito se disponen de igual forma, entre electrodos positivo y negativo, separados por distancias inferiores a 1mm. La superficie de electrodos muy alta, al tiempo que el aprovechamiento del espacio es elevado. La resistencia interna se reduce hasta valores del orden de 0.5 mΩ. Densidad de energía [Wh/kg] Convencionales 35 Avanzadas 45 Reguladas con 50 válvula De lámina de 30 metal Tipos Densidad de potencia [W/kg] 150 250 Características Nºciclos al 80% Tensión salida de descarga [V/acumulador ] 1000 1500 2.1 2.1 Coste mínimo [€/kWh] 50 170 >150 >700 2.1 130 900 >500 2.1 --- b.1.2) Batería Ni-MH Batería que está sustituyendo a las basadas en Ni – Cd, con mejores prestaciones y ausencia de toxicidad. El electrodo negativo está compuesto de un complejo aleado de Mh compactado en una sustancia conductora. El electrolito es de KOH y el electrodo positivo de NiOH2. Tolera cargas y descargas bruscas, gran robustez de operación. Características Densidad de energía Densidad de potencia Nºciclos al 80% de descarga Tensión salida Coste mínimo Valores típicos 200 Wh/kg 80 W/kg > 2000 1.23 V/acumulador 150 €/kWh 33 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán b.1.3) Baterías Ión-Li Electrodos en forma de láminas que pueden estar enrolladas y con separadores entre las láminas. Compuestas de: electrodo positivo formado por una lámina de Al cubierta con V2O5, polímero electrolito separando ambos electrodos, y electrodo negativo de grafito u SnO, capaz de intercalar iones Li en su interior. Características Densidad de energía Densidad de potencia Nºciclos al 80% de descarga Tensión salida Coste mínimo Valores típicos 120-150 Wh/kg 50-150 W/kg > 1000 3.6 V/acumulador 200 €/kWh b.1.4) Baterías Metal-aire Compuestas por: ánodo de metal, fino cátodo de aire y electrolito alcalino de base agua, por ejemplo, KH. El electrolito se deteriora en caso de exposición prolongada al aire y es sensible a los cambios en la humedad y concentración de CO2 , es necesario un tratamiento de limpieza del aire que contienen. El cátodo de aire absorbe O2 del aire mientras se descarga y lo libera durante la carga. Recarga eléctrica o mecánica (sustitución de electrodos). Diferentes tipos función del metal del electrodo: Zn, Al, Mg y Li. Potencias específicas muy bajas. Carga difícil y poco eficiente. Elevadas energías específicas. Características Densidad de energía Densidad de potencia Nºciclos al 80% de descarga Tensión salida Coste mínimo Valores típicos Zn-Aire Al-Aire 80-140 Wh/kg 30 Wh/kg 200 W/kg 220 W/kg 200 200 1.65 V/acumulador 1.5 V/acumulador 90 €/kWh 100 €/kWh b.1.5) Integración en el vehículo y funciones - Prestaciones mínimas, nº de baterías elevado, exigencias volumen y peso. - Posición: bajo el piso del vehículo, beneficioso desde el punto de vista dinámico. - Vida útil: Pb-ácido rara vez excede los 5 años y otras como Metal-Aire, periodos más cortos. - Fácil acceso. - Disponibilidad de espacio para ubicar los sistemas auxiliares. 34 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán Función principal: Fuente de energía principal para la tracción del vehículo en el caso de baterías de tipo Pb-ácido convencionales, avanzadas y reguladas con válvula, y tipo metal-aire, Ión Li o Ni-Metal hidruro. Tipo Pb-ácido con lámina de metal: elevada densidad de potencia + baja densidad de energía, sistemas de apoyo al principal para momentos de elevada demanda (arranques o aceleraciones). b.1.6) Aspectos económicos - Baterías de Pb-ácido: Debido a que su industria es considerablemente madura, su coste es el más bajo, 50€/kWh. - Las baterías de Ión-Li: No cuentan con densidades de energía elevadas, pero su densidad de potencia las hace muy interesantes. El Nº de ciclos descarga es superior a 1000, por lo que el coste total las posiciona en un lugar próximo a otras baterías más utilizadas, como por ejemplo las de Pb-ácido. No plantean problemas en cuanto a su reciclado (igual las de aire). - Baterías tipo Ni-Metal hidruro: Su es coste comparable a las de Ión-Li, pero sus características, a excepción de potencia específica, son algo inferiores. La vida útil de la batería es clave, ya que su sustitución conlleva unos costes muy elevados. b.2) Baterías secundarias activas Se consideran sistemas activos ya que necesitan un aporte externo para funcionar, a diferencia de los sistemas pasivos, que una vez han sido cargados, pueden proporcionar energía sin aporte externo. Se trata, al igual que una batería convencional, de acumuladores colocados en serie para conseguir el voltaje deseado. Dichos acumuladores están formados por cátodo y ánodo, normalmente inmersos en un baño electrolítico – según el tipo - donde tienen lugar las reacciones químicas de oxidación y reducción que se producen en la carga y descarga del sistema. Todos los tipos necesitan sistemas auxiliares que mantengan las condiciones de operación dentro de unos valores predeterminados. 35 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán b.2.1) Batería Na-S Formada por electrodo de azufre líquido y electrolito de sodio, separados por una lámina de “beta – alúmina”. Correcto funcionamiento: 350 ºC, nunca por debajo de 200ºC.necesario un sistema auxiliar de calentamiento. Características Densidad de energía Densidad de potencia Nºciclos al 80% de descarga Tensión salida Coste mínimo Tª Operación Valores típicos 110 Wh/kg 150 W/kg 1000 2.1 V/acumulador 125 €/kWh 350 ºC b.2.2) Batería Na-NiCl Se trata de una evolución del tipo Na-S, sustituyendo el electrodo positivo por otro de Ni-Cl. La constitución de la batería es muy similar, pero las condiciones de operación son más favorables, ya que puede operar correctamente a partir de 300ºC, también es necesario un sistema auxiliar de calentamiento. La naturaleza de sus componentes es menos dañina. Características Densidad de energía Densidad de potencia Nºciclos al 80% de descarga Tensión salida Coste mínimo Tª Operación Valores típicos 100 Wh/kg 150 W/kg 1000 2.1 V/acumulador 200 €/kWh 300 ºC b.2.3) Batería Li-FeS Su electrodo positivo está formado por Fe-S, el negativo por Al-Li, y utiliza una sal no inflamable como electrolito. La batería que utiliza Li posee un alto potencial para la acumulación de energía. La utilización de este elemento a temperaturas superiores a 450º C conlleva un gran peligro, es necesario elevados gastos en seguridad y en conservación de la temperatura. 36 Proyecto Fin de Carrera Características Densidad de energía Densidad de potencia Nºciclos al 80% de descarga Tensión salida Coste mínimo Tª Operación José Manuel Soler Vizán Valores típicos 150 Wh/kg 300 W/kg 1000 1.75-2.1 V/acumulador 160 €/kWh 450 ºC b.2.4) Batería Li-Polímero sólido Compuestas de un electrodo positivo formado por una lámina de Al cubierta con V2O5, polímero electrolito separando ambos electrodos, y electrodo negativo de Li. Utiliza polímeros conductores, esto permite la fabricación baterías en estado sólido o de construcción flexible. Son robustas y pueden operar, aunque con menor efectividad, a temperatura ambiente, esto permite disminución de los costes ocasionados por el sistema auxiliar de calentamiento. Características Densidad de energía Densidad de potencia Nºciclos al 80% de descarga Tensión salida Coste mínimo Tª Operación Valores típicos 200 Wh/kg 350 W/kg 1000 1.75-2.1 V/acumulador 125 €/kWh 80-120 ºC b.2.5) Batería Zn-Br Posee montajes relativamente complicados, es necesario el uso de diversos depósitos que confluyen en otro dividido por una membrana y un sistema de bombas que desplazan los fluidos. La eficiencia energética puede llegar a ser del 75%. Características Densidad de energía Densidad de potencia Nºciclos al 80% de descarga Tensión salida Coste mínimo Tª Operación Valores típicos 80 Wh/kg 150 W/kg 3000 1.8 V/acumulador elevado 15-45 ºC 37 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán b.2.6) Integración en el vehículo y funciones Prestaciones mínimas, por lo que el nº de baterías elevado, tenemos altas exigencias en volumen y peso. Posición: bajo el piso del vehículo, es beneficioso desde el punto de vista dinámico. Vida útil: rara vez excede los 5 años Fácil acceso. Disponibilidad de espacio para ubicar los sistemas auxiliares. Función principal: – fuente de energía principal para la tracción del vehículo. – elevada densidad de potenciasistemas potencia sistemas de apoyo al principal para momentos de elevada demanda (arranques anques o aceleraciones). La batería de Na-S, S, aunque puede montarse en vehículos, se emplea fundamentalmente en aplicaciones estáticas. b.2.7) Aspectos económicos En general, estas baterías ofrecen altas prestaciones pero también a un alto coste. Este coste te se debe, en parte, a los sistemas auxiliares necesarios para su correcto funcionamiento. Sin embargo, sus elevadas prestaciones hacen que su coste total no sea tan alto. La batería de Li – polímero sólido no necesita apenas equipos auxiliares, ya que su Tª de operación es cercana a la ambiente. Si además tenemos en cuenta su reducido coste, unos 125€/kWh, €/kWh, podemos esperar un elevado desarrollo de esta batería a medio plazo. Figura 24.. Estado de la técnica respecto la del plomo 38 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán 4.1.3 Supercondensadores Su funcionamiento se basa en mantener dos electrodos cargados con polaridades opuestas, creando así un campo eléctrico que almacena la energía. Durante la carga se toma energía del exterior en forma de corriente eléctrica y se genera el campo eléctrico que almacena la energía. En el proceso de descarga se genera corriente eléctrica que proporciona al exterior y dicho campo eléctrico desaparece. La separación de cargas (en este caso iones) entre los dos electrodos es puramente electrostática, lo que explica la alta velocidad a la que ocurren los fenómenos de carga y descarga del condensador, así como su alta ciclabilidad. Se asocian varias células en serie o en paralelo creando un módulo, de esta forma podemos obtener la tensión o capacidad deseados. Constituyen una alternativa o un complemento importante para otros dispositivos de producción o almacenamiento de energía como las pilas de combustible o las baterías. Ventajas: - Elevada potencia. Rapidez de carga, del orden de segundos a minutos. Capacidad de ciclado muy elevada, del orden de millones de veces. Ausencia de mantenimiento. Puede trabajar en condiciones de temperatura muy adversas. No presenta en su composición elementos tóxicos. Desventajas: - Todavía no se pueden conseguir altas tensiones por célula, baja eficiencia volumétrica. Precio elevado. TIPOS: Dependiendo de los materiales de los electrodos se pueden dividir en tres tipos: a) Basados en óxidos de metales de transición: Valores de capacidad muy altos, pero son excesivamente caros. b) Basados en polímeros conductores: Capacidades relativamente altas, pero estos materiales sufren hinchamiento y contracción, aparece degradación de los electrodos durante el ciclado. 39 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán c) Basados en materiales de carbono activados, o de doble capa En este tipo de condensadores, los electrodos se encuentran fabricados en materiales basados en carbono poroso, de alta densidad de superficie (pueden superar los 2500 m2/g), el cual forma una fina capa de frontera con el electrolito, obteniéndose un bajo voltaje pero alta capacidad. Los materiales de carbono pueden presentar unas estructuras diferentes (materiales grafíticos, grafitizables o no grafitizables) y están disponibles en una gran variedad de formas (fibras, telas, aerogeles o nanotubos). El electrolito puede ser orgánico o una solución de sales, el cual proporciona alta densidad de energía, o ser un ácido acuoso, el cual proporciona elevada capacidad y potencia. Características Capacidad Densidad Energética Densidad de Potencia Intensidad Máxima Tiempo de carga o descarga Eficiencia de carga y descarga Número de Ciclos Durabilidad Valores habituales 1-1000F (Previsión) 1-10Wh/kg ~10kW/kg <500A 0.3-30 s 85-95% >500000 >10 años c.1) Integración en el vehículo y funciones Pequeño tamaño, reducido peso y ausencia de conexiones mecánicas, por lo que no plantea grandes exigencias en cuanto a su integración en el vehículo. Posee un mantenimiento escaso, existe una total libertad a la hora de ubicarlo en el vehículo. Función principal: como sistema de almacenamiento auxiliar y así satisfacer demandas puntuales y elevadas de potencia. c.2) Aspectos económicos En la actualidad el coste se sitúa por encima de las baterías convencionales de ácido y plomo, aunque por debajo de otro tipo de baterías como, por ejemplo, las de Ni-MH. Su elección depende de los requerimientos, ya que en cuanto a densidad de potencia supera a todos los tipos de batería. Su coste de mantenimiento es muy reducido – casi nulo – y su coste de fin de uso es menor que el de las baterías. Por lo tanto, su valoración económica puede ser positiva en casos en los que la inversión inicial es superior a otras alternativas. 40 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán 4.1.4 Sistemas mecánicos a) Aire comprimido Sistema que acumula energía en forma de aire a alta presión. Consiste básicamente en un depósito destinado a contener el aire a alta presión. Para poder funcionar debe estar asociado con un compresor, capaz de introducir el aire a presión, y con un motor de aire comprimido o con una máquina reversible capaz de sustituir a las dos anteriores. Modo de funcionamiento: En momentos de carga, el compresor debe ser accionado externamente para conseguir introducir aire a presión en el depósito o bien el aire presurizado es introducido directamente. En momentos de descarga, el aire a presión liberado acciona el motor de aire comprimido, proporcionando así energía al exterior. La densidad de potencia de los tanques elevada, la limitación en una demanda elevada y puntual viene impuesta por otros elementos del sistema, normalmente el motor de aire. Características Densidad de Energía en tanques Presiones tanques Peso tanques vacíos Volumen de aire Peso motor de aire Valores habituales 60Wh/kg 300 bar 0.4kg/litro de capacidad 100 litros/tanque 40kg(según tamaño) a.1) Integración en el vehículo y funciones La ubicación del sistema condicionará la estabilidad y el reparto de pesos, en sistemas alargados, la disposición habitual será horizontal y transversal. En sistemas que operen en condiciones de alta presión, contará con los pertinentes sistemas de seguridad, al utilizarse aire comprimido, las normativas de seguridad no suponen un inconveniente de importancia. Función principal: Como sistema de almacenamiento de energía auxiliar. Existen en la actualidad proyectos completamente desarrollados de vehículos que lo utilizan como fuente principal de energía. Existen vehículos urbanos que alcanzan autonomías de 200km con repostajes de apenas 3 minutos. 41 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán a.2) Aspectos económicos Sistema formado por elementos neumáticos, cuyo mercado está ampliamente desarrollado, por lo que los costes de los elementos son aceptables. Componentes robustos, coste de mantenimiento bajo. Consumo de aire en ciclo urbano durante 100 km = 1€ aproximadamente (vehículos experimentales ligeros). • Inconvenientes: Necesidad de sistemas auxiliares para la producción de calor, con su coste y consumo correspondientes. • Ventajas: Escape de aire a temperaturas cercanas a 0 ºC, por lo que elimina la necesidad de un sistema de aire acondicionado. Tecnología prometedora para solucionar los problemas de movilidad en un ámbito urbano; sin embargo, no ha experimentado el desarrollo esperado. b) Disco de inercia Sistema secundario de almacenamiento de energía en forma de energía cinética. Está formado por discos girando a alta velocidad en el interior de una carcasa. Tanto rotor como estator montan imanes que sirven de rodamientos magnéticos y funcionan como medio de carga y descarga del sistema. En el interior se realiza un elevado vacío, que unido a los rodamientos magnéticos reducen la fricción hasta valores muy bajos. Para lograr mayor densidad energética, en ocasiones se procede al pretensado del disco, de esta forma el rotor puede soportar mayores velocidades de giro. Se prefiere utilizar grupos de dos discos girando en sentido contrario para cancelar los efectos giroscópicos. La energía almacenada es proporcional al radio del disco y al cuadrado de la velocidad angular, tal y como se aprecia en la fórmula: ܧ௧ = 1 ∙ ߱ ∙ ܫଶ 2 Por lo tanto se buscan pequeños radios y altas velocidades angulares, ya que el aumento del radio somete a más tensión al material del disco y crea mayores efectos giroscópicos. La forma ideal de dicho disco es la de sección troncocónica, que iguala la tensión generada por el giro para cualquier radio. 42 Proyecto Fin de Carrera Características Velocidad de giro Densidad Energética Densidad de Potencia Número de Ciclos Durabilidad José Manuel Soler Vizán Valores habituales >100.000rpm <150Wh/kg 2 kW/kg Ilimitado ~ 30 años El material más extendido para la fabricación del disco es la fibra de carbono, ya que la relación entre resistencia a tracción y densidad está directamente relacionada con la cantidad de energía acumulable. Por otro lado, esta elección de material también es adecuada desde el punto de vista de la seguridad, ya que en caso de accidente, el composite se desintegra, comportándose como un fluido, en lugar de como fragmentos de sólido. Con esto se consigue disipar mejor la energía. b.1) Integración en el vehículo y funciones La conexión con el resto del sistema de tracción se limita a un cableado, que unido al bajo peso y tamaño del disco, permite gran libertad de posición en el vehículo. La seguridad en caso de accidente y liberación incontrolada de toda su energía cinética se consigue con que carcasas no sean capaces de retener en su interior toda la energía. Debe posicionarlos en los lugares que puedan resultar menos dañinos para el vehículo. Función principal: generar o absorber grandes cantidades de potencia en cortos periodos de tiempo (para periodos largos de utilización, las pérdidas son apreciables). Debido a su elevada velocidad de carga y descarga puede utilizarse conjuntamente con una célula de combustible, supliendo las carencias de ésta en momentos de elevada demanda. Es muy útil para recuperar la energía proveniente del frenado regenerativo y para recargas rápidas en estaciones (tranvías híbridos). El modo de operación de este tipo de sistemas es el siguiente: Para su carga absorbe energía y actúa como motor, incrementando su velocidad angular. Cuando genera energía actúa como alternador, disminuyendo su velocidad angular. Se concibe principalmente como medio auxiliar de almacenamiento de energía. Posibilidad de hacerlo funcionar como sistema principal de almacenamiento, utilizando versiones avanzadas con una velocidad de rotación de 200.000 rpm, permitiendo autonomías cercanas a 500 km. 43 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán b.2) Aspectos económicos Mantenimiento casi nulo. Casi total independencia de su rendimiento respecto de las condiciones ambientales. Número de cargas y descargas casi ilimitado. Coste muy alto: Tecnología poco madura y velocidades angulares elevadas, es necesario gran calidad y cuidado, tanto en materiales como en diseños. Coste de final de vida es despreciable, por no contar en su constitución con elementos que deban ser objeto de tratamientos especiales. Conclusión: Aun partiendo de un coste inicial muy elevado, su durabilidad (20 años) y robustez, le confieren un coste de operación tan bajo que hace que la diferencia de costes en términos totales no sea tan alta. c) Acumulador hidráulico Sistema que acumula energía en forma de aceite a alta presión. Sistema con depósito capaz de operar a altas presiones, dentro del cual una membrana altamente deformable separa el aceite de un gas, normalmente N, que se comprime al llenarse el depósito. Consta de: – Bomba / motor hidráulico, que permite almacenar y generar energía según sea la situación de excedencia o de necesidad de energía. – Depósito de baja presión, del cual se toma el aceite cuando el sistema se carga y al cual se devuelve el aceite cuando el sistema se descarga. Los datos de densidad de potencia son elevados, de manera que una unidad tipo como a la que se hace referencia en la tabla es capaz de impulsar un vehículo de unos 4500 kg desde 0 hasta unos 45km/h sin necesidad de aporte externo de energía. El tamaño varía según los casos, pero en general suele ser demasiado voluminoso para ser montado en vehículos turismos o urbanos convencionales. Características Presión del depósito Capacidad de Energía Capacidad de Potencia Peso del conjunto Valores habituales 350 bar > 160Wh/unidad completa 280 kW/unidad completa 180kg/unidad completa 44 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán c.1) Integración en el vehículo y funciones La ubicación del sistema condicionará la estabilidad y el reparto de pesos. -Sistemas alargados disposición horizontal y transversal o longitudinal, según cada caso. -Sujetos a la restricción de estar acoplados mecánicamentecerca de la transmisión. -El tamaño y peso de estos sistemas es excesivo para vehículos urbanos o de turismo pequeños camiones: flotas de reparto -Opera en condiciones de alta presión sistemas de seguridad. Función principal: Sistema auxiliar de energía. Proporcionar o absorber altas cantidades de potencia en periodos cortos de tiempo, ya que es incapaz de impulsar el vehículo durante largas distancias. En ciclos con elevado número de paradas y arranques: – ahorros de energía del 30%. – reducción de emisiones del 30%. – disminución del desgaste del sistema de frenado de un 50%. Diferencia con flywheel o batería: Existencia de conexión mecánica entre el sistema hidráulico y el tren de rodadura. Normalmente, la conexión se realiza mediante un embrague, el cual acopla el sistema hidráulico en momentos de carga y descarga y lo desacopla el resto del tiempo. Operación en paralelo Se utiliza siempre como acumulador de la energía obtenida en frenado regenerativo. Dicha energía es utilizada para la siguiente aceleración, sustituyendo al sistema principal durante el arranque hasta una velocidad aproximada de unos 45km/h. El sistema es capaz de ofrecer un alto par desde muy bajas velocidades de giro (a veces superiores a los 1000Nm). Modo de operación: – En los momentos de carga del sistema, durante el frenado, la bomba hidráulica es accionada gracias a la energía aportada de manera externa al sistema, la cual introduce el aceite a alta presión en el depósito de alta presión – En momentos de descarga, el proceso es el inverso: el depósito de alta presión se vacía, el de baja presión se llena y la bomba actúa como motor, liberando así al exterior la energía acumulada. 45 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán c.2) Aspectos económicos Sistema formado por componentes hidráulicos cuyo mercado está extendido, el coste de componentes es aceptable. Dispositivos robustos, el mantenimiento es mínimo y tenemos coste de operación bajo. La suma de ahorro de combustible, reducción de emisiones contaminantes y reducción de desgaste del sistema de frenos, permite un periodo normal de recuperación de la inversión menor de 3 años. Figura 25.. Resumen general de las prestaciones de las distintas tecnologías 46 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán 4.2 Células de combustible Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico, constituido por varias celdas individuales conectadas eléctricamente, que convierte directamente la energía química de reacción directamente en energía eléctrica, mientras se suministre combustible y oxidante a sus electrodos, sin que tenga lugar combustión alguna. Como resultado de la reacción electroquímica se produce agua y electricidad. El agua abandona la pila de combustible a través de los electrodos y la corriente eléctrica pasa a un circuito externo. El Hidrógeno y el oxígeno gaseosos son el combustible y oxidante elegidos en la mayoría de las aplicaciones de las pilas de combustible. El oxígeno se obtiene directamente del aire. Figura 26. Principio de funcionamiento de una célula de combustible 47 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán Ventajas: No tienen partes móviles, son silenciosas y necesitan poco mantenimiento. Flexibilidad de combustibles. Variedad de aplicaciones. Rendimiento elevado Nivel de emisiones muy bajo. Dispositivo pequeño y modular Inconvenientes: Alto coste en materiales y sistemas. Fiabilidad no demostrada. Bajo nivel de desarrollo. Existen escasas unidades comerciales. Pocos fabricantes. Tipos a) b) c) d) e) f) Tipo PEMFC DMFC Pila de combustible polimérica: PEMFC Pila de combustible de metanol directo: DMFC Pila de combustible alcalina: AFC Pila de combustible de Carbonatos Fundidos: MCFC Pila de combustible de ácido fosfórico: PAFC Pila de combustible de óxido sólido: SOFC Electrolito Membrana de intercambio protónico Nafión® Membrana de intercambio protónico Nafión® Tª Op. Electrodo 60100ºC Platino 60100ºC Platino AFC KOH 90100ºC Níquel MCFC Mezcla carbonatos 6001000ºC Níquel PAFC Ácido Fosfórico 175200ºC Platino SOFC Zirconia, Ytria 6001000ºC Perovskitas Ventajas Inconvenientes Reducida corrosión y mantenimiento. Baja Tª y arranque rápido Reducida corrosión y mantenimiento. Baja Tª y arranque rápido Alta eficiencia. Reacción catódica más rápida Alta eficiencia y catalizadores más baratos 65% eficiencia en cogeneración. Acepta H2 puro Reducida corrosión y mantenimiento. Alta eficiencia y catalizadores más baratos Catalizadores costosos. Sensible a impurezas en H2 y otro combustibles Catalizadores costosos. Sensible a impurezas en H2 y otro combustibles Muy sensible a impurezas y CO2 Corrosión y baja vida útil. Baja corriente y potencia. Gran peso y volumen Corrosión y baja vida útil. 48 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán Figura 27. Campo de aplicaciones de las distintas tecnologías 4.3. Sistemas de tracción 4.3.1 Motores DC con escobillas El motor DC fue durante mucho tiempo la única forma disponible de transformar energía eléctrica en mecánica, y debido a sus características y su simple y estable control, aún se utiliza para algunas aplicaciones que requieren control de velocidad. La velocidad del motor se controla regulando la tensión de la armadura, y el par controlando la corriente de la armadura, esto es, el flujo y el par se puede controlar separadamente. Este es el principio básico en el que se basa el control de todas las máquinas AC actuales. Los primeros motores DC eran controlados con algún tipo de tecnología chopper, como PWM. Puentes de tiristores conectados en red eran principalmente utilizados para el rango de grandes potencias, aplicaciones típicas serían imprentas e industrias del papel, ascensores… y cualquier tipo de aplicación que estuviera sujeta a altas demandas transitorias. La tecnología chopper se utilizaba para rangos de potencias pequeños, como máquinas herramientas. El desarrollo de materiales magnéticos introducción el motor DC de imanes permanentes (PMDC), en este, la bobina de excitación era remplazada por imanes permanentes. Algunas ventajas del uso de imanes permanentes fueron la reducción de pérdidas en el cobre, mayor densidad de potencia y menor rizado de par a baja velocidad. El uso de un imán permanente en el circuito magnético provoca una baja inductancia de la armadura y por lo tanto, una baja reacción de la armadura. Con esta tecnología se obtiene una curva lineal velocidad-par, debido a que el imán permanente suministra un flujo constante en todo el rango de velocidad. La velocidad del motor se puede controlar simplemente ajustando la tensión aplicada a la armadura. 49 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán Los motores DC de imanes permanentes estaban limitados a bajos rangos de potencia debido a la falta de imanes adecuados hasta los años 80. Aplicaciones típicas eran aplicaciones alimentadas con baterías de baja tensión, como máquinas herramientas, sistemas auxiliares en automoción… Por encima de los 10kW, el motor DC con excitación independiente era la única solución. El mayor problema de estos motores es la conmutación y las escobillas de carbón, que requieren de un mantenimiento regular. 4.3.2 Motor DC sin escobillas (BLDC) El motor DC sin escobillas o Brushless consta de un estator trifásico y de un rotor en cuya superficie se encuentran los imanes que producen una distribución rectangular de flujo. El estator puede tener bobinado distribuido o concentrado, siendo el concentrado la elección más usual. El motor se alimenta por una tensión rectangular o trapezoidal que debe estar sincronizada con la posición del rotor. La tensión debe ser aplicada apropiadamente entre fases, de tal manera que el ángulo entre el flujo del estator y del rotor se mantenga cerca de los 90º, para generar el máximo par. Para realizar la conmutación es necesario el uso de un sensor de posición, que puede ser muy simple, ya que solo son necesarios 6 pulsos por revolución. Típicamente, los sensores son de tipo efecto Hall alineados con la tensión contraelectromotriz del motor. Figura 28. Geometría del BLDC y formas de onda de la corriente y tensión contraelectromotriz 50 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán Aunque el principio de control y la electrónica del controlador son muy simples, se genera un alto rizado en el par debido a pequeños errores que provocan retrasos en la conmutación de fases. Este rizado también aumenta cuando la forma de la intensidad o de la tensión contra-electromotriz se desvían de la forma rectangular, o si las corrientes en cada fase difieren en amplitud. El rizado de par es el mayor inconveniente de las BLDC, por esta razón se suelen utilizar en aplicaciones de alta velocidad y alta inercia, de tal manera que sea la propia mecánica la que filtre el rizado. 4.3.3 Motores Síncronos de imanes permanentes (PMSM) En principio, la construcción de un motor síncrono de imanes permanentes no difiere de la de un motor BLDC, aunque en este caso el bobinado suele ser distribuido en vez de concentrado. Sin embargo, mientras la forma de la intensidad de la excitación era rectangular para BLDC, para el caso de PMSM tendremos una forma sinusoidal, lo cual elimina el rizado del par causado por la conmutación. PMSM son típicamente alimentados a través de un inversor con fuente de tensión, el cual provoca harmónicos en el flujo del entrehierro. Los motores síncronos de imanes permanentes pueden ser construidos con imanes embebidos en el rotor o con imanes superficiales, la localización de los imanes pueden tener un efecto importante tanto mecánico como eléctrico. Con un tamaño de imanes equivalente, la reluctancia de un motor de imanes superficiales es el doble comparada con una con los imanes embebidos en el rotor, la inductancia es inversamente proporcional a la reluctancia. Figura 29. Diferentes posibilidades para la localización de los imanes 51 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán 4.3.4 Motor de inducción Un 70-80% de todos los motores que se utilizan en la industria para convertir energía eléctrica en mecánica son motores de inducción. Tienen un construcción del rotor muy robusta, que los hace adecuados para aplicaciones de alta velocidad, y además, con un diseño apropiado, pueden tener buen comportamiento frente a sobre-cargas y debilitamiento de campo. La teoría de funcionamiento de las máquinas de inducción se conoce desde hace tiempo, y por lo tanto, existen en el mercado multitud de motores e inversores de diferentes fabricantes, desde potencias fraccionales de kW hasta máquinas en el rango de los MW. El motor de inducción es también conocido como el motor asíncrono, que deriva del hecho que existe siempre un deslizamiento entre el rotor y el campo magnético que genera el estator. Este deslizamiento es un problema para aplicaciones que necesiten una alta respuesta dinámica, ya que degrada el comportamiento transitorio durante variaciones bruscas de la carga. Las perdidas en el rotor son directamente proporcionales al deslizamiento. El deslizamiento puede ser reducido disminuyendo la resistencia del rotor o también utilizando una mayor inducción en el entre-hierro. La mayor desventaja del motor de inducción es que siempre funciona bajo un factor de potencia inductivo, ya que la máquina se magnetiza desde el estator, es decir, existe una corriente de magnetización en el estator incluso bajo condiciones de no-carga. Este hecho provoca que disminuya el par disponible para una corriente dada comparado por ejemplo con un PMSM, o alternativamente, más corriente para un determinado par, lo que obliga al inversor a tratar con corrientes mayores. Figura 30. Cut-out de un motor de inducción 52 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán 4.3.5 Ventajas e Inconvenientes Brushless DC motor -Baja fiabilidad. -Necesidad de mantenimiento. -Baja capacidad de sobrecarga. -Baja disipación de calor. -Alta densidad de potencia. -Buena disipación de calorCapacidad de sobrecarga. -Caro. -Rizado del par. -Peligro de desmagnetización de los imanes. -Pobre debilitamiento de campo. PMSM -Buen control. -relación lineal entre par e intensidad. -Bajo rizado del par. Inconvenientes -Par suave. -Alta eficiencia. -Alta relación del par/volumen. -Buena disipación de calorCapacidad de sobrecarga. -Caro -Peligro de desmagnetización de los imanes. -Pobre debilitamiento de campo. Induction Motor Motor DC con escobillas Ventajas -Excelente dinámica con control adecuado. -Posibilidad de alta velocidad. -Bajo precio y construcción simple. -Durabilidad. -Control complejo. -Siempre factor de potencia inductivo. -Baja eficiencia a baja carga 53 Proyecto Fin de Carrera José Manuel Soler Vizán 54
