Llevamos unas semanas escribiendo sobre las diferentes dudas o preguntas con las que nos asaltan nuestros clientes. Y si bien, como nos ha dicho alguno, hemos rascado un poco en “los prójimos” (el hidrogeno y el gas natural como combustibles alternativos), nos parece bueno ahondar y confrontar algunos mitos de nuestra apuesta: la electrificación del transporte usando baterías electroquímicas

 

El vehículo eléctrico como alternativa

A favor:

 

  1. Reducción de las emisiones de CO2. 

El vehículo eléctrico no emite CO2 durante su conducción, esto es 0 gCO2/km, frente a los 120 gCO2/km de media, que emite un automóvil de gasolina en Europa (en EE. UU. entorno a los 200gCO2/km). Pero eso no quiere decir que la utilización del vehículo eléctrico esté libre de emisiones. Se debe tener en cuenta, en ambos casos, todo el proceso. Desde la fuente inicial de energía hasta el movimiento final de las ruedas:

  • En el caso del vehículo de gasolina, además de las emisiones provocadas por el proceso de combustión, hay que añadir un 15% en emisiones indirectas, durante los procesos de producción y refinamiento del petróleo. Tomando el dato anterior de media en Europa obtenemos un total de 138 gCO2/km.
  • En el caso del vehículo eléctrico, una parte importante de la energía eléctrica se produce por la combustión de petróleo, carbón y gas, en las centrales térmicas. Durante este proceso se emite una gran cantidad de CO2. Para poder calcular las emisiones provocadas por un vehículo eléctrico, hay que utilizar el dato de emisiones en la tarifa mixta. En España, las emisiones son de 241 gCO2/kWh2 (2019).

Considerando que, a día de hoy, un vehículo eléctrico consume 20 kWh de energía, para recorrer 100 Km, ¿cuántos gramos de CO2 por kilómetro, producirá la utilización de un vehículo eléctrico en España? 

48,2 gCO2/km.  Un 65% menos

 

  1. Mejora de la calidad del aire

A parte del CO2, causante del efecto invernadero, la combustión de derivados del petróleo emite otros gases contaminantes como el monóxido de carbono, el óxido de nitrógeno y otros muy perjudiciales para la salud humana. En el caso de las ciudades, aproximadamente el 80% de la contaminación del aire es producida por el transporte. 

El vehículo eléctrico no emite gases nocivos durante la conducción 

 

  1. Reducción de la contaminación acústica

 Existe otro tipo de contaminación además de la del aire. Se trata de la contaminación acústica que afecta a la calidad de vida, principalmente en las grandes urbes. España es el país más ruidoso de Europa y el segundo del mundo tras Japón. En nuestro país, un 85% de la población que vive en las ciudades, sufre niveles de ruido superiores a la cifra límite de los 70 decibelios. Gran parte de este ruido es provocado por los medios de transporte, principalmente los vehículos de combustión.

Los motores eléctricos son muy silenciosos, y su utilización reduce considerablemente el nivel general de ruido

 

  1. Reducción de la dependencia del petróleo y sus derivados

La utilización del vehículo eléctrico, permite reducir la necesidad de petróleo, al disponer de otras fuentes de energía para la generación eléctrica. Un importante porcentaje de estas fuentes de energía, son de origen autóctono, algo que permite que cada país tenga mayor control sobre su propio desarrollo, y menos dependencia de los países exportadores de crudo/gas.

 

  1. Mayor eficiencia energética

Un vehículo propulsado mediante un motor eléctrico aprovecha entre el 80 y el 90% de la energía que se le suministra, frente al 20-30% de un vehículo con motor de combustión. Esta diferencia se debe a que, en un vehículo eléctrico, se producen menos pérdidas en la generación y transmisión de la energía mecánica a las ruedas. Además, en un coche eléctrico podemos recuperar energía a través de un sistema de freno regenerativo.

Un automóvil eléctrico necesita una media de 20 kWh para recorrer 100 km, en un entorno urbano, lo que equivale a unos 2 litros de gasolina; mientras que un coche de combustión consume unos 7 litros cada 100 km, conduciendo por ciudad

 

  1. Optimización del sistema eléctrico

En el sistema eléctrico actual, se desaprovecha gran cantidad de energía. Mientras por el día, el consumo es alto, durante las horas nocturnas la demanda cae considerablemente. Algunas centrales eléctricas, como las nucleares y los aerogeneradores, no dejan de generar energía por la noche.  Como no disponemos de tecnología/medios/infraestructura para almacenarla, se acaba tirando a la basura.

La presencia de vehículos eléctricos ofrece, la posibilidad de almacenar energía eléctrica en cantidades significativas. La mayoría de los desplazamientos se realizan por el día, de modo que, si el vehículo utilizado es eléctrico, el momento idóneo de carga es por la noche, mientras está estacionado.

La existencia de un parque importante de vehículos eléctricos, permitiría el aprovechamiento de gran cantidad de energía que actualmente se está ya produciendo y desperdiciando

 

En contra: la autonomía, el coste de los vehículos eléctrico y el tiempo para su recarga

 

Ambas tres dependen de la batería, si bien más del 80% de los vehículos utilizados actualmente realizan un único desplazamiento diario inferior a los 100 km.  Además de estimar que la autonomía de las baterías se incrementará entre un 20 y un 30% cada cinco años, mientras que el precio de las mismas, se reducirá un 50% en el mismo periodo.

 

La batería como fuente de energía

 

Principio de funcionamiento de una batería recargable

Una batería recargable o acumulador, es un dispositivo capaz de almacenar energía eléctrica en forma de energía química. Esta energía, contenida en los electrodos, puede ser devuelta posteriormente de una forma directa y espontánea. Esta constituida por celdas electroquímicas. Cada una de las cuales consiste básicamente en:

  • Un electrodo positivo, el cátodo
  • Un electrodo negativo, el ánodo.
  • Un electrolito, que generalmente es un líquido, separándolos a ambos. La característica principal del electrolito es que conduce la carga en forma de iones.

Sus prestaciones depende de los materiales de los electrodos la disposición de los mismos y la composición y geometría de los colectores de corriente.

 

Tecnologías utilizadas en las baterías de tracción actuales

Existen muchas tecnologías para el almacenamiento de energía eléctrica. A continuación, vamos a ver las más empleadas hasta la fecha en la industria del vehículo eléctrico.

  • Baterías de Plomo Acido

1859. Son las que se han utilizado siempre en los automóviles convencionales para alimentar el sistema de arranque de los motores de combustión interna y otros elementos eléctricos del coche.Es una tecnología muy probada y más barata que las nuevas tecnologías de acumulación de energía, pero su poca densidad energética (Wh respecto al kg), impide que se empleen para las baterías de los vehículos eléctricos.

  • Baterías de Niquel Cadmio

1901. Actualmente, existen muchísimas aplicaciones donde se utilizan las baterías de níquel-cadmio (por ejemplo, las pilas de botón, que alimentan infinidad de aparatos electrónicos). Ha sido una tecnología decisiva en el desarrollo de la telefonía móvil. Han sido las más utilizadas durante muchos años para vehículos eléctricos, debido a su larga vida y a su mayor capacidad de carga. Pero en 2004 fueron prohibidas en la mayoría de los países de la Unión Europea, debido a la toxicidad del cadmio, y han sido sustituidas por las baterías de níquel-hidruro metálico.

  • Baterías de Niquel-Hidruro Metalico (NiHM)

1970. Han sustituido totalmente a las baterías de níquel-cadmio, por la prohibición de estas en muchos países europeos. En su momento tuvieron gran acogida entre los híbridos, ya que admiten cargas rápidas, lo que permite almacenar la energía recuperada durante las frenadas regenerativas.

  • Baterías de Ion-Litio (Lion) 

1991. La empresa japonesa Sony saco al mercado la primera batería de ion-litio. A día de hoy, se trata de la tecnología más avanzada que hay en el mercado, y se ha impuesto claramente a las baterías predecesoras para los vehículos eléctricos e híbridos. Además, existe todavía mucho margen de mejora dentro de la propia tecnología. La utilización de nuevos compuestos de litio en el cátodo, junto con el aumento de la demanda y la producción masiva, van a provocar un descenso de los precios de las baterías de litio. Y su energía específica sigue aumentando con cada evolución. En otra entrada del blog nos centraremos en las baterías de estado solido y Toyota. Nos vamos a centrar en estas por ser las mas utilizadas y las que la gente asocia al vehículo eléctrico.

Batería Pb-Acido NiMH Ion-Litio(Lion)
Voltaje (V) 2.0 1.2 3.0-4.5
Energia (Whkg-1) 10-40 60-80 80-170
Energia (Whl-1) 50-100 250 170-450
Numero de ciclos 80% 400-800 300-600 500-3.000
Coste ($kWh) 100-125 220-400 250-800
Impacto medioambiental Alto Bajo Moderado-Bajo

Tabla resumen de las principales características de las baterías mas usadas en transporte

Características Baterias de Ion-Litio (Lion)

 

El catado (+)

El material utilizado inicialmente para la fabricación del cátodo (electrodo positivo), es un óxido mixto laminar de litio y cobalto, LiCoO2.

El Cobalto que tiene mucho en común con el tan renombrado y reconocido Coltan. Ambos son relativamente escasos, indispensables en la fabricación de muchos de los dispositivos electrónicos que utilizamos habitualmente, y se extraen en condiciones muy discutibles. Es por ello que su utilización encarece mucho el coste de las baterías.   

Durante los últimos años se ha investigado en otros componentes para la fabricación del cátodo que reduzcan la dependencia del Cobalto. Actualmente son la espinela LiMn2O4 y el fosfato LiFePO4 los principales materiales utilizados. Cuyas principales ventajas frente al LiCoO2 (Cobalto) son: un coste sensiblemente inferior y un menor impacto medioambiental.

A parte de las ya comentadas, existen desarrolladas y en desarrollo otras nuevas tecnologías basadas en el litio: polímeros de litio, litio azufre, litio película delgada, litio con cátodos de aire, titanio de litio (LTO), grafeno…

Podemos elegir modelos de baterías con las siguientes características destacadas como la capacidad, el ciclo de vida y la seguridad. Por ejemplo, (basadas ​​en cobalto) denominadas ICR son de alta capacidad, pero no son muy seguras. IMR son más seguras, pero tiene menor capacidad que la ICR. Y las que usan níquel y manganeso (IMR) le confiere una mayor corriente de descarga.  Todas con el compromiso de mejoras en el coste, energía específica y vida útil de la batería.

Tesla. Según las ultimas noticias, en Tesla están listos para comenzar a usar baterías desarrolladas por Contemporary Amperex Technology Ltd. (CATL), China, en un futuro próximo, Según las informaciones, esta batería, que estará libre de cobalto, es un paso sólido hacia el despliegue de la electrificación con un coste entorno a $ 80 / kWh. Siempre que esta estimaciones sean precisas, Tesla no solo podrán cumplir con el objetivo de $ 100 / kWh y alcanzar la paridad de precios con los automóviles a gasolina, sino que los vehículos de la compañía podrían volverse más baratos que sus homólogos de gasolina. 

 

El ánodo (-)

 Para el electrodo negativo se utiliza un material de carbono, en concreto grafito, 6C.  Y en algunos casos se estaba probando con un compuesto de titanio de litio.  

 

El electrolito (disolución que contiene ambos electrodos)

El electrolito es una disolución acuosa de hidróxido potásico, al 30% en peso. El electrolito es una sal de litio en un disolvente orgánico.

 

Sus limitaciones más significativas:
  • Elevado coste, actualmente entre 600 y 800 €/kWh.
  • Disminución de prestaciones a temperaturas altas, superiores a 50º.
  • Se degradan cuando sufren sobrecargas y descargas profundas. Incluso pueden sufrir procesos de calentamiento descontrolado, que en casos extremos pueden provocar incluso el incendio de la batería.
  • Vida útil  entre 2.000 y 3.000 ciclos de carga.
Cuando la capacidad de una batería de tracción disminuye hasta el 80% de su valor nominal, decimos que su vida útil ha acabado. Sus prestaciones ya no son suficientes para alimentar el motor de un vehículo eléctrico, pero pueden ser usadas en campos que no requieran una densidad energética tan importante

 

Se habla entonces de una segunda vida de la batería

Una posibilidad de segunda vida es la acumulación de energía en un punto fijo. Ya se están utilizando baterías de segunda mano en algunos sistemas de recarga o en pérgolas y huertos solares, formando parte de un acumulador más grande. Como es el proyecto de Beeplanet Factory o el nuestro propio de Full&Fast, donde trabajamos con baterías usadas procedentes de vehículo eléctrico para diferentes sectores.

 

Reciclaje de las baterías

Vamos a terminar esta entrada con la pregunta que respondiamos al principio el reciclaje de las baterías. Los acumuladores (baterías) cuenta con materiales tóxicos que deben ser reutilizados o eliminados de forma adecuada.

Plomo-Acido: el reciclaje de las baterías de plomo-ácido, que ya se utilizan masivamente en los vehículos de combustión interna, está totalmente desarrollado. Estas baterías gozan de la mayor tasa de reciclado entre nuestros productos de desecho. El motivo es que contienen materiales valiosos y existe interés en recuperarlos.

Ion – Litio: actualmente, hay poca necesidad económica de reciclar baterías de iones de litio. Muchas baterías contienen solo pequeñas cantidades de carbonato de litio y el material es relativamente barato comparado con la mayoría de los metales restantes. De todos modos, esta situación puede cambiar cuando las baterías se fabriquen a gran escala para los vehículos.

Respecto a la ecuación económica del reciclaje, depende mayormente de la química utilizada en las baterías de iones de litio. El litio es actualmente uno de los metales de menor valor. Para muchas baterías de iones de litio, el litio representa menos de un 3% de los costes de producción, cantidad despreciable comparado con otros metales, como el níquel y el cobalto (en cuyo caso si que hay interés en  reciclarlas).

 

En resumen, se pueden reciclar pero no compensa económicamente… por ahora

 

En una reunión mantenida con un reconocido ingeniero de minas y director de industria español, puntualizo que la clasificación de los llamados metales raros responden directamente a un criterio especulativo y no técnico:

“¿Recursos minerales?” – insistía – “Hay un montón, tan solo hay que querer excavar”

Fuentes: Iberdrola, Generalitat de Cataluña, Corporate Average Fuel Economy, Comisión Europea, Transpor&Enviroment, IDAE, AEDIVE, Wikipedia, INE.