Desafíos tecnológicos en el desarrollo de un vehículo eléctrico


Hoy en día, el sector del vehículo eléctrico sigue en pleno proceso de desarrollo. Los fabricantes de vehículos están aumentando los modelos eléctricos que sacan al mercado, conscientes de la importancia de estar bien posicionados en el ranking de ventas de VEs (Vehículos Eléctricos) pero, sobre todo, transformar sus metodologías de diseño y fabricación para adaptarse a la tecnología eléctrica.

Este desarrollo a contrarreloj supone un reto en plazos de ejecución para los fabricantes y proveedores del sector, pero también genera una serie de desafíos tecnológicos pendientes de solucionar para seguir perfeccionando este tipo de vehículos, fundamentalmente, en material de autonomía, gestión electrónica y eficiencia energética en los procesos de fabricación y recarga del pack de baterías.

Dos de los desafíos más importantes están relacionados con los siguientes aspectos:
  • Desarrollo de nuevas tecnologías de baterías (celdas).
  • Mejora de la planificación energética para la recarga de baterías.

Desafíos tecnológicos en el desarrollo del vehículo eléctrico.

Se puede resumir en dos bloques fundamentales los desafíos tecnológicos más importantes en el desarrollo de los vehículos eléctricos:
  • Nuevas tecnologías baterías.
  • Planificación energética para la recarga de baterías.

Nuevas tecnologías baterías

Actualmente, los principales retos a la hora de mejorar el diseño de las celdas, son los siguientes:

  • Aumentar la durabilidad (autonomía) de la celda
  • Disminuir el peso de la celda
  • Disminuir los tiempos de recarga, logrando una vida útil elevada
  • Disminuir los riesgos derivados del suministro de los minerales necesarios para su fabricación (riesgos de suministro, riesgos políticos, …)
  • Emplear fuentes renovables para la fabricación de las celdas (tanto de los minerales que la conforman, como el propio proceso productivo)
  • Lograr tasas de reciclabilidad del 100% de las baterías de litio (al igual que sucede con las actuales baterías de ácido), con especial atención al propio reciclaje del litio, que hoy en día no es rentable.

Actualmente se están desarrollando nuevos tipos de celdas que intentan dar respuesta a estos retos anteriormente planteados. Las tendencias actuales se centran en desarrollar las siguientes tecnologías:

  • Baterías de Ion-Li mejoradas mediante el empleo de minerales que sustituyen el litio en el cátodo (total o parcialmente)
  • Baterías en estado sólido
  • Baterías de Ion-Aluminio

Por otro lado, muchos fabricantes están trabajando en el reto de eliminar la posibilidad de explosión de una batería de litio, con los riesgos que esto implica. Para ello, el foco está puesto en la sustitución del litio como elemento fundamental en la celda y el cambio de electrolito líquido a sólido.

Finamente, respecto al desafío de la reciclabilidad de las baterías, se están implementando dos vías principales:

  • Reciclaje del litio para poder ser reutilizado en la fabricación de pilas, que es un tema que técnicamente está solventado, pero que se debe industrializar adecuadamente para que no implique un coste elevado.
  • Reutilización de los packs de baterías para aplicaciones domésticas e industriales, donde no se exigen los niveles de eficiencia propios del sector del automóvil.

Planificación energética para la recarga de baterías

Uno de los grandes retos por solventar en el sector del vehículo eléctrico es planificación energética en términos de generación de energía.

Se puede distinguir dos problemáticas a solventar:

  • Ser capaz de generar la energía eléctrica que la carga del vehículo eléctrico demandará, sin provocar un desequilibrio en la red
  • Ser capaz de generar la energía eléctrica que la carga del vehículo eléctrico demandará, empleando energías renovables
Respecto al punto relativo al desequilibrio de la red, la causa fundamental se debe a que se genera un pico importante de demanda de mitad de la tarde hacia adelante (ya que el usuario del VE, al llegar a su casa, enchufa su vehículo, que empezaría a recargase automáticamente). Este pico de recarga generará algunos problemas. Por un lado, se acentúan los picos en el perfil de demanda, un sinsentido si se tiene en cuenta que la tendencia actualmente va en la dirección de aplanar dicha curva de demanda. Por otro lado, está la necesidad de abastecer este pico, con lo que se hace necesario planificar con qué tipo de energía se va a conseguir. Lo habitual, en estos casos, es aumentar la generación de energía fósil, lo que va en contra de un criterio eficiente y ecológico.

Con una gestión de carga inteligente, la recarga de los VEs se lleva a cabo por la noche, en las horas de menor demanda. La carga inteligente (o incluso una mera programación de la recarga) se encargará de adecuar la recarga del coche eléctrico al periodo de menor demanda. En estos periodos, la energía es más económica para el consumidor (tarifa nocturna). Esto implicará que se aplane la curva de demanda y disponer de un consumo más estable a lo largo de todo el día.

Los cargadores convencionales permiten un flujo de potencia desde la red de distribución hacia el vehículo eléctrico (no hay que perder de vista que el objetivo es cargar la batería del vehículo). Alternativamente, existen cargadores que permiten un flujo de potencia bidireccional (es posible conseguir un flujo de potencia inverso), de forma que el vehículo eléctrico puede inyectar potencia a la red. Este modo de operación se denomina Vehicle to Grid (V2G).


Este tipo de cargadores permiten una transferencia de carga en ambas direcciones, desde la red al vehículo (al pack de baterías) y desde el vehículo a la red. Por tanto, se podría proporcionar energía a la red en caso de necesitar un extra de potencia. Esto podría permitir (en caso de que todos los vehículos conectados a la red lo hicieran por medio de este tipo de cargador), regular la carga de todos los vehículos, manteniendo un consumo equilibrado de la red y evitando picos de consumo. Evidentemente, aún queda mucho camino para lograr este tipo de gestión inteligente de la carga, pero significa nuevas oportunidades de negocio.

Respecto a una adecuada planificación energética por parte de los estados, para cubrir la demanda generada como consecuencia de la recarga de las baterías de los vehículos eléctricos, es un tema en el que hay que seguir trabajando. La nueva planificación energética 2021-2026 (Orden TEC/212/2019) no contempla esta realidad. No obstante, Red Eléctrica de España (REE) está trabajando para dar respuesta a algunos de los retos que presentará la adopción masiva de los vehículos eléctricos. En ese sentido, considera los siguientes escenarios a tener en cuenta:
  • Recarga nocturna. Es la carga natural del vehículo eléctrico pues se realiza cuando los vehículos no se utilizan. Es la recarga eficiente que permite aprovechar mejor las infraestructuras del sector eléctrico y los precios más reducidos de la electricidad.
  • Recarga de oportunidad. La que se realiza en espacios públicos o corredores eléctricos para atender a las necesidades puntuales de recarga.
  • Recarga en el centro de trabajo. Permite recargar el vehículo en los centros de trabajo, durante la jornada laboral.
La realidad a día de hoy es:
  • En España hay 5000 puntos de carga de vehículo eléctrico
    • 4 veces menos que en Francia
    • 5 veces menos que en Alemania
  • En España hay un punto de carga por cada 134km de carretera
    • Francia: 1 punto/42km
    • Alemania: 1 punto/25km
Por tanto, el reto que debe solventar el estado y todos aquellos actores del sector energético español, es planificar de forma realista:
  • Un cambio gradual hacia formas de generación de energía eléctrica renovable
  • Un proceso estable y coordinado de creación de estaciones de recarga
  • Una regulación inteligente del consumo eléctrico, tanto industrial como particular (consumidor de a pie)

CONCLUSIONES

Hoy en día, la introducción del vehículo eléctrico es una realidad, donde tanto empresas como particulares van renovando gradualmente el parque de vehículos.

Esta nueva tecnología abre una serie de retos tecnológicos por solventar, basados en:
  • Desarrollo de nuevas tipologías de celdas generadoras de energía, empleando minerales diferentes a los actuales y que poseen un riesgo elevado de falta de suministro y logrando una eficiencia aún mayor en términos de autonomía y tiempos de recarga.
  • Planificación energética sostenible para la fabricación de baterías y para su recarga.
Artículo escrito por David Alonso, ingeniero industrial, para la edición digital de la revista Dínamo Técnica.

Puedes conocer más a través del curso sobre vehículo eléctrico que el autor imparte en el Instituto Iberoamericano de Ingenieros de la Energía (3IE).

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