ponencia “innovaciones tecnológicas: vehículo recolector eléctrico-hibrido”. alfonso garcía,...

EL VEHÍCULO ELÉCTRICO COMERCIAL Y

SU APLICACIÓN AL ENTORNO URBANO

ALFONSO GARCÍA GARCÍA.Dirección de servicios técnicos FCC

13 de Noviembre 2.014

EL VEHÍCULO ELÉCTRICO COMERCIAL EN EL ENTORNO URBANO.

FCC. DIRECCIÓN DE SERVICIOS TÉCNICOS. NOVIEMBRE 2.014

¿porqué usar vehículos eléctricos (VE)?

¿cómo son los VE?

¿contaminan los VE?

¿cuál es el estado de la tecnología de los VE?

¿cómo gestiona la energía los VE?

¿porqué usar VE en servicios urbanos?

¿son rentables los VE?

¿cómo está realmente el tema batería?

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VE. DEFINICIÓN GENERAL.

• El vehículo eléctrico (VE) se compone siempre de las siguientes partesbásicas:– Estructura o chasis portante (común a los de motor térmico. MCI). Soporte de carrocería

y de los mecanismos y componentes del vehículo.

– Accionamientos independientes de los sistemas de aire, frenado, suspensión, dirección ycalefacción o AA.

– Elementos de tracción eléctrica. Motor eléctrico y su unidad de control.

– Almacenamiento de energía eléctrica. Baterías que incluye su unidad de control (BTMS).

– Unidad central de control eléctrico y de servicios.

– Cargador de baterías:

• Externo: Lento o rápido.

• Interno: Enchufable o con motor térmico de auto-recarga de baterías.

• Diferenciación objetiva respecto del vehículo con MCI:– No tiene motor térmico y ninguno de sus accesorios. No hay elementos “calientes”.

– No precisa para su funcionamiento de: transmisión, embrague, caja de cambios yretarder de frenado.


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VE. CONFIGURACIONES Y CLASIFICACIÓN

• Ligeros auto-portantes: Derivados de turismos. Furgones, serviciosde inspección, apoyo en transporte, sin carrocerías.

• Ligeros con chasis-cabina carrozables: De 1,5 a 2 Tm de PMA, muyversátiles y generalmente de apoyo a servicios de limpieza viaria,jardinería etc. Existen en variante de furgón cerrado.

• Bajo tonelaje: Comprenden desde 3,5 a 7,0 Tm de PMA, pueden seren versión chasis-cabina carrozables o como furgón cerrado.Aplicación muy versátil a servicios urbanos en general, exceptorecolectores compactadores , y también de aplicación en el campode la distribución.

• Medio tonelaje: En el entorno de 12 a 16 Tm de PMA, yadisponibles para instalación de carrocerías de cualquier tipo, inclusorecolectores compactadores. En versiones de rango extensible deautonomía deben ser con motor térmico de auto recarga debaterías.

• Gran tonelaje: Desde 19 a 32 Tm de PMA en configuraciones4*2,6*2 y 8*2,siempre para instalación de carrocerías y yadisponibles de cualquier tipo, incluso recolectores compactadores.Deben ser con motor térmico de auto recarga de baterías paraaplicaciones en recolección.


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VE. VEHÍCULO ELÉCTRICO.CONFIGURACIÓN BÁSICA


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VE. VEHÍCULO ELÉCTRICO. CONFIGURACIÓN BÁSICA


MOTOR ELÉCTRICO DE TRACCIÓN

BATERÍAS

TOMA DE FUERZA LÉCTRICA Y TRANSMISIÓN

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VE. VENTAJAS E INCONVENIENTES

• Su motor no tiene combustión.Emisiones cero.

• Su emisión de sonido es la mínimaque es posible conseguir.

• Su rendimiento energético es elmáximo posible de conseguir.

• Su duración o vida útil, comomáquina, es la mayor posible dealcanzar y, por tanto, su valor deamortización es el mínimo posible.

• Su mantenimiento es muy inferioral de cualquier máquina con MCI.

• La energía que emplea es masbarata que la del MCI.

• El peso aumenta, por la incidenciade baterías, entre un 3 y un 10 %según la energía que se instala.

• Las series de fabricación del VE yde las baterías son cortas y suincidencia en coste de inversión esobjetivamente mayor.

• Es un vehículo “cautivo” por sercasi exclusivo del ámbito urbano.

• La autonomía es menor que la delvehículo de MCI pero ya sealcanzan tiempos de serviciosuficientes para los serviciosurbanos.


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VE. HÍBRIDOS

VEHÍCULOS HÍBRIDOS: chasis que emplean energía eléctrica y térmicapara motores de combustión interna (MCI).Precisan de motor térmico para la propulsión del vehículo y suministrode potencia a la carrocería..Clasificación:

o Híbridos paralelo

Siempre debe funcionar el motor térmico (MCI).

Usa transmisión mecánica convencional (embrague oconvertidor y caja de cambios).

o Híbridos serie

Siempre debe funcionar el motor térmico (MCI).

Siempre funciona con tracción eléctrica. (no hay transmisiónmecánica).

o VE con auto-recarga de baterías. Mixto

El MCI solo funciona para auto-recarga de baterías, no mueveel vehículo.

Siempre funciona con tracción eléctrica.


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HÍBRIDO PARALELO. CARACTERIZACIÓN.

Se trata de un vehículo convencional con MCImás un mecanismo eléctrico de propulsión yde generación integrado en la transmisión.

Siempre debe funcionar el motor térmico.

Puede incluir una pequeña batería paraalmacenar la energía que pueda recuperar enlas frenadas o retenciones de marcha.

Puede o no arrancar en modo eléctrico(segundos) y automáticamente entrar enfuncionamiento el motor térmico ytransmisión, si dispone de batería.

Elevado coste de inversión y poco ahorro deenergía en la aplicación MA.


Precisa de toma de fuerza mecánica convencional a la caja de cambios. Importantesaverías.

Elevado coste de mantenimiento, mayor que el vehículo convencional.

Solución válida para transporte por carretera.

Emisiones contaminantes y CO2 algo inferiores al vehículo convencional por el ligeroahorro de energía.

pepeDetalle transmisión hibrido paralelo

embragues

Alternador- motor eléctr.

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HÍBRIDO PARALELO.ESQUEMA BÁSICO DE SERVICIO


Chasis convencional con transmisión mecánica que incluye un sistema eléctrico de ayuda a la transmisión mecánica.

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HÍBRIDO SERIE.CARACTERIZACIÓN Y ESQUEMA.

Siempre funciona con tracción eléctrica.

Desaparece por completo la transmisión mecánica convencional. No hay embrague y no hay caja de cambios.

El motor térmico debe funcionar siempre, pero solo accionando un generador de energía eléctrica.

La energía generada (MCI +generador) acciona el motor de tracción directamente.

Puede tener una batería para almacenamiento de energía en las retenciones y frenadas.


TRANSMISIÓN HIBRIDO PARALELO

Resuelve el punto débil del trabajo urbano al no depender de la transmisión mecánica. Menores costes mantenimiento.

Toma de fuerza eléctrica que optimiza el consumo de la carrocería.

Ahorra energía por ser la transmisión de tracción eléctrica.

Es la transmisión más eficiente que emplea motor térmico.

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VE. Y VE CON SISTEMA DE

AUTO-RECARGA DE BATERÍAS.


FUNCIONA EN MODO ELÉCTRICO EN EL ITINERARIO

EN TRANSPORTE AUTO-RECARGA LAS BATERÍAS

• Los servicios a realizar con VE han de tener lasmismas prestaciones y rendimientos que los queprestan los vehículos con MCI.

• Los servicios de recolección comprenden larealización de los itinerarios + transporte de unajornada completa, y la energía que se necesitaembarcar es muy elevada (gran volumen y peso).

• El objetivo es que el itinerario (s) seainexcusablemente en modo eléctrico (MCIapagado). Emisión contaminante cero.

• Durante la fase de transporte, el vehículo a la vezque se desplaza, auto-recarga las bateríasempleando el MCI (GN o diésel) exclusivamente paraesta función. Emisiones optimizadas para accionar elgenerador. El MCI no mueve el vehículo.

• Autonomía indefinida, puede doblar o triplicarjornada se auto-recarga las baterías.

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LA BATERÍA EN LOS VE. VE CON AUTO-RECARGA


13

LA BATERÍA EN LOS VE. VE CON AUTO-RECARGA


14

LA BATERÍA EN LOS VE.-VE CON AUTORECARGA

La batería es, conceptualmente, un acumulador deenergía química. Entrega la energía en modo eléctrico.

Se compone de celdas, módulos y agrupación demódulos (cajas) para que, con la correspondientecombinación, alcance la forma, tensión (V) e intensidad(I) necesarias.

Las baterías se caracterizan por dos propiedadesfuncionales: energía (kwh) y potencia (kw). Su coste esdefinido por ambas propiedades.

Otra caracterización muy importante es su peso y suvolumen, que dependen a su vez de las característicasanteriores.

La evolución tecnológica de las baterías de traccióneléctrica es la base del desarrollo de los VE, en particularen los VE de ámbito urbano.

La batería se adapta a los vehículos en su forma final,dado que está formada por celdas elementales ymódulos.

La evolución tecnológica de las baterías depende en granmedida de la electrónica de control (BMU - ECU) queconsigue su protección y adaptación al vehículo, y que esindividual para cada batería y aplicación.

La duración real de las baterías ha aumentadoconsiderablemente. Hay vehículos en servicio(recolección) de 15 Tm con mas de 5.000 recargasacumuladas.


TRANSMISIÓN HIBRIDO PARALELO

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LA BATERÍA EN LOS VE.-VE CON AUTORECARGA

La evolución de las baterías y la de su electrónica de control haceposible que todos los servicios MA del ámbito urbano puedan yarealizarse en modo eléctrico.

Los rendimientos de las baterías en tracción eléctrica alcanzanprestaciones que permiten hacer los servicios con igualesrendimientos a los vehículos convencionales con MCI, excepto unligero aumento de peso.

En los últimos años se ha pasado de 40 a más de 90 wh por kg debatería, es decir, se ha aumentado la energía específica (wh porkg) casi 2,5 veces, lo que supone una reducción de peso específicode algo mas de la mitad gracias a la tecnología de ión-Li.


La electrónica de control (BMU - ECU) permite laperfecta adaptación del VE a los servicios con unaimportante optimización energética:

o Las carrocerías reciben la energía que precisan encada momento.

o Permite almacenar la energía en retenciones ofrenadas (cada 70 a 100 mt en itinerarios). MOTOR ELÉCTRICO Y BOMBAS DE

CARROCERÍA

BATERÍA Y CUADRO DE CONTROL

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BATERÍAS. TECNOLOGÍA DE POTENCIA / ENERGÍA


17

VE. BATERÍAS. EVOLUCIÓN


29 31 35110

150220

400400

800

1200

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

HOY 2016 2020 2030

Wh

/kg

Energía específica del sistema de baterías

Plomo ácido Litio-ión Metal-aire

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VE. BATERÍAS. EVOLUCIÓN DE LA VIDA ÚTIL


700 700

1,050

2,800

3,500

4,200

5,250

7001,400

3,500

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

HOY 2016 2020 2030

Nº

DE

DES

CA

RG

AS

AD

MIS

IBLE

SPrevisión de duración de baterías para EVs

Plomo ácido Litio-ión

Metal-aire AÑOS DE SERVICIO

19

VE. BATERÍAS. EVOLUCIÓN DEL COSTE


240220

200

150

600

500

450

300

400

250

150

0

100

200

300

400

500

600

700

HOY 2016 2020 2030

€/k

Wh

Evolución del precio estimado de batería

Plomo ácido Litio-ión Metal-aire

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VE. EVOLUCIÓN DEL COSTE. INCIDENCIA DE LAS BATERÍAS


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VE. JUSTIFICACIÓN ENERGÉTICA. RENDIMIENTO.


La razón mas importante que justifica los VE es su rendimiento y la concepción deutilización de energía sin combustión:

Consigue consumos de energía muy inferiores a los vehículos con MCI. Puede recuperar energía por ser el motor eléctrico también generador y, de este

modo, aprovechar la inercia de retenciones y frenadas. Factor especialmenteimportante en aplicaciones de ámbito urbano.

Emplea energía mas barata que la de origen fósil. La emisión contaminante de energía consumida es cero. El vehículo equipado con

motor térmico tiene emisiones cuantitativas (derivadas del consumo) y cualitativaso específicas (derivadas de la combustión).

No precisa de mecanismos de desmultiplicación de par para aprovechamiento dela potencia. No hay perdidas en la transmisión porque no se precisa.

La potencia demandada es siempre de forma progresiva. Se entrega por el motoreléctrico según es requerida. Afecta decisivamente al consumo energético generalpero especialmente al accionamiento de las bombas de las carrocerías. No precisade toma de fuerza al emplear un motor eléctrico independiente de la tracción.

La emisión de sonido es, técnicamente, la menor posible.

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La razón mas importante que justifica los VE es su rendimiento y la concepción deutilización de energía sin combustión.

Energía consumida en realización de itinerario de recolección y transporte, segúnmodos de utilización.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

DIESEL

GN

EE

ENERGÍA CONSUMIDA (KWH)

VE.

EN

ERG

ÍA C

ON

SUM

IDA

EN

ITIN

ERA

RIO

+

DES

PLA

ZAM

IEN

TO

-60 a - 70 %

GN: + 20% a 25%

23



La razón mas importante que justifica los VE es su rendimiento y la concepción deutilización de energía sin combustión.

El rendimiento de 1 kwh entregado al vehículo es muy distinto según cada caso (D, GN oVE) porque:

o No hay combustión y, por tanto, nohay pérdidas importantes pordisipación térmica.

o No hay que desmutiplicar el parmotriz. No hay transmisiónmecánica.

o La energía para accionamiento de lacarrocería es entregada mediantemotor eléctrico independiente.

o La electrónica de control permite laoptimización específica de cada“consumidor” de energía.

o Si bien es cierto, los componenteseléctricos y electrónicos en un VEtienen su rendimiento pero son muysuperiores a los mecánicos devehículos con MCI

0.561

0.339

0.168

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

cost

e kw

h (€

) e

ne

rgía

coste de la energía € por kwh

coste neto kwh gasoil coste neto kwh Nm3 GN

coste neto kwh EE

- 40%

- 70%

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VE. REGISTRO DESPLAZAMIENTO EN TRANSPORTE


VELOCIDAD

ENERGIA ACUMULADA DE TRACCIÓN

ENERGÍA ACUMULADA REGENERATIVA

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VE. JUSTIFICACIÓN ENERGÉTICA. EMISIONES DE GE.


Las emisiones de GE del VE, en cuanto a energía consumida, son CERO

o Las emisiones de GE sonconsecuencia de lacombustión que precisa elMCI.

o Las emisiones de GE hansido reducidas en granmedida en los últimosaños.

o A partir de EURO V, lareducción precisa decatálisis e inyección deurea en post-combustión.

o La normativa EURO solocontempla nivelesespecíficos de emisión (gr.por kwh)

(*) Mediciones realizadas según el ciclo ETC.

EURO II EURO III EURO IV EURO V EURO VI

30/09/2001 30/09/2006 30/09/2009 30/12/2013 30/12/2016

NOx -12,5% -37,5% -56,3% -75,0% -95,0%

CO -11,1% -53,3% -66,7% -66,7% -66,7%

HC 0,0% -40,0% -58,2% -58,2% -88,2%

Partic. -58,3% -72,2% -94,4% -94,4% -99,7%

% REDUCCIÓN EMISIONES S/ EURO I (30/9/1.996)

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

EURO I EURO II EURO III EURO IV EURO V EURO VI

GR

AM

OS

PO

R K

wH

HC

] PA

RTI

CU

LAS

GR

AM

OS

PO

R K

wH

N

Ox

Y C

O

EVOLUCIÓN NORMATIVA EMISIONES UE. NORMAS EURO

NOx CO

HC Partic.

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VE. EMISIONES. EVOLUCIÓN EMISIONES TRANSPORTE


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VE. EMISIONES. UTILIZACIÓN DE LOS VE EN SERVICIOS DE MA. URBANO.


• Los VE serán definidos por la energía necesaria para una jornada. La batería debe tener laenergía necesaria.

• Ya es posible asimilar a VE la mayoría de los servicios complementarios y de apoyo a larecogida y a la limpieza viaria.

• La recolección y transporte de residuos permiten ser realizados en modo eléctrico, entodos los casos, con vehículos equipados con sistema de auto-recarga de baterías.

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

% D

ESC

AR

GA

DE

BA

TER

ÍA

EHSR. RCCP. JORNADA COMPLETA. % DESCARGA DE BATERÍA

FINAL ITINERARIO 2º TRANSPORTE ITNIERARIO 1º INCIO

RECARGANDO Y EN DESPLAZAMIENTO

DESCARGA BATERÍAS. ITINERARIOS

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VE. EMISIONES EN LA PRODUCCIÓN DE EE.


• Las emisiones de producciónde energía, no las de“consumo” de energía, han detenerse en cuenta a fin deconocer los valores deemisión completos.

• Las emisiones de CO2 de D yde GN son del “pozo altanque”.

• Los valores de CO2

correspondientes a laproducción de 1 kwh son lasdel ”MIX” energético Nacional(REE), y dependen de lapolítica energética.

• Los valores de CO2 de la EEproducida son iguales paracualquier consumidor de lared.

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0 50 100 150 200 250

EMISIONES DEL POZO AL TANQUEDEL VEHÍCULO (Gr./ Km.)

GN

D

EE

Emisiones de CO2 en la fase de producción de energía (del pozo al tanque):

Por cada gramo por km del VE, se producen de 3 a 5 veces en los vehículos de MCI.

VE. ESTIMACIONES DE EVOLUCIÓN DE COSTES


0.70 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.35 1.40 1.50 1.80

cost

es t

ota

les

en p

erio

do

de

uti

lizac

ión

coste por litro del diesel (sin iva)

EVOLUCIÓN DE COSTES TOTALES DE UN RC

DIESEL GN VE

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VE. REALIZACIONES EN SERVICIO


RECOLECTOR COMPACTADOR DE CARGA TRASERA CON ELEVADOR POLIVANTE 27 m3.

o Configuración: 8 * 2.o Funciona en modo exclusivamente eléctrico (VE) en recolección (itinerarios).o Dispone de sistema de auto-recarga de baterías. Autonomía 24 horas. Solamente en transporte.o Energía eléctrica con baterías de ión-Li y también cargador externo.o Conjunto motor de GN (272 CV) + generador 150 kw.o Motor eléctrico de 300 kw con accionamiento directo al puente trasero.o Baterías de 70 a 150 kwh.o Siempre en tracción eléctrica. El motor MCI no mueve el vehículo cuando funciona en transporte.

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RECOLECTOR COMPACTADOR DE CARGA LATERAL.o Configuración: 6 * 2.o Funciona en modo exclusivamente eléctrico (VE) en recolección (itinerarios).o Dispone de sistema de auto-recarga de baterías. Autonomía 24 horas. Solamente en transporte.o Energía eléctrica con baterías de ión-Li y también cargador externo.o Conjunto motor de GN (272 CV) + generador 150 kw.o Motor eléctrico de 300 kw con accionamiento directo al puente trasero.o Baterías de 70 a 150 kwh.o Siempre en tracción eléctrica. El motor MCI no mueve el vehículo cuando funciona en transporte.

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RECOLECTOR COMPACTADOR DE CARGA TRASERA.o Configuración: 4 * 2.o Funciona en modo exclusivamente eléctrico VE en recolección (itinerarios).o Dispone de sistema de auto-recarga de baterías. Autonomía 24 horas. Solamente en transporte.o Energía eléctrica con baterías de Ni-Mh de 40 a 70 kwh y también cargador externo.o Conjunto motor D (220 CV) + generador.o Motores eléctricos de 180 kw total, con accionamiento directo al puente trasero.o Siempre en tracción eléctrica. El motor MCI no mueve el vehículo cuando funciona en transporte

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EQUIPO DE BALDEO DE CALLE. 8.000 LITROSo Configuración: 4 * 2.o Funciona en modo exclusivamente eléctrico en baldeo (itinerarios).o Dispone de sistema de auto-recarga de baterías. Autonomía 24 horas. Solamente en desplazamiento a cargar agua.o Energía eléctrica con baterías de ión-Li de 50 kw y también cargador externo.o Conjunto motor D (220 CV) + generador.o Motores eléctricos de 180 kw total con accionamiento directo al puente trasero.o Baterías de: 70 a 150 kwh.o Siempre en tracción eléctrica. El motor MCI no mueve el vehículo cuando funciona en transportes

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FURGONES DE CARGA Y CHASIS CARROZABLES VE.o Configuración: 4 * 2 desde 3,500 a 7.000 Kg.o Funcionan en modo exclusivamente eléctrico. (VE)o Energía eléctrica con baterías NaNi de 30 a 120 kw.o Cargador externo.o Motor eléctrico de 40 / 60 kw con accionamiento directo al puente trasero.o Dispone de sistema de toma de fuerza integral.

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VE LIGERO PARA SERVICIOS COMPLEMENTARIOS Y LIMPIEZA VIARIAo Configuración: 4 * 2.o Funciona en modo exclusivamente eléctrico o Energía eléctrica con baterías de Pg-gel de 10 a 20 kw.o Recarga de baterías por cargador externo.o Motor eléctrico de 11 a 22 kw.

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VEHÍCULOS LIGEROS PARA SERVICIOS COMPLEMENTARIOS E INSPECCIÓNo Funcionan en modo exclusivamente eléctrico.o Recarga de baterías por cargador externo. o Baterías: ión –Lí de 20 a 30 kwh. Autonomía de 170 km.o Motor eléctrico de 50 / 60 kw con accionamiento directo al puente trasero.

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VE EN EL ÁMBITO MUNICIPAL. CONCLUSIONES

• Los VE ya son una clara alternativa a los de MCI en cualquier servicio MAurbano.

• Técnicamente son de diseño mas sencillo que los que funcionan con MCI ytendrán menores costes de mantenimiento.

• Son una clara solución para resolver drásticamente las emisiones de gases deescape y de sonido.

• Aportan un importante ahorro energético en la realización de los servicios.

• Las baterías ya tienen tecnología suficiente para alcanzar un númeroimportante de descargas, que alargan su vida útil a los tiempos de licitaciónhabituales. (8 a 10 años.)

• La duración de los VE es muy superior a la de los vehículos con MCI.

• El coste final de utilización de VE y de vehículos con MCI diesel, es yaprácticamente similar.

• La evolución tecnológica que representa la utilización de los VE en serviciosurbanos indica que se deben replantear las formas de licitación, al menos encuanto a la maquinaria.


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VE EN EL ÁMBITO MUNICIPAL.


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MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

ponencia “innovaciones tecnológicas: vehículo recolector eléctrico-hibrido”. alfonso garcía,...

Environment