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Madrid, 12 de mayo de 2016

¿Se prevé un final para los motores de combustión tradicionales?

Jesús Casanova KindelánCatedrático de Motores Térmicos

ETSII - UPM

RENTING DE VEHÍCULOS Y SERVICIOS PARA EL AUTOMÓVIL

J. Casanova Madrid 12 de mayo de 2016

Premisas

• Toda predicción se basa en la experiencia anterior

• Es muy difícil emitir una predicción con plazos temporales

• El futuro lo marca la evolución de los diferentes condicionantes

– Son cambiantes de manera a veces impredecible

• ¿Los “intereses creados” condicionan el futuro?

– Menos de lo que se dice

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Propulsión y fuentes de energía en automoción

• Sistemas de propulsión: – Motor básico

• Térmico (de combustión)

• Eléctrico

– Transmisión de potencia

• Mecánica

• Hidráulica

• Eléctrica (por cable)

Fuente de energía en el vehículo:– Química (combustible) ( 3500 Wh/kg)

• Para combustión• Para pila de combustible

– Eléctrica ( 150 Wh/kg)• Baterías• Supercondensadores

Combustibles:– Convencionales (petróleo)– Alternativos (GN, GLP, …)– Bio-combustibles– Hidrógeno

J. Casanova Madrid 12 de mayo de 2016 2

AUTOMÓVILVehículo que se mueve con la energía que transporta acumulada

Flujo de energía química mecánica

• La energía química va asociada al combustible – Depende del tipo de combustible

• La energía mecánica se utiliza en la propulsión de las ruedas del vehículo – Depende del tipo de vehículo

• Dos caminos (valores a 2016):

CxHyO Energía química Energía mecánica

Energía eléctrica

Combustión Energía térmica

Motor eléctrico

Motor térmico

( 0,45)

Pila de combustible 0,55

0,95

0,95



Condicionantes de los sistemas de propulsión + fuentes de energía

Dependencia externa

Seguridad energética

Contaminación urbana

Contaminación transfronteriza

Calentamiento global (CO2)

Coste (€)

?Sistema de propulsión ?Fuente de

energíaSeguridad

de uso

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Sistema de propulsión y fuente de energía se desarrollan acompasadamenteSistema de propulsión y fuente de energía se desarrollan acompasadamente


Una adecuada combinación de:

Medio Ambiente

Pero ¿qué quieren los usuarios?

Eficiencia

Conductibilidad

Seguridad

Todo ello con:• Coste razonable• Alta Fiabilidad • Buena Durabilidad

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Impacto del automóvil en el medio ambiente

• Contaminación de la atmósfera– Calidad del aire y salud pública – Calentamiento global (CO2)

• Ruido• Contaminación del suelo y las aguas• Impacto en el paisaje urbano y natural

Conceptos desacoplados


• Medio urbano

– Partículas (PM)

– Óxidos de nitrógeno (NOX), sobre todo NO2

– Ozono (O3)

• Contaminación transfronteriza

– Partículas finas < 2,5 m (PM2,5)

– Óxidos de nitrógeno

• Planetario: efecto invernadero

– Emisiones de dióxido de carbono (CO2)

• Motor de combustión: NOX + PMfinas

NOX

PM10 – 2,5

CO2 + O3

La contaminación de la atmóféra



Fuentes de energía para el automóvil

• Fósiles (petróleo, gas natural y carbón)– Carburantes convencionales del petróleo evolucionados (MC)

– Gas natural y sus derivados (MC)

– Hidrógeno obtenido por reformado (ME (o MC))

– Energía eléctrica de la red (centrales térmicas) (ME)

• Renovables (hidráulica, eólica, solar y biomasa)– Combustibles derivados de biomasa (biocombustibles) (MC)

– Hidrógeno de electrólisis por electricidad renovable (ME (o MC))

– Energía eléctrica de la red (centrales hidráulicas, eólicas y solares) (ME)

• Nuclear (fisión)– Hidrógeno de electrolisis por electricidad nuclear (ME (o MC))

– Energía eléctrica por red (centrales nucleares) (ME)

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MC: Motor de Combustión

ME: Motor Eléctrico

Densidad de energía de las fuentes de energía

• Energía disponible por unidad de volumen (Energía / Volumen)• En vehículos de transporte juega un importante papel


Den

sida

d de

ene

rgía

en

volu

men

resp

ecto

a la

gas

olin

a

1,20

0,80

0,60

0,40

0,20

0,00

1,001,00

0,740,67

0,54

1,12

0,05

0,230,23

0,42

0,04

Gas

olin

a

Gas

óleo

Etan

ol

Met

anol

GLP

GN

Liqu

ido

H2

Liqu

ido

GN

Com

pr.

Met

ano

Bat

ería

Mh


La realidad actual

• Resistencia natural a cambiar aquello que “funciona bien”

• Derivados del petróleo = “mejores” combustibles

• Aun baratos frente a otras fuentes de energía

• Los motores actuales responden a los requerimientos del usuario

• Son la consecuencia de 110 años de desarrollo tecnológico muy sofisticados

• Desarrollo acompasado de motores y combustibles

• Nuevos combustibles cambios en provisión/producción

– Pero pocos cambios en tecnologías de motores

• Pila de combustible aun costosa y falta de desarrollo

• Vehículos eléctricos = escasa autonomía

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Requerimientos medio ambientales futuros

• Emisiones reguladas: CO, HC, NOx, PM, ya difícil reducir más

• Evolución de los procedimientos de control: Euro 6c

– Igualar emisiones en ensayos y en la “vida real”

• Estudiar emisiones no reguladas:

– Metales, hidrocarburos alifáticos, olefinas, aldehídos, aromáticos, PAH,

– Emisiones de partículas de desgaste

• Diversificar fuentes de energía

– Combustibles de origen diverso

– Electricidad del mix energético

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Estrategias europeas para reducir emisiones de CO2 de los vehículos de motor

• Estrategia de la Comisión Europea de Transporte y Movilidad

– Reducción del 80-95 % de las emisiones de CO2 para el año 2050, con respecto a las de 1995

– Objetivo: Disponer de la correspondiente estrategia (Clean TransportSystems) a partir del año 2012.

• Reglamento CE 443/2009 (23-04-09)

– Emisiones medias de CO2 en 1995: 186 g/km

– Reducción del 35 % para el periodo 2012-2015: 120 g/km

– Objetivo de reducción adicional del 15 % a partir del 2020: 95 g/km

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El futuro de los motores de combustión


• Motores diésel de menor impacto ambiental y menor consumo

• Motores de encendido provocado de menor consumo y emisión de CO2

• Aumento de las funciones de gestión electrónica del motor. Diagnosis

• Los combustibles alternativos no cambian esencialmente los motores

• Electrificación de cada vez más funciones:

– Accionamiento de sistemas auxiliares (bombas)

– Arranque y ayuda en aceleración

– Propulsión y transmisión híbrida

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¿Cómo propulsaremos los coches del futuro?

• Motores de combustión interna:– Problema Medio Ambiente + Disponibilidad de Combustibles.– Soluciones:

• Optimización y eficiencia • Nuevos combustibles• No se esperan “milagros”

• Motores eléctricos: – Problema Acumulación de energía con baja densidad energética– Soluciones:

• Hibridación con motores de combustión interna• Pila de Combustible• ¿“Milagros”?

• ¿Otros?– Turbina de gas ¿Generador eléctrico?– Turbina de vapor: NO– Motor Stirling: NO

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El futuro. Vehículos ligeros


“Convencional”Motor de combustión

+ Electrificación

“Hibrido” Motor de combustión

+ Eléctrico

“Hibrido”Motor de combustión

+ Eléctrico+ Batería recargable

“Eléctrico”Batería recergable

“Convencional”Motor de combustión

“Eléctrico” (rango extendido)Batería recargable

+ Motor de combustión

“Eléctrico”Pila de combustible de H2

Gas natural

Combustibles convencionales petróleo

BiocombustiblesHidrógeno

Electricidad

Tiempo

Den

sida

d de

ene

rgía

Escala desconocida

Gra

do d

e el

ectr

ifica

ción

“Eléctrico”Batería recargable

¿20 – 40 años?


Conclusión

SI: se espera un final para los motores de combustión convencionales

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Pero “eso no va a pasar mañana…”

Madrid, 12 de mayo de 2016

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