¿Existe una forma de construir vehículos eficientes al margen del litio, los híbridos y los enchufes? Peugeot, citroën y bosch opinan que hay una alternativa basada en energía hidráulica y gas comprimido.
Á. SAURAS
Como sabes, tanto los vehículos eléctricos como los híbridos emplean, durante las fases de frenada, la inercia del coche para recargar, en parte, sus baterías. Es decir, que cuando pisas el freno en uno de estos coches, los frenos de disco convencionales comienzan a detenerlo al mismo tiempo que un generador empieza a recargar las baterías consumiendo energía cinética del automóvil, y por tanto, frenándolo.
Pero, si hay un generador que frena el vehículo, ¿para qué queremos los frenos convencionales? Pues resulta que los híbridos y eléctricos actuales tienen una pequeña pega: el ritmo al que son capaces de regenerar energía es muy inferior al ritmo al que disminuye la energía cinética de un coche durante una frenada 'normal'. Esta limitación tienen dos orígenes. Por un lado, aunque pudiéramos aprovechar toda la energía generada en una frenada de emergencia empleando exclusivamente un generador eléctrico, la electricidad producida desbordaría las baterías: actualmente, los cargadores rápidos son capaces de cargar a unos 50 kW; sin embargo, una frenada de emergencia en un coche de 1.600 kilos circulando a 100 km/h generaría 125 kW de potencia* –durante 3,5 segundos–.
Por otra parte, el peso y coste que supondría instalar un generador tan potente hace que esta idea sea inviable.
Como resultado, mediante la frenada regenerativa, el híbrido medio sólo recupera en torno al 7% de la energía cinética del coche –un 25% en el mejor de los casos imaginable, realizando frenadas muy suaves y prolongadas; los eléctricos mejoran un poco estas cifras–.
A pesar del discreto porcentaje, y como los sistemas eléctricos son tan eficientes que sólo desperdician en torno a un 5% de la energía, el resultado final es un dispositivo que permite ahorrar algo de combustible. Sin embargo, existe un margen de mejora. Y, aunque en el futuro emplearemos tecnologías eléctricas como los supercondensadores –que permitirán regenerar casi el 100% de la energía cinética del vehículo–, hoy tenemos que recurrir a mecanismos más 'convencionales'... como los híbridos hidráulicos.
Se trata de una tecnología que Bosch –principalmente– ha estado perfeccionando en silencio en los últimos años... y que el Grupo PSA ha lanzado al 'estrellato' en el Salón de Ginebra al anunciar que, en 2016, venderá su primer modelo dotado de esta tecnología, denominada Hybrid Air. La expresión híbrido hidráulico significa que la energía que mueve al vehículo procede de dos fuentes, siendo una de ellas un líquido suministrado a alta presión.
En el caso del sistema de PSA y Bosch –proveedor de los componentes hidráulicos–, esta presión se crea bombeando, durante las frenadas, fluido hidráulico en el interior de un cilindro que ya contiene nitrógeno a presión. Después, al acelerar, se deshace la operación... dejando que el nitrógeno expulse un flujo de aceite fuera del cilindro, flujo que se convierte, utilizando un motor hidráulico, en movimiento mecánico.
Cómo funciona
Un fluido hidráulico propulsa el coche. En las frenadas, lo que hace el Hybrid Air se parece a comprimir un muelle potente utilizando un gato hidráulico cuya manivela acciona la propia inercia del vehículo. Al acelerar, la energía almacenada se emplea para mover al automóvil como ocurriría en un cochecito a cuerda. El nitrógeno comprimido es una forma barata de tener un 'muelle potente', mientras que el sistema hidráulico es una forma ingeniosa de 'dar cuerda' y 'consumir cuerda' de forma lenta y progresiva.
No es un Toyota Prius. Este sistema no es una alternativa a un Chevrolet Volt o un Toyota Prius. Eso sí, en condiciones de tráfico urbano, su potencial de ahorro muy elevado. PSA calcula que, en este escenario, puede ahorrar un 45% de combustible, propulsar al coche durante un 80% del tiempo y suplementar las prestaciones de un motor de gasolina hasta hacerle parecer un turbodiesel.
No es un Toyota Prius. Este sistema no es una alternativa a un Chevrolet Volt o un Toyota Prius. Eso sí, en condiciones de tráfico urbano, su potencial de ahorro muy elevado. PSA calcula que, en este escenario, puede ahorrar un 45% de combustible, propulsar al coche durante un 80% del tiempo y suplementar las prestaciones de un motor de gasolina hasta hacerle parecer un turbodiesel.
Acumulador
También llamado depósito de alta presión Es un cilindro hidráulico que contiene en su interior un pistón deslizante (1) que define dos cámaras: una con nitrógeno a presión (2) y otra que se llena con fluido hidráulico (3). A medida que se inyecta fluido, el pistón se desplaza y comprime el nitrógeno, que se comporta como si fuera un muelle. Una característica del nitrógeno es que, a más de -147ºC, no se puede licuar por compresión, de forma que se pueden alcanzar presiones tan elevadas como resista el depósito. El cilindro que monta PSA en el coche que ha mostrado en el reciente Salón de Ginebra funcionando a 250 bares de presión y acumula 150 kJ, equivalentes a 40 CV de potencia durante unos cinco segundos.
Bomba hidráulica...
Está conectada a las ruedas a través de la caja de cambios y su cometido es bombear el fluido hidráulico del depósito de baja presión al depósito acumulador de presión. Se activa durante las frenadas –según PSA, el sistema se aprovecharía de un 95% de ellas– y funciona como un sistema de frenado: toma la energía cinética del coche y la invierte en bombear líquido que, a su vez, comprime el nitrógeno del depósito. la intensidad de la frenada se regula ajustando el caudal que bombea –el conductor no notará nada en el tacto del pedal–. También puede accionarla el motor de gasolina.
...y motor hidráulico
También está engranado a la caja de cambios, y realiza la tarea inversa: es accionado por el fluido hidráulico que el nitrógeno fuerza a salir del depósito de alta presión y que, tras pasar por el motor, va a parar al depósito de baja presión. El par generado se regula ajustando el caudal mediante una válvula de paso. Este motor hidráulico se usa para mover el coche a baja velocidad, por sí solo o asistiendo al motor térmico.
Depósito de baja presión
Funciona como depósito de fluido hidráulico. Además, cumple una función similar a la que realiza un amortiguador convencional en una suspensión: absorbe las fluctuaciones de presión para evitar que, debido a las pulsaciones de presión de la bomba, el pistón del depósito de alta presión comience a oscilar con una amplitud cada vez mayor –esto se conoce como resonancia–, algo que podría llegar a alcanzar valores peligrosos para la fiabilidad del sistema.
Las otras 4 formas de convertir cada frenada en energía para seguir avanzando
Es muy caro
Volante de inercia con vínculo electromagnético
Otra idea que casi parece un juguete
Los volantes de inercia almacenan energía en un tambor rotatorio que gira a velocidades altísimas, y los modelos que los emplean funcionan esencialmente como uno de estos coches de juguete impulsados por un disco de plomo al que imprimes velocidad arrastrando el coche por el suelo unas cuantas veces antes de soltarlo para que salga disparado. Sin embargo, los volantes electromagnéticos son más caros y sofisticados –no en vano, se inventaron para alimentar los primeros Kers* de F1; el de la foto lo emplea el Porsche 911 GT3R Hybrid–. El tambor gira, a velocidades de hasta 100.000 rpm, en el interior de una campana de titanio –en caso de que el sistema se desintegrase, podría contener la metralla–, y está compuesto por una estructura central de fibra de carbono, y otra periférica que combina carbono e imanes permanentes súper potentes. Para 'invertir energía' –acelerándolo– y 'retirar energía' –frenándolo– se emplean campos electromagnéticos. Se llaman así porque no existe contacto mecánico entre el tambor y el resto del sistema.
Otra idea que casi parece un juguete
Los volantes de inercia almacenan energía en un tambor rotatorio que gira a velocidades altísimas, y los modelos que los emplean funcionan esencialmente como uno de estos coches de juguete impulsados por un disco de plomo al que imprimes velocidad arrastrando el coche por el suelo unas cuantas veces antes de soltarlo para que salga disparado. Sin embargo, los volantes electromagnéticos son más caros y sofisticados –no en vano, se inventaron para alimentar los primeros Kers* de F1; el de la foto lo emplea el Porsche 911 GT3R Hybrid–. El tambor gira, a velocidades de hasta 100.000 rpm, en el interior de una campana de titanio –en caso de que el sistema se desintegrase, podría contener la metralla–, y está compuesto por una estructura central de fibra de carbono, y otra periférica que combina carbono e imanes permanentes súper potentes. Para 'invertir energía' –acelerándolo– y 'retirar energía' –frenándolo– se emplean campos electromagnéticos. Se llaman así porque no existe contacto mecánico entre el tambor y el resto del sistema.
Son el futuro
Supercondensadores
Un supercondensador es un dispositivo electrónico que almacena energía, en forma de electricidad, mediante un campo electromagnético. A diferencia de una batería, en un supercondensador no se produce ninguna reacción química, por lo que puede cargarse y descargarse tan deprisa como sea necesario –la velocidad de carga y descarga de una batería está limitada por la velocidad a la que progresan las reacciones químicas que se dan en su interior–. Tampoco tiene piezas móviles, de forma que su fiabilidad es muy elevada. El problema es que la capacidad de almacenamiento que ofrece es baja: su rendimiento –expresado como Wh de energía almacenada por kilo de supercondensador– es, en los mejores casos, un 5% de lo que ofrecen las baterías de litio actuales. Aún así, los supercondesadores se posicionan como los dispositivos perfectos de cara a cargarse rápidamente absorbiendo ráfagas intensas de energía para, después, descargarse paulatinamente conforme van cargando las baterías. Toyota ha apostado por esta alternativa en su coche para las Le Mans Series, el TS030, y supercondensadores como los de la imagen –fabricados por la californiana Maxwell– ya se emplean, por ejemplo, en trenes y tranvías fabricados por la canadiense Bombardier
Un supercondensador es un dispositivo electrónico que almacena energía, en forma de electricidad, mediante un campo electromagnético. A diferencia de una batería, en un supercondensador no se produce ninguna reacción química, por lo que puede cargarse y descargarse tan deprisa como sea necesario –la velocidad de carga y descarga de una batería está limitada por la velocidad a la que progresan las reacciones químicas que se dan en su interior–. Tampoco tiene piezas móviles, de forma que su fiabilidad es muy elevada. El problema es que la capacidad de almacenamiento que ofrece es baja: su rendimiento –expresado como Wh de energía almacenada por kilo de supercondensador– es, en los mejores casos, un 5% de lo que ofrecen las baterías de litio actuales. Aún así, los supercondesadores se posicionan como los dispositivos perfectos de cara a cargarse rápidamente absorbiendo ráfagas intensas de energía para, después, descargarse paulatinamente conforme van cargando las baterías. Toyota ha apostado por esta alternativa en su coche para las Le Mans Series, el TS030, y supercondensadores como los de la imagen –fabricados por la californiana Maxwell– ya se emplean, por ejemplo, en trenes y tranvías fabricados por la canadiense Bombardier
Podría imponerse
Volante de inercia con vínculo mecánico
Una versión a escala 1:1 de un juguete La sueca Volvo es una de las marcas que está tratando de poner a punto una alternativa 'mundana' a los volantes de inercia de los Kers de F1. El sistema de Volvo está concebido para ir montado en el maletero, va conectado a las ruedas traseras y emplea como volante de inercia (1) un tambor capaz de alcanzar las 60.000 rpm. Para acelerar el tambor –es decir, ingresar energía– y frenarlo –reintegrar energía–, Volvo confía en una conexión mecánica –mediante engranajes; en los motores a reacción de los aviones funcionan hasta 60.000 rpm sin problemas– y una caja de variador continuo. La función de la caja es fundamental, pues para acelerar el tambor hay que empujarle con una fuerza suave y constante... y, durante la frenada, la velocidad de las ruedas traseras evoluciona justo al contrario que la del tambor porque está descendiendo continuamente. El hecho de ir conectado en las ruedas traseras limitará sus prestaciones, ya que no se puede frenar mucho ese eje sin comprometer la estabilidad del vehículo.
Una versión a escala 1:1 de un juguete La sueca Volvo es una de las marcas que está tratando de poner a punto una alternativa 'mundana' a los volantes de inercia de los Kers de F1. El sistema de Volvo está concebido para ir montado en el maletero, va conectado a las ruedas traseras y emplea como volante de inercia (1) un tambor capaz de alcanzar las 60.000 rpm. Para acelerar el tambor –es decir, ingresar energía– y frenarlo –reintegrar energía–, Volvo confía en una conexión mecánica –mediante engranajes; en los motores a reacción de los aviones funcionan hasta 60.000 rpm sin problemas– y una caja de variador continuo. La función de la caja es fundamental, pues para acelerar el tambor hay que empujarle con una fuerza suave y constante... y, durante la frenada, la velocidad de las ruedas traseras evoluciona justo al contrario que la del tambor porque está descendiendo continuamente. El hecho de ir conectado en las ruedas traseras limitará sus prestaciones, ya que no se puede frenar mucho ese eje sin comprometer la estabilidad del vehículo.
Más simple, imposible
La alternativa de un tirachinas
¡Pongamos una goma elástica!
Dos de los tres tipos de acumuladores de presión para híbridos hidráulicos que se emplean en la actualidad utilizan diafragmas elásticos como elemento de separación entre fluido y nitrógeno comprimido, de forma que puede decirse que, actualmente, ya se usan elastómeros para almacenar energía. Pero, ¿sería viable una aplicación más 'cruda' del concepto de goma elástica? En las oficinas de patentes opinan que sí. Y no se trata sólo de teorías... Por ejemplo, el fabricante británico de compresores para sobrealimentación Eaton ha realizado pruebas utilizando como elemento elástico goma natural, y ha llegado a la conclusión de que un mazo de bandas elásticas de unos 30 centímetros de diámetro y un metro de largo puede retorcerse unas 160 veces antes de romperse. Justo antes del momento de la rotura, las bandas elásticas habían generado una fuerza entre los extremos de siete toneladas y habían absorbido la energía equivalente a un coche de 1.350 kilos circulando a 100 km/h.
¡Pongamos una goma elástica!
Dos de los tres tipos de acumuladores de presión para híbridos hidráulicos que se emplean en la actualidad utilizan diafragmas elásticos como elemento de separación entre fluido y nitrógeno comprimido, de forma que puede decirse que, actualmente, ya se usan elastómeros para almacenar energía. Pero, ¿sería viable una aplicación más 'cruda' del concepto de goma elástica? En las oficinas de patentes opinan que sí. Y no se trata sólo de teorías... Por ejemplo, el fabricante británico de compresores para sobrealimentación Eaton ha realizado pruebas utilizando como elemento elástico goma natural, y ha llegado a la conclusión de que un mazo de bandas elásticas de unos 30 centímetros de diámetro y un metro de largo puede retorcerse unas 160 veces antes de romperse. Justo antes del momento de la rotura, las bandas elásticas habían generado una fuerza entre los extremos de siete toneladas y habían absorbido la energía equivalente a un coche de 1.350 kilos circulando a 100 km/h.
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