• Algunos de los temas acá expuestos son conclusiones del estudio "Diagnóstico de necesidades de infraestructura energética de Chile para soportar/integrar vehículos eléctricos en escala comercial" realizado por el Centro de Energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, para la empresa Marubeni y terminado en Marzo del 2010.

Una antigua tecnología…

A 176 años de la invención del auto eléctrico por Thomas Davenport, este tipo de vehículos ha vuelto a cobrar protagonismo como solución idónea para el transporte de pasajeros y carga en el mundo industrializado. Un primer antecedente lo constituye el desarrollo de EV-1 por General Motors en el año 1989 como el primer vehículo eléctrico de producción comercial. En efecto, los avances en electrónica de potencia, sistemas de tracción, tecnologías de comunicación, técnicas de control y, en particular, los sistemas de acumulación (baterías), han permitido aumentar de manera significativa la competitividad de esta solución tecnológica. Asimismo, la escasez creciente de los combustibles fósiles ha hecho que las soluciones tradicionales basadas en ciclos Otto y Diesel hayan perdido el atractivo en precios que las han caracterizado los últimos 100 años. A lo anterior se suma el compromiso internacional por mitigar y abordar los efectos del calentamiento global, reduciendo las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI). Esto ha llevado a fomentar la investigación y el desarrollo de vehículos eléctricos puros (Battery Electric Vehicles: BEV). Es decir, por razones socioeconómicas y geopolíticas más las crisis subyacentes, se ha llegado a establecer un campo propicio para que los mismos Estados estén dispuestos a incentivar y subsidiar el cambio de esta industria hoy dependiente en un 100% del petróleo.

¡Es la batería, estúpido!

Tal como la célebre frase de James Carville “¡Es la economía, estúpido!”, quien era asesor del demócrata Bill Clinton en la exitosa campaña que en 1992 lo impulsó desde su modesto sillón de gobernador de Arkansas hasta el Despacho Oval de la Casa Blanca. En este caso, la principal razón de este renacer es el notable avance de las baterías, principalmente dado por el uso masivo de equipos portátiles como los celulares y los notebook, llegando hasta el actual estándar de la batería de Ion-Litio que presenta características notables de ciclos de carga, capacidad de almacenamiento y potencia , ausencia de efecto memoria, etc. lo que ha impulsado el empuje inicial a este renacer, haciéndolo técnicamente factible en los estándares del mercado automotriz.

En efecto, se requiere un grado de autonomía con una sola carga de al menos unos 130 Kms para cubrir un nivel mínimo de aceptación de un city-car. Las baterías de Ion-Litio alcanzan una capacidad de almacenamiento de energía mínimo para este requerimiento (unos 20 kWh) en un peso (unos 200Kg) y volumen razonable (120 lts). Al menos es posible pensar en habilitar un auto comercial con estos parámetros, sin embargo los objetivos industriales para masificar la industria requiere aún de reducir el peso a unos 130 kgs y el volumen a unos 86 lts , ambos para igual capacidad de almacenamiento.

Un elemento aparte es el precio, que hoy supera los US$ 1.000/kWh lo que hace duplicar el precio del vehículo solo por el costo de la batería. Si bien el rendimiento equivalente en costo de un vehículo eléctrico es cuatro veces el de un vehículo de gasolina, dicho ahorro no compensa el mayor precio inicial a un usuario normal que recorra unos 15-20 mil kms/año. Ello implica que la meta del objetivo comercial realmente competitivo requiera reducir el costo de la batería en un 75%, o sea a unos US$ 250/kWh. Esa meta es muy difícil debido al alto costo de los materiales de la batería de Ion-Litio. Sin embargo, hay un gran esfuerzo en cumplir con este objetivo y muchos países desarrollados están subsidiando la I+D para lograrla cuanto antes.

Otro parámetro que es clave es el precio del barril de petróleo, el cual está ligado al actual rendimiento económico de un vehículo a gasolina. Por ejemplo, si el valor se duplicara de los US$ 80/barril actuales a US$ 160/barril, el rendimiento en $/km se reduciría a la mitad en beneficio del vehículo eléctrico.

En varios escenarios que estudiamos en el Centro de Energía (CE) para cuantificar el punto de equilibrio entre todas estas variables calculamos que con el actual precio del petróleo y con un costo de batería de US$ 300/kWh (se estima que ello se conseguirá el año 2015) el payback del mayor precio de la batería se recupera recién en 8 años. Sin embargo, si el precio del petróleo llega a US$ 150/barril (escenario posible en los próximos 6 años), el payback se produce a sólo 3,5 años y en ese caso, el vehículo eléctrico es totalmente competitivo con el vehículo de gasolina. Es decir, en un corto plazo podemos tener un punto de quiebre que lleve a esta industria a penetrar fuertemente el mercado.

¿Pero habrá una transición o solución intermedia?

En realidad esa transición ya comenzó, los vehículos híbridos son una realidad y la tendencia es a implementar fuertemente los denominados Plug-in Híbridos o PHEV, que son vehículos que combinan la tecnología de motores eléctricos con motores de combustión. Vienen con pequeñas baterías de Ion-litio de unos 4 KWh. que entregan una autonomía eléctrica de unos 40-50 kms. El motor de combustión actúa como parte de un generador para cargar la batería o en otros casos como un motor de torque motriz en paralelo al motor eléctrico (uno actúa en la tracción delantera y el otro en la trasera). Las baterías se pueden cargar en el hogar a través de enchufes convencionales en un par de horas, lo cual sirve para educar al usuario en la etapa que vendrá. Sin embargo, esta tecnología tiene el inconveniente de no lograr grandes ahorros reales en rendimiento (20% como máximo) y un costo extra inicial por la batería que bordea los US$ 4 a 5 mil. Por otro lado, en el mediano plazo la operación y mantenimiento es costosa por la ingeniería y electrónica asociada a la coexistencia de ambas tecnologías. Sin embargo, probablemente coexistirá por años con la tecnología naciente de BEV apagando lentamente el uso del petróleo y aumentando el uso de la electricidad.

Y qué dice la Industria automotriz…

Decenas de vehículos eléctricos puros están siendo lanzados al mercado. Inicialmente vehículos muy caros y pequeños, pero sin duda es una decisión de largo plazo por conseguir una posición del mercado

Entre los años 2010 y 2012 prácticamente todas las marcas reconocidas lanzarán comercialmente un modelo de un BEV al mercado.

El cambio de paradigma de una industria poderosa…

Uno de los cambios más grandes por venir es la infraestructura de carga de estos nuevos vehículos. Desde las estaciones de servicio y los monstruos empresariales asociados a la distribución de la gasolina, se pasa a la necesidad de que las empresas distribuidoras de energía eléctrica se adapten a ser los nuevos distribuidores de energía para el transporte. Más aún, esta energía podrá ser adquirida directamente en los hogares (carga lenta, enchufe convencional) hasta nodos de carga (nuevas estaciones de servicio) de 400Vdc o trifásicos industriales que ofrecerán cargas “rápidas” de media hora o menos a potencias 50KW. Ello conlleva una serie de cambios en los comportamientos de los usuarios que está por verse.

Chile, empresas y centros de I+D

Chile es el principal proveedor de Litio a nivel mundial y debería poder aprovechar esta oportunidad. La tecnología y problemática asociada a las redes de carga y el desarrollo de baterías es aún naciente. Chile debería poder aprovechar esta ventaja en la punta de la ola. Recordemos que Chile tuvo esta posibilidad el año 1994, al comienzo de Internet y no la aprovechó. Es de esperar que el país, su gobierno, sus empresas y centros de I+D no cometan el mismo error. El Centro de energía de la FCFM de la Universidad de Chile está decidido a impulsar el hecho de crear la conciencia de esta coyuntura. Para ello está trabajando en varios campos y en alianza y asociación con empresas nacionales y con centros tecnológicos de punta a nivel mundial en el desarrollo de tecnologías comerciales que puedan ser aplicadas en los ámbitos mencionados.

Impacto de la penetración de BEV en la reducción de GEI y en la contaminación local

Considerando el exponencial crecimiento del Parque Automotor Nacional, debido principalmente al aumento de los automóviles particulares, la incorporación de vehículos eléctricos podría tener un impacto no despreciable en la reducción de emisiones de GEI respecto de la senda base de crecimiento. En este sentido, se estima que el tipo vehículos particulares podría llegar a emitir del orden de 15 millones de toneladas de CO₂e al año 2020.

Para un escenario hipotético se modeló el reemplazo de 1% de los vehículos de pasajeros (alrededor de 30.000 vehículos) al año 2015 y 5% (cerca de 200.000 vehículos) al 2020. En un segundo escenario se modeló el reemplazo de 3% de los vehículos de pasajeros (alrededor de 100.000 vehículos) al año 2015 y 20% (cerca de 800.000 vehículos) al 2020.

En el escenario más conservador (Escenario 1) se logra una reducción directa de emisiones del sector transporte equivalente a 0,5% el 2015 y de 2,6% el 2020. En cambio, en el escenario de mayor penetración (Escenario 2) se logra una reducción directa de emisiones del 1,5% al 2015 y de 11% al 2020.

Los resultados para los vehículos de pasajeros (categoría con mayor participación en el transporte caminero) en los años analizados, las emisiones de CO₂ al 2020 se reducen un 4,4% en el Escenario 1 y un 18,5% en el Escenario 2.

Estos resultados son interesantes si se analizan aisladamente desde el sector transporte, pero considerando que la fuente de energía para esta nueva tecnología es la electricidad, uno debiese hacer un análisis más completo que incluye las emisiones que se producen en los centros de generación.

Desde el punto de vista de las emisiones, existen ventajas comparativas respecto de tener una mega fuente estacionaria (central) emitiendo en lugar de miles de fuentes pequeñas (vehículos), pues se tiene mayor capacidad de control, de aplicación de sistemas de post-tratamiento para contaminantes locales o incluso sistemas de captura de carbono. Esto sumado a una ubicación de la mega fuente lejos de los centros urbanos hacen que los efectos finales sean diferentes respecto a la configuración de miles de fuentes pequeñas.

Luego, el desafío para lograr un escenario completo que reduzca las emisiones en el transporte involucra también a las generadoras eléctricas, pues éstos resultados varían directamente con la carbonización de la matriz energética del país. De acuerdo a estimaciones de PROGEA, el factor de emisión del SIC podría llegar en el 2020 a casi el doble del actual, con lo cual las reducciones evitadas al reemplazar vehículos a gasolina casi se compensa con la mayor emisión de las centrales termoeléctricas. En conclusión, se deben realizar los esfuerzos en aumentar el porcentaje de generación renovable si se buscan efectos globales positivos en todos los sectores, no solo en el transporte.

En complemento y dado que las nuevas tecnologías para vehículos poseen elevados costos, es importante considerar los ahorros que podría representar para el país el dejar de emitir hasta 2,7 millones de toneladas de CO2e al año. Esto además de la importante reducción de las emisiones locales (MP, NOx, CO, HC, etc.) con los consiguientes efectos en la salud y los ahorros potenciales en gastos médicos. A ello se podría agregar la disminución del nivel de concentración de contaminantes en los callejones o zonas cerradas del centro de la ciudad. Adicionalmente, la incorporación de vehículos eléctricos, principalmente en Santiago, genera interesantes reducciones en los niveles de ruido, lo que se traduce en beneficios en salud y en mejoras de imagen de la ciudad desde el punto de vista internacional, como centro urbano, y también turístico.

Centro de Energía FCFM
Programa de Gestión y Economía Ambiental
Sistemas Sustentables & ISSRC-LA
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1. Se considera un nivel de actividad promedio de 12 487 Km/año, un consumo de 0,3 KWh/Km y un Factor de Emisión de 0,4699 Kg CO2/KWh.