Los motores y combustibles de los automóviles de hoy y del futuro
Anuncio
Los motores y combustibles de los automóviles de hoy y del futuro Mariano Alarcón García Tecnologías del Siglo XXI Aula Senior Universidad de Murcia 2009/10 Los motores y combustibles de los automóviles de hoy y del futuro ¿Están los motores de gasolina y diésel en sus últimos estertores? Cómo se evita (o se reduce) la contaminación de los motores clásicos. ¿Qué son las pilas de combustible? ¿Cómo son los coches con motor eléctrico? ¿Qué son los motores híbridos? ¿Hay otros motores en estudio? ¿Hasta cuándo durará el petróleo? Si se acaba, ¿cómo podemos sustituirlo? ¿Es el hidrógeno una alternativa al petróleo? ¿Y los biocombustibles? Motores y combustibles de los automóviles 2 El automóvil en la encrucijada Es uno de los principales símbolos del siglo XX. Principales problemas que afectan al automóvil en la actualidad: Agotamiento del petróleo (próxima escasez de combustibles convencionales: gasolina y gasóleo) Emisiones contaminantes: las tóxicas o nocivas para el organismo y el CO2 (causante del cambio climático) Problemas de atascos en las ciudades Seguridad en las carreteras: concienciación social del elevado número de accidentes Motores y combustibles de los automóviles 3 El motor en el automóvil El motor es el elemento que permite el movimiento autónomo del automóvil. Diversas motorizaciones a través de la historia: máquina de vapor motor de gasógeno motores de combustión interna o térmico motor eléctrico, etc. Los automóviles actuales utilizan mayoritariamente combustibles derivados del petróleo (fósiles): gasolinas y gasóleos. Retos actuales: Contaminación Sustancias tóxicas: CO, HC, NOx, hollín… CO2 Agotamiento de los derivados del petróleo Gas natural Biocarburantes: bioetanol, biodiésel, biogás Hidrógeno Eléctrico Solar Motores y combustibles de los automóviles 4 Combustibles para el automóvil Diversos combustibles en los primeros automóviles: carbón y madera (máquina de vapor, motor de gasógeno, etc.) El desarrollo del automóvil se inició con la invención de los motores de combustión, que coincidió con el descubrimiento del petróleo, que influyó decisivamente en su desarrollo y popularización. Combustibles actuales más extendidos Gasolina Gasóleo Alternativas ante el agotamiento de los combustibles fósiles Sustitutos de los derivados del petróleo Gas natural Biocarburantes: bioetanol, biodiesel, biogás Eléctrico Hidrógeno Solar Motores y combustibles de los automóviles 5 El motor de combustión interna El motor de combustión interna es el utilizado en la práctica totalidad de los vehículos de carretera y ciudad. En su interior se produce una combustión y unos gases a alta presión y temperatura que producen el movimiento del motor. AIRE CO2 + + H2O + CARBURANTE N2 En un motor, en una combustión ideal, se produciría anhídrido carbónico (CO2) y agua (H2O). En el escape se encuentra nitrógeno, procedente del aire, en su mayor parte sin ninguna transformación en el motor. En los motores reales se producen también emisiones contaminantes. Motores y combustibles de los automóviles 6 Motores de gasolina Evolución en los últimos años Logros: Eliminación de gasolina sin plomo Generalización de catalizadores (sonda lambda, de oxidación, etc.). Generalización de inyección: mucho mejor control del combustible utilizado. Funcionamiento con mezclas pobres para el mejor rendimiento y reducción de emisiones (motores de inyección directa de gasolina). Sistema start and stop para el ahorro de combustible. Reducción de los consumos y del CO2 y emisiones tóxicas (HC, CO...) Dificultades: Resultados decepcionantes frente a la tecnología desplegada (disminución del 10% del consumo y del 15% de la producción de CO2.) Motores y combustibles de los automóviles 7 Motores diésel El motor diesel ha evolucionado mucho en el último decenio. Logros: La aparición de las inyecciones directas con control electrónico (common rail), ha motivado una mejora espectacular del rendimiento y consumo, a la vez que de la potencia. Introducción de catalizadores de oxidación-reducción para la eliminación de los contaminantes tóxicos y filtros de partículas. Mejora rendimiento y reducción de consumo Î reducción de CO2 Mejora de par y potencia para una cilindrada dada Mejora en “el placer de conducción” Dificultades: Emisión de NOx siguen siendo muy altas Emisión de partículas; preocupación por las PM10 (< 10 micras) Olores del carburante Motores y combustibles de los automóviles 8 Consumo de los motores actuales Se establecen mediante unos ciclos teóricos de comparación: Tendencias generales (a igualdad de otros factores) Urbano Extraurbano Combinado Motores diésel menor consumo que motores de gasolina Menor cilindrada Î menor consumo Menor peso del vehículo Î menor consumo La forma de conducción es muy importante en el consumo Actualmente Turismos de tamaño pequeño/medio ≅ 3-4 L/100 km Motores y combustibles de los automóviles 9 La contaminación producida por el automóvil El automóvil es el principal responsable de la contaminación en las ciudades. Los automóviles actuales utilizan mayoritariamente gasolinas y gasóleos. Su combustión produce principalmente: Compuestos tóxicos: Monóxido de carbono (CO), venenoso (gasolina) Hidrocarburos (HC) , afecta al aparato respiratorio, cancerígenos (gasolina) Óxidos de nitrógeno (NOx), afecta al aparato respiratorio y la lluvia ácida (gasóleo) Hollín y otras partículas menores, afecta al aparato respiratorio, cancerígeno, suciedad… (gasóleo) Dióxido de carbono o CO2, no es tóxico pero es el principal causante del cambio climático. Motores y combustibles de los automóviles 10 Contribución del automóvil a la contaminación NOX CO CO2 SO2 Transp. por carretera 80 296 11877 3 Industria 14 24 5918 8 Centrales térmicas 23 2 5494 43 Residencial 16 328 22208 20 Otros transportes 8 16 1349 1 Agricultura 9 20 421 0 150 686 47267 75 53 % 43 % 25 % 4% Total Porcentaje transporte por carretera Los vehículos pesados producen el 35 % de los NOx siendo el 8 % del tráfico. Los vehículos de dos ruedas producen el 16 % CO siendo el 4% del tráfico. Motores y combustibles de los automóviles 11 Motor eléctrico Se sustituye el motor de combustión por uno eléctrico, y el tanque de carburante por una batería eléctrica de gran capacidad. Ventajas : Inconvenientes : Buena adaptación del motor eléctrico a la circulación urbana. No produce contaminación urbana Par importante a bajo régimen (máximo entre 0 a 1600 rpm) Supresión de caja de cambio de velocidades No hay contaminación acústica Autonomía y prestaciones limitadas Largo tiempo de carga de las baterías Contaminación producida por la fabricación de electricidad (nuclear, centrales térmicas,…) Reciclaje de las baterías Costo actual El motor eléctrico es en la actualidad la mejor alternativa para cubrir la demanda de modelos de emisiones cero. Motores y combustibles de los automóviles 12 Motor eléctrico (2) El desarrollo del motor eléctrico Se encuentra en pleno desarrollo en el mundo entero: prácticamente todos los constructores han anunciado modelos en un futuro próximo. Apoyo decidido en España: Ayudas a la fabricación (p.e. Renault) Proyecto MOVELE (http://www.idae.es/index.php/mod.pags/mem.detalle/id.407) introducción en dos años (2009 y 2010), dentro, de 2.000 vehículos eléctricos de diversas categorías, prestaciones y tecnologías, de entornos urbanos Red de Electrolineras: instalación de 500 puntos de recarga. Plan experimental en Madrid, Barcelona y Sevilla En la Región de Murcia se ha firmado un acuerdo con una empresa privada para el mismo fin. Ayudas a la compra de vehículos La Universidad de Murcia dispone de varios vehículos de este tipo para su uso interno en el Campus. Motores y combustibles de los automóviles 13 Motor híbrido Consiste en acoplar un motor térmico a un motor eléctrico. Tiene dos sistemas de propulsión que actúan de modo coordinado, Cuentan con dos fuentes externas de energía: la red eléctrica doméstica (que carga una batería) y un combustible (gasolina, etanol o gasóleo) El motor eléctrico actúa a baja velocidad (ciudad), siempre que la batería tenga carga El motor de combustión carga la batería entra a velocidades altas y cuando se agota la batería Ventajas : un motor de combustión (comercial hasta ahora gasolina) un motor eléctrico. Mismas ventajas que el motor eléctrico Autonomía del vehículo Aprovechamiento de la frenada para la recarga de las baterías Inconvenientes : Coste actual Complejidad Motores y combustibles de los automóviles 14 Coches con motor híbrido comercial El primer coche híbrido comercial fue el Toyota Prius, http://www.toyota.es/cars/new_cars/prius/index.aspx?WT.mc_id =Knowledge&WT.adsite=Google&WT.srch=1. Combina motores eléctricos (60 kW) motor de gasolina (73 kW a 5.200 rpm). Batería de alto voltaje (201,6 V). Consumo combinado (llantas de 15"): 3,9 L/100 km CO2 combinado (llantas de 15"): 89 g/km Muchos otros fabricantes han anunciado el próximo lanzamiento de sus vehículos. Para 2011 Peugeot ha anunciado el primer híbrido diésel. Híbridos enchufables: la carga de las baterías puede producirse también de la red eléctrica (no sólo por el motor de combustión) Motores y combustibles de los automóviles 15 Coche de hidrógeno ¿Por qué el hidrógeno? El hidrógeno es un elemento muy abundante en la Naturaleza. Se encuentra combinado con oxígeno, formando agua, u otros muchos elementos, formando diversos compuestos La utilización en el punto de consumo tiene muy bajo impacto ambiental: solo produce (vapor de) agua. El hidrógeno en el automóvil se puede utilizar En motores de combustión interna, con adaptaciones. En las “pilas de combustible”, donde el combustible (hidrógeno) reacciona con el oxígeno del aire para generar directamente electricidad y desprender vapor de agua. El principal problema ambiental reside en la obtención del hidrógeno, al no ser un recurso natural, es preciso producirlo a partir de un compuesto que lo contenga, como el gas natural (alto contenido en metano o CH4). Motores y combustibles de los automóviles 16 El hidrógeno o El hidrógeno posee buenas características como combustible • elevadísimo Poder Calorífico por kilogramo • bajo Poder Calorífico por litro a bajas y medias presiones • ausencia de emisiones contaminantes • carácter explosivo, Î problemático su almacenamiento y manipulación • no existe en la naturaleza en estado libre en proporciones importantes • alto precio. o Existen distintos procedimientos para su obtención • Rectificado de hidrocarburos (gas natural) y otros productos orgánicos que contienen H2 • Electrólisis del agua: es el más desarrollado; descompone el agua en hidrógeno y oxígeno, mediante la aplicación de una corriente eléctrica. La eficiencia del proceso de electrólisis es del orden del 70%. • Fotólisis y otros o Está considerado como una de las fuentes energéticas del futuro, siendo obtenido a partir de fuentes renovables de las que actuaría como almacén. Motores y combustibles de los automóviles 17 Coche de hidrógeno Motor de pila de combustible z z Es la opción preferida para el hidrógeno por su mayor rendimiento, simplicidad, funcionamiento silencioso, etc. Pila de combustible: pone en contacto hidrógeno con oxígeno a través de un catalizador produciendo electricidad. Esta electricidad es utilizada por un motor eléctrico. Ventajas : Ídem a los vehículos eléctricos Inconvenientes : Elevado coste actual Fabricación y almacenamiento del hidrógeno. La producción en masa de coches de hidrógeno no se prevé viable hasta, como pronto, en 2020 Motores y combustibles de los automóviles 18 Coche de hidrógeno Motor de pila de combustible en transporte público Motores y combustibles de los automóviles 19 Otros combustibles fósiles menos contaminantes Combustibles derivados del petróleo Î GLP: butano y propano Gas natural comprimido o licuado Motor Otto (como gasolina) Combustión muy limpia Disponible en estaciones de servicio Más barato (hoy) que los combustibles líquidos Motor Otto (como gasolina) Combustión muy limpia GN comprimido (gas): alta presión (coches) En otros países en estaciones de servicio En España hoy se usa principalmente en flotas de autobuses urbanos (GN licuado). Motores bi-fuel: puede funcionar con dos tipos de combustible (p.e.: gasolina y butano) 1. Motor 2. Sistema electrónico 3. Regulador de presión 4. Catalizador (emisiones contaminantes) 5. Depósitos (gn a 200 bar) Motores y combustibles de los automóviles 20 Otros combustibles Biocarburantes Combustibles renovables: biocarburantes Objetivo europeo del 5,75% en 2010 Bioetanol Biodiésel Sustituto de las gasolinas Se incorpora ya en forma de ETBE para como antidetonante Sustituto del gasóleo Se incorpora ya sustituyendo en parte al gasóleo Biogás Muy desarrollado en países como Suecia, que tienen redes de distribución y se puede repostar en estaciones de servicio En España en coches de demostración (Aguas de Murcia) Motores y combustibles de los automóviles 21 Otros motores Ha habido muchas realizaciones experimentales, que por diversos motivos no han llegado a cuajar. Motor de aire: Una turbina impulsada por aire comprimido mueve las ruedas El aire se comprime con un compresor eléctrico y se almacena en botellas. No produce contaminación alguna (expulsa aire), excepto en producir la electricidad. Relativamente ruidoso Motor de agua: Mito: el agua no es combustible Î no se puede extraer energía de ella Se obtiene hidrógeno del agua mediante un compuesto químico (catalizador); el hidrógeno se puede introducir en pila de combustible o motor de combustión El catalizador (patente) muy caro y se deteriora fácilmente. Motores y combustibles de los automóviles 22 A favor de coches menos contaminantes Impuesto de matriculación Epígrafe 1º • • Emisiones de CO2 hasta 120g CO2/km Vehículos con un motor que no sea de combustión interna Epígrafe 2º • Emisiones de CO2 de 121 a 159 g CO2/km 4,75% Epígrafe 3º • Emisiones de CO2 de 160 a 199 g CO2/km 9,75% Epígrafe 4º • • • • Emisiones de CO2 de 200g CO2/km o más Vehículos M1 (turismos) y N1 (transporte) que no acrediten las emisiones Quads Vehículos N2 y N3 (transporte) acondicionados como vivienda • • Los no comprendidos en los anteriores Motocicletas de más de 250cc Epígrafe 5º 0% 14,75% 12% Tipos para la península y Baleares Sobre el precio base para el IVA (16%) Motores y combustibles de los automóviles 23 A favor de coches menos contaminantes Plan 2000E Hasta 2000 € (500 Gobierno + 500 CC.AA. + 1000 fabricantes) Particulares, autónomos y PYME en vehículos de importe máximo de 30.000 € (IVA/IGIC incluido) en sustitución de otro para achatarramiento (> 10 años). En el caso de adquirir un turismo de categoría M1 debe cumplir: Emisiones de CO2 no superiores a 120 g/km Emisiones de CO2 no superiores a 149 g/km y Se estima que en 2009 (230.000 operaciones) sistemas de control electrónico de estabilidad y detectores presenciales en plazas delanteras o, catalizador de 3 vías (gasolina) o dispositivos EGR de recirculación de gases (diesel). 94% de turismos y un 92% sobre coches nuevos, reducción de las emisiones de CO2 de 180.000 toneladas ahorro de 75 millones de L de carburante Î 32 M€ menos en importaciones de petróleo. En 2010 hasta 100 M€ y 200.000 vehículos Motores y combustibles de los automóviles 24 Otras ayudas para la eficiencia energética en la movilidad Existen diversas ayudas directas para la adquisición de vehículos menos contaminantes y movilidad: 3000 € para coches con motor híbrido o eléctrico en la CARM Proyecto MOVELE Planes de movilidad sostenible Transporte público urbano e interurbano Transporte de empresas Motores y combustibles de los automóviles 25 Recomendaciones para reducir el consumo Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE) Uso correcto del vehículo Planificar las rutas que seguimos en nuestros desplazamientos, buscando siempre las menos congestionadas. Evitar sobre cargas innecesarias en el vehículo. P.e.: el uso de la baca, aún estando esta vacía puede incrementar el consumo normal del vehículo entre un 2 y un 35%. El uso del aire acondicionado aumenta en un 20% el consumo de combustible. Al tener las ventanillas abiertas aumentamos la resistencia con el aire del vehículo, aumentando con ello el consumo. Algunos vehículos permiten usar gasolinas de distintos octanajes. Lo mejor, es usar la recomendada por el fabricante y a ser posible la de menor octanaje. Revisar los consumos del vehículo periódicamente pues podemos detectar algún elemento del motor deteriorado, que esté haciendo aumentar el consumo. En trayectos muy cortos el consumo se dispara. En estos casos es recomendable el transporte público. Motores y combustibles de los automóviles 27 Mantenimiento regular La presión de las ruedas por debajo de lo normal aumenta el consumo por el mayor rozamiento del vehículo con el suelo, además de desgastar más las mismas. (por cada 0,3 bares de menos presión se aumenta en un 3% el consumo) Se debe cambiar cuando corresponde el aceite, bujías y filtros pues de lo contrario se puede aumentar el consumo. Incluso al uso de un aceite incorrecto puede aumentarlo. El reglado del motor debe ser correcto (un ralentí demasiado alto provoca aumentos de consumo). Motores y combustibles de los automóviles 28 Estilo de conducción Este punto puede hacer que ahorremos hasta un 15% en combustible: Arrancar el motor sin acelerar y comenzar la marcha lo antes posible. Utilizar marchas largas (en gasolina el cambio de marcha se debe hacer cuando estamos entre 2.000 y 2.500 revoluciones y en diesel entre 1.500 y 2.000). Cuando estamos acelerando, se debe cambiar a la marcha más larga lo antes posible y al reducir de la manera más lenta posible (un motor en marcha corta y revolucionado consume mucho más). Debemos procurar circular a una velocidad uniforme, sin aceleraciones y deceleraciones bruscas, que nos obligan a ir en marchas más cortas o a revolucionar más el coche. Evitar velocidades elevadas. Un aumento del 20% en la velocidad produce un 44% de aumento en el consumo. Existen cursos de conducción eficiente gratuitos (financiados por la Agencia de Gestión de la Energía de la Región de Murcia) a demanda de quien lo solicite http://www.formaster.org/conduccion-eficiente/ Motores y combustibles de los automóviles 29 El Proyecto UMU-Vehículos Sostenibles Proyecto UMU-Ecomarathon Proyecto educativo de innovación tecnológica. que abarca el diseño, construcción, ensamblaje de todos los componentes necesarios de un vehículo, realizado íntegramente por estudiantes con la tutorización de profesores de la UMU. El objetivo es concebir, fabricar, diseñar un vehículo con el mínimo consumo posible. La Universidad de Murcia ha participado ya dos años en la competición Shell Eco-marathon. Motores y combustibles de los automóviles 30 El Proyecto UMU-Vehículos Sostenibles La competición Shell Eco-marathon Shell Eco-Marathon: competición que se celebra desde más de 25 años. Su objetivo es reunir a estudiantes de distintas universidades e institutos politécnicos de todo el mundo para competir con vehículos diseñados y fabricados por ellos mismos. Los vehículos deben recorrer cierta distancia; vence el que consume la menor cantidad de combustible. Existe una equivalencia entre los distintos tipos de combustible. Varias categorías: Prototipos Urban concept Distintos combustibles en cada categoría: gasolina, diesel, hidrógeno, solar, etc. Actualmente el record de consumo lo posee el Instituto de La Joliverie (Francia), logrado en 2009 con 3771 km empleando para ello un solo litro de combustible (distancia Sevilla-Estocolmo). Motores y combustibles de los automóviles 31 El Proyecto UMU-Vehículos Sostenibles Resultados en Shell Eco-marathon 2009 La Universidad de Murcia ha participado ya dos años en la categoría Prototipos, con Motor de combustión interna propulsado con bioetanol (E100) Clasificación general Prototipos : 80º Registro: 257 km/L Clasificación emisiones CO2: 72º Registro: 7,2 g CO2/km Motores y combustibles de los automóviles 32 El Proyecto UMU-Vehículos Sostenibles El Proyecto UMU-Ecomarathon 2009/10 Objetivos: Competir por tercer año en la Shell Eco-marathon Europe e intentar mejorar la marca de años anteriores con el prototipo Salzillo II. Construir un nuevo vehículo propulsado por energía solar térmica. Concepto y Diseño Fabricación Pruebas Participar en la Solar Race Región de Murcia en la edición de 2010 con el nuevo vehículo. Participar en eventos de difusión y divulgación científica (Noche de los Investigadores, Semana de la Ciencia, conferencias, etc.) Realizar trabajos de I+D+i a partir de las experiencias en la realización de los vehículos (trabajos fin de carrera, comunicaciones a congresos, etc.) Motores y combustibles de los automóviles 33 Motores y combustibles de los automóviles 34
