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Ingeniería automotriz

Más energía

Las baterías de los coches eléctricos evolucionan, pero aún exhiben una menor densidad energética que los combustibles tradicionales

El aumento del parque global de coches eléctricos, que para 2030 representará un 16% del total de automóviles en circulación en el planeta, está generando una carrera en la investigación y el desarrollo de nuevas baterías, la fuente de energía de esos vehículos. Un estudio del banco de inversión Goldman Sachs reveló que la demanda mundial de este tipo de baterías llegará a 40 mil millones de dólares (alrededor de 128 mil millones de reales) por año en 2025. El reto consiste en el desarrollo de un modelo más barato, más durable, más seguro y con una mayor capacidad de almacenamiento de energía, incrementando la autonomía de los vehículos eléctricos. Las baterías de iones de litio, que representan el estado del arte del segmento, permiten que los automovilistas recorran un promedio de 250 kilómetros sin necesidad de realizar una recarga. Lo ideal es que pueda duplicarse esa extensión, equiparando la autonomía de los vehículos eléctricos con la de los autos impulsados por combustibles fósiles y etanol.

“Los esfuerzos que han hecho en los últimos años los fabricantes de baterías, la industria automovilística y los centros de investigación, dieron como resultado baterías con mayor densidad energética [la cantidad de energía almacenada en proporción a su masa o volumen]”, dice el ingeniero electricista Raul Beck, coordinador de la Comisión Técnica de Vehículos Eléctricos e Híbridos de la Sociedad de Ingenieros de la Movilidad (SAE Brasil) y encargado del Área de Sistemas de Energía de la Fundação Centro de Pesquisa y Desenvolvimento en Telecomunicações (CPqD), empresa con sede en la ciudad de Campinas (São Paulo).

De cualquier modo, los modelos más avanzados aún se hallan lejos de disponer de la misma densidad energética que el etanol o la gasolina. Mientras que las células de litio almacenan alrededor de 690 vatios-hora (Wh) por litro (L), 1 litro de etanol hidratado posee aproximadamente 6.260 Wh de energía, y 1 litro de gasolina común, alrededor de 8.890 Wh. “Estas cifras revelan que la energía almacenada en 1 litro de etanol o gasolina es bastante mayor que la presente en [un volumen de] 1 litro de batería”, resalta el físico José Goldemberg, profesor emérito de la Universidad de São Paulo (USP) y presidente de la FAPESP, experto en energía. Se necesitaría una batería con una capacidad de casi 13 litros para sustituir 1 litro de gasolina.

Aunque en menor proporción, la gasolina y el etanol también son más ventajosos que la batería cuando se analiza el índice de conversión de la energía para las ruedas del vehículo y se considera el volumen que los respectivos sistemas de abastecimiento ocupan en el automóvil (tanque de combustible, mangueras, tuberías, etc., en el caso de la gasolina y el alcohol; y la caja de ignición, refrigeración y ventilación, en las baterías). “Como la eficiencia de conversión de energía de la batería transmitida a las ruedas del automóvil eléctrico se ubica en el orden del 90%, 1 litro de batería dispone de alrededor de 430 Wh para las ruedas”, apunta Beck, de CPqD. “En tanto, la eficiencia de conversión energética de la gasolina y del etanol es mucho menor, del orden del 20%, no obstante, 1 litro de gasolina provee 1.420 Wh a las ruedas del auto, mientras que 1 litro de etanol aporta 1.000 Wh”. Para ese cálculo, se tuvo en cuenta que las células de litio ocupan un 70% del volumen total de la batería y que gasolina y etanol representan un 80% del volumen del sistema de combustible de los vehículos convencionales. De este modo, un depósito de 50 litros de gasolina debería reemplazarse por una batería cuyo volumen fuera de alrededor de 165 litros, mientras que un tanque de 50 litros de etanol podría sustituirse por una batería con un volumen de unos 115 litros.

José Goldemberg resalta que, más allá de la limitación energética de las baterías, los vehículos eléctricos necesitan superar otros obstáculos, tales como la carencia de una red de recarga, así como el hecho de que en muchos países, principalmente en Europa, la electricidad se genera mediante la quema de combustibles fósiles, lo que reduciría la ventaja ambiental de los vehículos eléctricos. Según el físico, lo más eficaz para esquivar el problema de la contaminación provocada por el humo de los escapes de los vehículos en los grandes centros urbanos es el uso de motores de combustión interna impulsados por un combustible renovable y limpio (no proveniente de fuentes fósiles), como es el caso del etanol, que se elabora a partir de la caña de azúcar en Brasil y como derivado de la producción de maíz en Estados Unidos.

Tecnologías diversas
Para Raul Beck, el etanol no justifica que Brasil se aparte de la tendencia a la sustitución de los autos a combustión por los modelos impulsados a batería. “El vehículo eléctrico ya es una realidad y se están invirtiendo grandes cantidades de recursos en varios países para mejorar el desempeño de las tecnologías actuales de baterías”, comenta. Y explica que la ventaja de las baterías de iones de litio en relación con otros modelos está dada porque el litio posee un potencial electroquímico elevado [la capacidad de generar energía a partir de reacciones químicas de reducción-oxidación (redox)] y es el metal más liviano y menos denso entre los elementos sólidos de la tabla periódica.

El litio presenta alrededor de la mitad de la densidad del agua, o sea que, un bloque de 1 litro de litio pesa 0,534 kg. “De esa manera, pueden fabricarse baterías con menor tamaño y más livianas, con alta densidad de energía”, destaca la química Maria de Fátima Rosolem, investigadora del Área de Sistemas de Energía del CPqD. “Además, la batería de litio está elaborada con materiales cuyo impacto ambiental es bajo y presenta una vida cíclica elevada [capacidad de soportar recargas y descargas sucesivas]”.

Un análisis de la evolución energética de las baterías en los últimos años revela que las baterías convencionales de plomo-ácido, que se usan en los autos corrientes, presentan las menores densidades de energía gravimétrica (masa) y volumétrica, es decir, son más pesadas y de mayor tamaño en comparación con las otras tecnologías. Luego de esas se ubican las baterías de níquel-cadmio, que principalmente se emplean en las pilas recargables de las herramientas eléctricas, las de níquel-hidruro metálico, empleadas en los vehículos eléctricos en los años 1990, cuando todavía no existían los modelos comerciales de las baterías de litio y, finalmente, las diversas tecnologías de iones de litio.

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