Hablar de los motores eléctricos es hacerlo de varios factores, pero el principal quizás sea su rendimiento. Sí, porque a la llegada (y prevista larga continuidad) de este tipo de propulsores, lo que vemos es que tienen un desarrollo y una viabilidad que, en este momento, ya son muchos los que igualan, e incluso superan, a los de combustión. Pero, ¿cuánto de eficaces son?
Hablar de la eficiencia y rendimiento de los motores eléctricos puede ser algo pantanoso y, a veces, algo complejo de comprender, sobre todo si lo miramos únicamente desde el punto numérico. Por esto, y para hacerlo mucho más fácil, contaremos las claves de este tipo de motorizaciones mediante la misma mecánica.
No hay rendimiento sin conversión de la energía
Así, la realidad es que valorar la eficiencia energética que alimentan nuestros vehículos a día de hoy es algo de entera actualidad. Es un asunto que está en constante evolución, más teniendo en cuenta que son los propios coches electrificados los que están saltando barreras que hace unos años parecían del todo impensables.
Para ponernos en contexto. Los motores eléctricos son el componente fundamental de muchos procesos, no solo del coche. Pero en los que nos atañe, diremos que han supuesto un avance inmenso a lo largo de los años, mucho antes de que empezaran a imponerse en los propios vehículos. Así, este contiene menos piezas móviles, un funcionamiento sencillo y fiable, y sin necesidad de refrigeración o caja de cambios convencional.
Su funcionamiento se basa en convertir la energía de la batería en energía mecánica. Lo hace de la mano del principio básico del magnetismo: las cargas de igual signo se repelen y las de signo contrario se atraen. En este caso, el paso de la corriente por unas bobinas crea un campo magnético que hace girar a un núcleo central imantado.
Este movimiento de rotación se transfiere a las ruedas y varía de velocidad dependiendo de la frecuencia de la corriente. A partir de ahí viene la productividad del mismo, lo que se conoce como el rendimiento de este tipo de motores.
Qué es el rendimiento de un motor eléctrico
Pero empecemos por el principio. ¿De qué trata el rendimiento de estos motores eléctricos y por qué es tan importante? En primer lugar, cabe decir que esto el cociente entre la energía producida por una máquina y la energía que le suministramos a la misma para hacer ese recorrido.
O lo que es lo mismo. Si toda la energía química del combustible del coche convencional se transformara en energía mecánica para mover el vehículo, estaríamos hablando de un rendimiento o eficiencia del 100%. Sin embargo, no existe máquina capaz de alcanzar ciclos de eficiencia perfecta porque lo impiden las leyes de la termodinámica.
En un sentido más técnico de la palabra, este ‘rendimiento’ sería la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada. Aquí entra en juego la pregunta de cuántos litros de gasolina por kilómetro o diésel consume un vehículo. En el caso de los eléctricos, cuántos kwh llega a consumir.
También es interesante conocer cómo gestiona la energía un coche eléctrico en las diferentes fases de su utilización. Encontramos dos diferentes: de aceleración y de desaceleración. Ambas están directamente controladas por el conductor. En ambos casos, y a diferencia de lo que un motor térmico es capaz de hacer, un motor eléctrico puede invertir energía para crear movimiento o convertir la energía cinética (movimiento) en energía eléctrica para recargar la batería.
Cómo se mide
En mención de la definición de rendimiento de estos motores eléctricos, hay que señalar también que hay una equivalencia entre esta relación y la eficiencia energética. Ante esto, un coche será tanto más eficiente cuanta menos energía consuma para realizar el mismo trabajo. En este caso, moverse una distancia de 100 kilómetros, la medida justa y más significativa.
Así que lo mejor para ver si un motor electrificado es más eficiente y con un rendimiento mayor o menor, es saber y conocer cuál es el consumo real de energía. Para que la comparativa sea lo más correcta posible, deberíamos de tomar el mismo coche con diferentes motores, con el mismo diseño y aerodinámica, misma masa y mismos neumáticos, y realizar una prueba de conducción real en el mismo trayecto o circuito, con las mismas condiciones de tráfico y meteorología.
Asimismo, es esa eficiencia real la que depende de muchos factores. En caso de que un motor consuma 100W pero disipa en forma de calor y vibración unos 35W, tendrá un rendimiento del 65%, que es lo habitual en motores de escobillas. A más eficiencia, más tiempo de vuelo con las mismas baterías.
La mayoría de los motores se diseñan para funcionar con cargas entre 50 y 100% de la potencia nominal, con el máximo rendimiento aproximadamente al 75% de la potencia nominal. Así pues, un motor de 10 kW tiene un rango de carga aceptable entre 5 y 10 kW, con el rendimiento máximo a 7,5 kW. Como norma general, los motores de alto rendimiento producen los mayores ahorros cuando accionan una carga al 75% de la potencia nominal.
Como tal, el rendimiento se puede medir de directa e indirecta. En la medición directa se calcula mediante la potencia de entrada y la potencia de salida desde el eje del motor. Sin embargo, en la medida indirecta del rendimiento del motor, entran en juego las pérdidas del motor.
Un motor puede tener pérdidas eléctricas, magnéticas, mecánicas o adicionales en carga.
- Las pérdidas eléctricas aparecen en forma de calor y se incrementan rápidamente con la carga del motor.
- Las pérdidas magnéticas se producen debido a la corriente que se genera en las bobinas del motor con su funcionamiento.
- Pérdidas mecánicas se producen cuando los rodamientos del coche entran en fricción y por el funcionamiento de los elementos rotativos del motor, como el ventilador.
- Pérdidas adicionales están relacionadas con la carga del motor. Entran en juego varios elementos derivados del funcionamiento del motor en su conjunto.
Fases de trabajo
Los motores eléctricos tienen un rendimiento diferente funcionando en una u otra fase de trabajo. Se clasifican, principalmente, en dos tipos o categorías, dependiendo del tipo de energía eléctrica aplicada: motores de corriente continua (DC) y motores de corriente alterna (AC).
El primero es un aparato que puede convertir la energía eléctrica en mecánica, realizando un movimiento rotatorio. Este es uno de los inventos más versátiles de la industria por su fácil control, paro y automatización en procesos. Este motor consta de dos partes: parte fija (induce la fuerza sobre la parte móvil) y la parte móvil (compuesto por varios espirales, también llamado rotor).
Para el segundo, los de corriente alterna, estos se basan su funcionamiento en la obtención de un campo magnético giratorio. Dentro de este campo giratorio puede haber un electroimán, que gira a la misma velocidad que el campo. En este caso tendremos un motor síncrono.
Ambos son muy importantes para conocer el rendimiento final de estos motores eléctricos. La diferencia más básica entre ellos es la fuente de energía. Mientras que los AC funcionan con motores de corriente alterna, los de corriente continua lo hacen de la mano de baterías, convertidores o fuentes de alimentación.
Diferencias con uno de combustión
Considerando lo anterior, se tiene que el rendimiento energético de los motores eléctricos es sumamente superior al existente en los motores de combustión. Mientras en los motores eléctricos la eficiencia tiene una media de 90%, alcanzando incluso el 95% según algunos fabricantes, para los de combustión la cifra no supera el 25% (gasolina), ni el 30% (diesel).
La explicación a esta gran diferencia es simple. Mientras en los motores eléctricos las pérdidas se dan principalmente el efecto Joule presente en sus distintas piezas, en un motor a combustión las pérdidas son múltiples. Por un lado se tiene que el calor producido por la misma combustión no se aprovecha de buena manera.
A eso hay que sumarle que en este tipo de motor existen muchas más piezas móviles cuyo roce produce una pérdida extra. Así, las pérdidas en el motor de combustión son mucho mayores, lo cual lo vuelve menos eficiente y con un rendimiento menor.
Energía proporcionada
Los combustibles fósiles tienen una excelente relación entre la energía que pueden proporcionar y la masa y volumen que ocupan: tienen mucha densidad energética y permiten almacenar mucha energía en un espacio reducido y ligero. Ese ha sido uno de los principales motivos por los que ha triunfado durante más de un siglo como fuente de alimentación.
Por unidad de volumen, un litro de gasolina tiene 9,6 kWh/l (kilovatios hora por litro). El gasóleo, que es más denso, proporciona 10,7 kWh/l. Por unidad de masa, las cifras son 12,2 kWh/kg (kilovatios hora por kilo) y 12,7 kWh/kg, respectivamente. Estos parámetros van a servir para poder comparar rendimiento y consumo con un sistema de propulsión eléctrico.
Energía almacenada
El combustible, al ser un fluido líquido, solo necesita un contenedor adaptado a sus características para ser almacenado. Sí es verdad que acumular electricidad es un proceso menos más complejo que requiere de una batería, que recibe la electricidad y la transforma en energía química para almacenarla.
Para situarnos, una batería de iones de litio de última generación ofrece una densidad energética en torno a 0,14 kWh/kg. Mientras, un coche de combustión de un depósito de 44 litros de capacidad, puede almacenar hasta 422,4 kWh de energía. En la variante diésel, con el tanque lleno, esta cifra llega hasta 438,7 kWh. En casos como los eléctricos de Peugeot, sus baterías de elevada capacidad pueden acumular hasta 50 kWh de energía.
Consumo
Un coche eléctrico puede almacenar mucha menos energía, pero también necesita mucha menos energía bruta para moverse porque la transforma de un modo mucho más eficiente. Los motores de gasolina más eficientes tienen una eficiencia energética de alrededor de un 40% (hasta el 45% en los diésel).
O lo que es lo mismo; solo transforman en movimiento un 40-45% de la energía que reciben, perdiéndose el resto en la generación de calor. Sin embargo, un motor eléctrico tiene una eficiencia superior al 90%.
Si lo trasladamos a un vehículo de calle, como el mismo Peugeot 2008 gasolina, este ofrece un consumo medio de 5,8 l/100 km, mientras que su hermano a motor BlueHDi 130 CV consume 4,9 l/100 km. Estas cifras equivalen a un consumo de energía de 55,68 kWh/100 km en la versión gasolina y a 51,94 kWh/100 km en la diésel. El consumo de su variante eléctrica eléctrico es muy inferior: 17,6 kWh/100 km.
Coste cada 100 km
En este apartado, el rendimiento de los motores eléctricos hacen que estos vehículos tengan una gran ventaja a la hora de parar a repostar en comparación con sus predecesores. Consultando los precios de comercialización de las principales compañías eléctricas, recargar ese mismo Peugeot e-208 al completo puede costar entre 1,90 y 6,95 euros con la tarifa 2.0DHS.
De esto se traduce un coste energético cada 100 kilómetros entre 0,55 y 2,04 euros. Si lo vemos con el modelo convencional de combustión, 100, el coste de combustible es de 5,2 euros/100 km.
