Este es un autobús eléctrico: ¿qué sabemos sobre el transporte con una batería?

Después de la aparición del primer vehículo eléctrico en el siglo XIX y el segundo aumento de popularidad en los años 70 del siglo XX, los autobuses eléctricos volvieron a las calles de las ciudades. Lo que influyó en su desarrollo y cómo las tecnologías han cambiado: desde la creación de baterías de gran capacidad hasta el desarrollo de infraestructura de carga se puede encontrar en nuestro nuevo artículo.

El primer vehículo eléctrico: saludos del siglo XIX.

Los autos eléctricos aparecieron mucho antes que los autos con motor de combustión interna. Gottlieb Daimler y Karl Benz patentaron los primeros carros autopropulsados ​​con gasolina ICE en 1886, mientras que el primer automóvil eléctrico para transportar personas se introdujo en 1837. Debido al alto costo y la baja eficiencia, los primeros autos eléctricos no podían competir con autos con una máquina de vapor. El costo de servicio de un automóvil con una batería de zinc fue 40 veces mayor que el costo de servicio de una máquina de vapor a carbón.

Después de la llegada de las baterías de plomo-ácido asequibles, los autos eléctricos lograron ponerse de moda por un tiempo. En 1890, el estadounidense William Morrison construyó el primer autobús eléctrico, un automóvil con capacidad para 6 personas, que acelera hasta 19 km / hy viaja con una sola carga de hasta 160 km. 24 baterías, que pesaban casi 350 kg en total, producían una corriente de 112 A con un voltaje de 58 V y requerían 10 horas para recargarse completamente.


El autobús eléctrico de William Morrison. Fuente: american-automobiles.ru

A principios del siglo XX, 20 autobuses eléctricos operaban con éxito en rutas de transporte urbano en Londres, que en ese momento eran más eficientes y económicas que sus contrapartes de gasolina. Una carga de batería fue suficiente para 60 km, por lo que en las estaciones finales se reemplazaron las baterías vacías por otras nuevas; el proceso tomó solo tres minutos.


El autobús eléctrico de Londres con batería extraíble es el prototipo del futuro Tesla con baterías de desmontaje rápido. Fuente: Museo de Transporte de Londres.

Para 1900, el 38% de los automóviles en los Estados Unidos funcionaban con electricidad, pero la mejora de los motores de combustión interna y la reducción de los precios del combustible obstaculizaron drásticamente el desarrollo de la industria del transporte eléctrico autónomo: en los años 30 del siglo XX, los autobuses eléctricos prácticamente habían desaparecido. A diferencia de los automóviles de gasolina, el transporte eléctrico no era más barato, y el estado del medio ambiente hasta ahora no ha inspirado ninguna preocupación. El cruce de inversiones en autobuses con baterías ha aparecido en los años 20 de trolebuses baratos.


El proceso de reemplazar la batería en un bus eléctrico es completamente automático, como en el siglo XXI.
Fuente: Biblioteca Británica

Pero debido a los bajos precios del combustible a mediados del siglo XX, la industria de ICE tomó el camino de aumentar el volumen, lo que afectó directamente el consumo de gasolina. Incluso los automóviles se suministraron con motores ineficientes de seis litros, cuyo mantenimiento en los años 70 se convirtió literalmente en "dorado". La situación actual provocó un nuevo aumento en la popularidad de los vehículos eléctricos. Entonces, en el Manchester inglés en 1974, los autobuses eléctricos Seddon Pennine 4-236 con baterías de cloruro llegaron a las rutas de la ciudad.


Una rara toma del autobús eléctrico Seddon Pennine 4-236 que operaba en 1975.
Fuente: Alan Snatt

El único automóvil comercial universal que quedaba en la memoria de esa época era la minivan Mercedes-Benz LE 306, cuya batería desmontable rápidamente proporcionaba una potencia de aproximadamente 76 caballos de fuerza, pero se agotó después de 50 km. El automóvil vivió hasta 1983, luego de ser probado por el servicio postal de la ciudad alemana de Bonn, fue declarado no rentable.


Minivan eléctrico Mercedes-Benz LE 306: un recordatorio de la era de la crisis del combustible. Fuente: Mercedes-Benz

Comenzaron a hablar seriamente sobre la producción en masa y el uso de vehículos eléctricos solo en el siglo XX, cuando la sociedad comenzó a pensar en las amenazas ambientales y a darse cuenta del daño ambiental causado por el escape de los automóviles. En el contexto de una discusión sobre temas ambientales, la idea de convertir autobuses diesel en electricidad se ha vuelto bastante popular, y el surgimiento de baterías de iones de litio capaces de acumular energía y proporcionar movimiento autónomo de autobuses eléctricos durante mucho tiempo ha jugado un papel importante en esto. La invención de tales baterías también resolvió el problema económico, haciendo que la producción y mantenimiento de vehículos eléctricos sea más económica y abriéndole el camino al mercado masivo.

Problemas de nutrición

En los autobuses eléctricos modernos, las baterías o los supercondensadores se utilizan como energía. La última forma de almacenar energía es interesante a su manera, aunque limita en gran medida las posibilidades del transporte eléctrico.

Los supercondensadores pueden almacenar solo el 5% de la energía en comparación con las baterías de iones de litio de volumen similar. Obviamente, con una sola carga del condensador, el bus viajará solo varios kilómetros, lo que significa que no hay necesidad de hablar sobre ninguna autonomía. Pero la propiedad positiva de los condensadores es la velocidad de carga. Se tarda unos segundos en restablecer la carga.


Supercondensador chino Ultracap Bus en una parada con una estación de carga: parece una sección con cables de trolebús. Fuente: Tecnología Shanghai Aowei

Por lo tanto, en la ciudad china de Ningbo hay un autobús de condensadores, que tarda solo 10 segundos en recargarse; gracias a la infraestructura desarrollada de las estaciones de carga, el autobús recibe energía en cada parada durante el embarque y el aterrizaje de los pasajeros, que generalmente dura un poco más. Además, hasta el 80% de la energía de frenado se convierte en electricidad y se devuelve a los condensadores; esto ahorra hasta un 50%.

Los supercondensadores se mejoran constantemente, pero la introducción de autobuses eléctricos en esas baterías requiere una infraestructura muy costosa en forma de estaciones de carga de alta potencia en cada parada. Además, las situaciones de emergencia en forma de atascos inesperados pueden dejar un autobús con condensadores descargados en el camino y crear problemas adicionales para el tráfico.

Una batería de iones de litio no es un tipo específico de batería con una única composición aprobada, sino toda una familia de elementos energéticos. El desarrollo de baterías de iones de litio es un proceso complejo para encontrar el equilibrio necesario entre potencia, capacidad, compacidad y precio. El ideal aún no existe. Cada tipo de batería de iones de litio es buena para una aplicación específica. No todos se utilizan en vehículos eléctricos, muchos encuentran su lugar en la electrónica con bajo consumo de energía.

Las baterías de óxido de cobalto de litio (LiCoO ₂ ), las más económicas y populares en la actualidad, tienen una excelente capacidad por unidad de volumen, bajo costo y un voltaje de 3.6V por celda. Este es el tipo de batería que encontrarás en dispositivos móviles y dispositivos electrónicos de consumo portátiles. También se conocen las desventajas de tales baterías: una pequeña corriente de descarga, un máximo de 1000 ciclos de carga / descarga antes de que comience una degradación grave del tanque, una carga prolongada y la incapacidad de trabajar a bajas temperaturas. Un autobús eléctrico en LiCoO ₂ costará menos que en otros tipos de baterías, pero solo puede funcionar en países cálidos en rutas cortas con una carga mínima, como los traslados dentro de los campus.

Debido a su estructura tridimensional, la batería de litio-manganeso (LiMn ₂ O ₄ ) fue capaz de proporcionar una alta corriente de descarga, hasta 30 veces su capacidad. Esto hizo posible utilizar LiMn ₂ O ₄ en dispositivos con alto consumo de energía a corto plazo, por ejemplo, en automóviles eléctricos Nissan Leaf y BMW i3. Pero las baterías de litio-manganeso mostraron sus inconvenientes: incluso menos que la vida útil de las baterías de litio-cobalto y la intolerancia al frío. Por lo tanto, las baterías de litio-manganeso se combinan con otro tipo de batería: NMC.


La batería Nissan Leaf NMC es la mitad del precio de la batería Tesla NCA, pero la capacidad pierde aproximadamente el doble de rápido (70% después de 100 mil km). Fuente: Benjamin Nelson

Las baterías de litio-níquel-manganeso-óxido de cobalto, o simplemente NMC, obtuvieron un buen consumo de energía específico y una vida útil (hasta 2000 ciclos de descarga), pero su corriente de descarga resultó ser pequeña. Es por eso que, para su uso en vehículos eléctricos, los NMC se combinan con LiMn ₂ O ₄ : durante la conducción normal, las células NMC funcionan principalmente y, al acelerar, las células LiMn ₂ O ₄ proporcionan una alta corriente.

Las baterías de litio-níquel-cobalto-óxido de aluminio (LiNiCoAlO ₂ o NCA) se caracterizan por una alta capacidad específica y un costo razonable. La velocidad de carga y la corriente de descarga de las baterías NCA son promedio, no se pueden escribir en ventajas o desventajas. Fue la NCA la que se convirtió en la fuente de energía para los automóviles Tesla y los sistemas de almacenamiento Powerwall.


La batería Tesla Modelo S 85A NCA de 85 kW, cuando se reemplaza debido al desgaste, se envía a los sistemas de almacenamiento de energía Tesla Powerwall. Fuente: wk057

Pero una característica de las baterías NCA ensombrece a Tesla incluso antes de que los propietarios puedan tener problemas potenciales: las baterías tienen un ciclo de vida de 500 ciclos comparable a las células de litio-cobalto. Y luego la sustitución y eliminación de artículos desgastados. La experiencia real ha demostrado que incluso después de 200 mil kilómetros, las baterías en los vehículos eléctricos Tesla siguen funcionando, perdiendo un tercio de su capacidad. Pero, a pesar de esta experiencia positiva, para los vehículos eléctricos urbanos, las baterías NCA no son la mejor opción, porque el kilometraje del autobús es varias veces o incluso órdenes de magnitud mayor que el kilometraje de los automóviles personales.

Respuesta de titanato de litio

Las baterías de titanato de litio (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ , LTO) se conocen desde los años 80 del siglo pasado. Toshiba está desarrollando y produciendo activamente este tipo de batería llamada SCiB (Super Charge Ion Battery). Para la fabricación del ánodo, utilizan titanato de litio en lugar de grafito. En este caso, el cátodo se puede tomar prestado de las baterías NMC. Reemplazar el grafito permitió aumentar el área efectiva del ánodo de 3 m ² / ga 100 m ² / g, lo que afecta mejor la velocidad de carga de la celda y la corriente de descarga. Entonces, en 2017, Toshiba demostró una batería SCiB que puede restaurar hasta el 90% de su capacidad en solo 5 minutos.


La estructura porosa del óxido de titanato de litio proporciona un área 30 veces mayor que el grafito y una vida útil muchas veces más larga. Fuente: KB "Energía"

Las baterías de titanato de litio emiten establemente diez veces su capacidad y treinta veces con cargas pulsadas. Las primeras muestras soportaron hasta 7000 ciclos de descarga, y las baterías modernas proporcionan 15000-20000 ciclos; ningún otro tipo de batería de iones de litio se puede comparar con estos indicadores. Además, las baterías LTO son incombustibles, durante la despresurización se calientan hasta 70 grados y se enfrían, tampoco tienen miedo de sobrecalentarse. En climas fríos, la celda casi no pierde su efectividad: a una temperatura de –30 grados, la capacidad de una celda de titanato de litio disminuye al 80% del valor nominal.


Batería de titanato de litio Toshiba utilizada en los autobuses Proterra. Fuente: Proterra

Increíble capacidad de supervivencia, carga instantánea, resistencia al frío. Suena como la batería perfecta para tu teléfono. Pero las baterías LTO también tienen sus inconvenientes, que hasta ahora limitan su alcance. En primer lugar, esta es una capacidad específica baja de 50-80 W / kg, mientras que para las células de litio-cobalto tradicionales es de 150-200 W / kg, es decir, para obtener una capacidad igual, una célula de titanato de litio debe ser dos o tres veces más grande. En segundo lugar, el voltaje nominal de la celda es de solo 2.4 V en comparación con 3.6 V para el litio cobalto. En tercer lugar, mientras que las baterías de titanato de litio tienen un precio alto, tres veces mayor que las baterías NCA. Es por eso que aún no es posible integrar una batería de titanato de litio en un teléfono inteligente: obtendrá un elemento costoso con una baja capacidad y un voltaje insuficiente para que el dispositivo funcione.

Pero en los autobuses eléctricos, donde no hay escasez de espacio, y también requiere una alta duración de la batería, las baterías de titanato de litio son el lugar para ir.


El gráfico muestra el kilometraje de una máquina de prueba en SCiB y baterías de óxido de litio-cobalto. La ventaja de SCiB es más que obvia. Fuente: Toshiba

Problema de recarga

Sin una infraestructura desarrollada, un autobús eléctrico se convierte en un problema. Puede cargar un autobús eléctrico de tres maneras diferentes: carga nocturna, carga rápida en estaciones finales y carga rápida en paradas.

Se requieren estaciones de carga en las paradas de transporte público, por ejemplo, en autobuses eléctricos en supercondensadores: se instala un área de contacto o cables sobre el pabellón, que el autobús toca con un pantógrafo. Si los supercondensadores tienen suficiente potencia durante varios segundos, se necesitan al menos minutos para recargar la batería. Teniendo en cuenta que las baterías modernas de titanato de litio de Toshiba recuperan la mayor parte de la carga en cinco minutos, es suficiente instalar solo unas pocas estaciones de carga en la red de rutas de autobuses que pueden mantener las baterías cargadas.

La carga de noche larga en transporte público se usa solo en combinación con uno de los otros dos métodos. Es imposible cargar el autobús solo una vez al día y enviarlo a la ruta durante todo el día por razones objetivas. En primer lugar, para trabajar durante al menos medio día, necesita baterías muy potentes que ocuparán mucho espacio en la cabina; esta circunstancia aumenta drásticamente el costo de cada autobús. En segundo lugar, es necesario llevar líneas eléctricas muy potentes a la estación de autobuses para suministrar simultáneamente decenas e incluso cientos de autobuses.


El autobús eléctrico serie KamAZ se está cargando en la parada final de la ruta No. 73 de Moscú.
Fuente: alisa

Que sigue

El transporte eléctrico de la ciudad siempre se ha considerado un dudoso exótico, y ahora cientos de miles de autobuses eléctricos funcionan en el mundo. El campeón en la adaptación de nuevas tecnologías es China, donde se ubican casi el 99% de los autobuses eléctricos existentes en el mundo. Según las estimaciones de Bloomberg New Energy Finance, para 2025 el 47% de los autobuses del mundo serán eléctricos.

Rusia tampoco se queda atrás de las tendencias mundiales. Cada año, muchas ciudades rusas compran vehículos eléctricos y los colocan en rutas permanentes, crean infraestructura especial y ofrecen soluciones en el campo del suministro de energía. Es posible que la transición al transporte eléctrico se prolongue durante décadas y, tal vez, tomemos el tiempo en que los autos eléctricos personales dejarán de ser un artículo de lujo y competirán con los análogos diesel.