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las alternativas energéticas del futuro

Junio de 2008 - Ing. César Rodríguez Belmar.

objetivo

En esta época en que cada semana el precio de barril de petróleo alcanza una nueva cumbre (esta semana a 139 dólares por barril), al tiempo que los efectos del cambio climático se hacen sentir de manera más severa en catástrofes, que a su vez alcanzan también a un mínimo creciente de personas (Birmania, Italia, Indiana, Chiapas, etcétera); la generación de alternativas energéticas, así como de la aplicación de nuevas tecnologías que permitan un mayor nivel de sustentabilidad para el transporte, se vuelve un elemento de primera prioridad para la sociedad.

En el escenario descrito, han surgido todo tipo de posibles soluciones, cada una clamando por la propiedad absoluta de la quinta esencia de la sustentabilidad futura de la transportación. Hoy más que nunca es fácil para el analista no experimentado, encontrar un océano de posibilidades que lo dejen en confusión ante las maravillosas y conflictivas posibilidades que cada solución potencial clama poseer.

Recientemente en Cosmo Consulting estuvimos presentes en un evento de tipo mundial dedicado al análisis tanto de la demanda como de la oferta de los combustibles alternativos para la transportación con intervención de las organizaciones promotoras de las alternativas energéticas, así como la participación de las empresas automotrices más importantes presentando sus avances tecnológicos.

Por todo lo anterior, el objetivo de este trabajo es, el poner en perspectiva tanto a las alternativas energéticas, como a las nuevas tecnologías, de manera que se genere en el lector una visión global de la situación y le permita aceptar o rechazar cognocitivamente las conclusiones presentadas.

introducción

AFVI nació en 1989 como una firma de consultoría en combustibles alternativos (Thomasson & Associates); con el crecimiento de la demanda por sus servicios en 2003, se convirtieron en el Alternative Fuel Vehicle Institute (AFVI), organismo dedicado a la promoción y tecnificación de combustibles alternativos, así como al soporte técnico para la implantación de diversas tecnologías de transporte.

A la fecha, AFVI trabaja directamente con los gerentes de flota en Estados Unidos y Canadá. AFVI cubre flotillas privadas y gubernamentales y promueve tanto las opciones de combustibles, como de tecnologías a través de seminarios (presenciales y virtuales), boletines, conferencias y eventos especializados de la industria.

AFVI Vegas 2008 - La conferencia anual de las Vegas tuvo como objetivo reunir a más de 2,500 profesionales de la transportación con el fin de actualizarlos en los avances, tanto de la industria automotriz, como la de los proveedores de energía en el camino a las nuevas alternativas y/o tecnologías energéticas.

En cuatro días de trabajo, más de 200 conferencias/presentaciones, conjuntadas en 30 paneles y 18 conferencias plenarias, todo enmarcado en la ciudad de Las Vegas y complementando las sesiones informativas, se tuvo una actividad de pruebas de manejo cerrando la conferencia con cuatro tours técnicos .

la industria automotriz

Dentro de los distintos paneles, AFVI Las Vegas 2008 dio a los participantes la posibilidad de escuchar a los responsables de la planeación estratégica de los gigantes automotrices y obtener, a través de estos distinguidos voceros, la visión de las cosas por venir.

A continuación describo mi interpretación de las distintas conferencias, presentando primero un compendio de aquellos aspectos presentes en toda la industria. En la segunda parte presento los aspectos relevantes de cada una de las empresas automotrices participantes:

Industria Automotriz - Se nota un alto nivel de actividad en cuanto al desarrollo de vehículos con combustibles alternativos; sin embargo, el número de vehículos vendidos empleando combustibles alternativos aún es muy bajo. A la fecha no se ve que ninguna de las opciones ofrecidas por la industria llegue a convertirse en una oferta estable y duradera. La actividad en combustibles alternativos en el mejor de los casos, le ha permitido a la industria automotriz, utilizar fondos gubernamentales y de promoción ambiental, para atender nichos de especialidad que, sin estos recursos hubiera ignorado.

Del lado de los avances tecnológicos es otra cosa. Quizá para la industria automotriz ésta será su verdadera aportación a corto plazo. Estos avances tienden a una nueva generación de trenes motrices de más alto desempeño.

Los avances que me parecieron más importantes por su posible efecto en el consumo de combustible y por los tiempos de aplicabilidad son:

Motor de inyección directa: Incluyendo un sistema de inyección parecida al del motor diesel, pero aún conservando el encendido a chispa. Este avance traerá un salto en eficiencia neta del motor, reduciendo el tramo contra el motor diesel al menos a la mitad; es decir, veremos rendimientos netos de 33% a 35%.

Motor sin ralentí: Se está desarrollando un sistema de arranque de motor capaz de operar cientos de veces al día y de manera automática, de modo que los vehículos ya no operarán en ralentí, sino que al detenerse las ruedas del vehículo, el motor se apagará, encendiéndose hasta que el operador accione el acelerador. Una batería más resistente se hará cargo de las necesidades eléctricas del vehículo al estar el motor apagado (luces, radio, aire acondicionado, etcétera).

Motores dedicados: Otro cambio importante en los vehículos será un sistema de asistencia, el cual se hará cargo vía eléctrica de todos los subsistemas del vehículo, así como la bomba de la dirección hidráulica, el compresor de aire acondicionado y todos los elementos que actualmente toman fuerza del motor, de manera que el motor esté dedicado sólo a mover el vehículo.

Es mi apreciación que en los próximos 5 a 10 años, estas innovaciones serán de línea en el 100% de los vehículos; los cuales por esta vía tendrán mejores rendimientos de combustible en un 15% a 20%.

Analizando de manera particular cada empresa automotriz:

Empresas Automotrices

Toyota

Esta empresa japonesa ha apostado por los vehículos híbridos. Para mayo de 2007 ya había vendido más de un millón de estos vehículos. Solo en Estados Unidos, Toyota vendió 45,000 vehículos híbridos para flotillas en 2007.

Para 2008 Toyota tiene 6 distintas plataformas para vehículos híbridos. Es a través de la tecnología híbrida de cuarta generación que Toyota se ha propuesto llegar al vehículo AT-TZEV (advanced technology towards zero emission vehicle); es decir, Toyota está usando el híbrido como la primera fase en la creación de un vehículo libre de emisiones (ver figura).

Ford

La propuesta de Ford es muy mesurada y ostensiblemente menor que las de sus competidores tradicionales. Su lema drive green (conduce verde), cubre una pequeña oferta de vehículos flex-fuel ; es decir, capaces de usar etanol.

Sin embargo, Ford presupone que ya hay una estructura y una tecnología probada de etanol; es decir, ellos se limitan al vehículo con flexibilidad de usar gasolina tradicional, o bien una mezcla de gasolina con etanol al 85% - E85 (ver figura).

También Ford ofrece una plataforma en celda de combustible con hidrógeno (que está desarrollando), así como un vehículo híbrido con capacidades de usar E85 y varios híbridos más con gasolina tradicional. Cierra su oferta de alternativas un vehículo híbrido con conectividad doméstica ( plug-in).

Honda

Esta empresa sí presenta una estrategia definida para sus alternativas de combustibles. Inicia con la máxima eficiencia de uso de la gasolina actual, luego sigue hacía el vehículo híbrido, después el vehículo de gas natural comprimido (GNC) y finalmente la última tecnología basada en el vehículo de celdas de combustible con hidrógeno (ver figura 1).

Buscando lograr el NZEV (near zero emissions vehicle), Honda tiene ya en el mercado su tercera generación de vehículos híbridos, además el Honda Civic GX que emplea GNC es el vehículo más limpio del planeta en 2008 (ver figura 2).

De estos resultados se deriva el fuerte compromiso de Honda con el combustible GNC. La oferta se complementa con la introducción al mercado del homepressor , el cual es un paquete de compresión tan compacto que se puede instalar al ducto de gas natural de cualquier casa, siendo capaz de cargarle al vehículo 40 litros equivalentes de GNC a 3,500 psi en 6 horas (ver figura 3).

Finalmente se corona la oferta de la empresa japonesa con su línea de vehículos de hidrógeno y celda de combustible. Almacenando hidrógeno a 5000 PSI y obteniendo actualmente autonomías de 220 millas, el cual ya está disponible en el mercado de California .


figura 1


figura 2


figura 3


figura 1


figura 2


figura 3


figura 4

General Motors

Esta empresa es la que presenta la visión más clara del futuro y la que tiene mayor congruencia en su estrategia (desplazar petróleo a través de eficiencia energética y diversidad), y en sus avances tácticos a la fecha.

Adicionalmente, ha generado sinergias para darle viabilidad futura a su oferta de vehículos. Dentro de la consideración de esta empresa, está una amplia gama que va desde el uso de combustibles actuales hasta la energía nuclear. Por el lado de la propulsión, desde motores de combustión interna convencionales hasta diversas combinaciones de celdas de combustibles.

Para el medio de transmisión de energía, General Motors considera desde los combustibles líquidos tradicionales, el GNC, la electricidad y hasta el hidrógeno (ver figura 1). En su presentación, esta organización establece claramente las características de su jornada hacia la propulsión avanzada (ver figura 2) y da, de manera extraoficial, una idea del tiempo involucrado (llegando a año 2050).

General Motors comunica su compromiso de manera clara, en su programa gas friendly to gas free (ver figura 3). Como parte de este programa, la empresa ya está trabajando en vehículos con mayores rendimientos de combustible. También tiene una serie de plataformas híbridas de gasolina convencional, así como vehículos híbridos con conectividad doméstica (plug-in).

Por el lado de los biocombustibles, de manera singular para la industria, General Motors ha creado una alianza estratégica con la empresa de tecnología agro-química Coskata (ver figura 4), quienes están desarrollando los procesos de fabricación de etanol del futuro.

Con respecto al uso de electricidad, General Motors está trabajando en una nueva generación de baterías de larga duración, al tiempo que proponen el uso de la capacidad eléctrica disponible fuera de horas pico.

Finalmente, en cuanto al hidrógeno y celdas de combustible se refiere, esta organización tiene vehículos con autonomía superior a 300 millas.

 

Cummins

Sorprendentemente esta empresa, junto con General Motors, ha roto uno de los principales paradigmas de la industria: servir mercados, no crearlos. Este fabricante de motores a través de su asociación directa con Wesport Innovations ha creado Cummins-Wesport, cuya visión de every alternative los ha llevado a nuevas aplicaciones de sus motores tradicionales .

Conociendo las dificultades del motor diesel para cumplir con la normalización del EPA2007 o el EUROIV, así como el advenimiento de los nuevos estándares EPA2010 / EUROV, Cummins-Wesport ha decidido crear una línea de motores diesel diseñados para operar en gas LP y gas natural (ver figura 1). Estos motores ya están certificados EPA2007 y pronto cumplirán con EPA2010, creando así una verdadera opción futura para el motor diesel.

Además, el motor de Cummins-Westport funciona con una tecnología de combustión de mezcla pobre, manejando relaciones aire - combustible de 25:1 (ver figura 2). Con esto, se alcanzan rendimientos de combustible muy similares a los obtenidos en la versión diesel original del motor.


figura 1


figura 2

Una vez revisado el tema de los avances tecnológicos, tanto en el contexto general de la industria automotriz, como en el caso individual de los jugadores más importantes, ahora procederé a comunicar desde mi perspectiva, el caso de las alternativas energéticas. Similar al caso anterior, primero presento un análisis de las similitudes de todas las alternativas, para luego analizarlas una por una.

las alternativas energéticas

Durante el evento AFVI Vegas 2008, fue evidente que la alternativa energética más presente fue el gas natural comprimido (GNC o CNG por sus siglas en inglés), esto debido principalmente a la ventaja de ser el combustible con menor precio de adquisición en la bomba (ver figura).

También es de hacer notar que el gas LP tuvo la presencia más modesta, a pesar de ser hoy en día el combustible alternativo de mayor aplicación.

Una situación repetida consistentemente es la falta de un enfoque global para definir eficiencia ecológica. Considero que una mezcla de desconocimiento con el deseo de generar una ventaja comercial evita que este tema sea parte de la oferta de combustibles hacia el público en general. Así, por ejemplo, varias empresas automotrices promueven las ventajas ecológicas de sus vehículos con conectividad doméstica ( plug-in ) sin mencionar que recargar baterías de la red eléctrica también genera emisiones. Es decir, la falta más común fue la carencia de un marco de referencia para el análisis de emisiones.

Cabe aclarar que sí hubo algunas menciones sobre los marcos de referencia, incluso hasta una presentación sobre el análisis del pozo a la rueda, pero al evaluar los distintos vehículos, estas referencias nunca se usaron.

Análisis de Ciclo de Vida
Marco de Referencia
Representación
Significado
Emisiones por el escape "tailpipe"
Enfoque más usado, pero solo cubre del 50% al 60% de todas las emisiones involucradas.
Emsiones del pozo a la rueda "well to wheel"
Cubre todo el ciclo de utilización del vehículo considerando del 75% al 85% de las emisiones involucradas.
Emisiones de polvo a polvo "dust to dust"
Considera el 100% de las emisiones generadas desde el diseño conceptual, fabricación, utilización y desecho del vehículo.

Otra situación presente en la propuesta de todas las alternativas energéticas, fue la falta de definición en el tiempo. Por ejemplo, se comentó abiertamente el estado de un proceso para producir etanol a través de bacterias, pero no se dio una fecha objetivo para tener esta tecnología disponible en la bomba. En mi experiencia, sin un compromiso en el tiempo, es difícil pensar en que algo se materializará comercialmente.

Etanol

Este combustible goza de uno de los organismos de promoción más sólidos y eficientes; sin embargo, al analizar su propuesta actual nos encontramos con serios problemas estructurales, ya que a la fecha sus procesos de producción hacen del etanol, una opción menos económica que la gasolina convencional, con un sobreprecio real de entre 15% y 20%.

La gran actividad de la industria del etanol se basa en la esperanza de que el precio del petróleo suba y los costos reales de producción del etanol bajen. La barrera real hoy en día, es el costo de las enzimas para el proceso de fermentación. Se tiene avances generados por los fondos que la industria ha recibido, pero la misma industria reconoce lo mucho que hay por hacer, sobre todo ahora que se conocen los efectos económicos negativos derivados de los trabajos iniciales de fermentación de granos.

En suma, con altos costos de producción y con limitaciones en la materia prima, este combustible aún no tiene una oferta sustentable.

Biodiesel

La popularidad de este combustible ha crecido por dos fuentes de impulso simultáneas: primero por la creciente participación del diesel en el mercado mundial de transportación y; segundo, por los apoyos a este combustible de organizaciones como el Biodiesel Board , que obtienen fondos oficiales y los canalizan a investigación y difusión de su alternativa energética.

Su rápida penetración del mercado se debe a su relativa facilidad de producción, pero esta ventaja es también su desventaja principal, pues cualquiera puede (y lo hace) fabricar biodiesel, lo que en poco tiempo ha generado un fuerte problema de calidad con este combustible.

Esta situación ha limitado a los fabricantes de motores diesel a solamente aceptar B5 ; es decir, una mezcla de 95% diesel. Esta industria está luchando por un sistema de calidad universal y confiable. Se ha emitido el sistema BQ9000 , pero la diversidad de fuentes de biodiesel hace económicamente imposible su aplicabilidad. Ya hoy en día, el biodiesel genera más problemas que soluciones: incrementa las fallas de operación, tapa los conductos de combustible y es extremadamente sensible al clima, dificultando los arranques en frío.

El concepto es bueno, pero la oferta debe ser totalmente replanteada, pues la actual como está presentada, no es sustentable.

Gas Natural

Esta alternativa energética surgió a raíz de la crisis petrolera de los 70's. Es una oferta ya bastante estructurada a la cual, la misma industria reconocía que el único factor que le hacía falta, era una barril de petróleo de más de USD $80.00; así que, con los precios actuales del energético, el gas natural se ha convertido en una opción viable para la transportación en sus dos versiones: comprimido (GNC ó CNG por sus siglas en inglés) o licuado (LNG por sus siglas en inglés).

El GNC se presenta hoy en día como la alternativa de mayor crecimiento, con el menor precio promedio en la bomba. A través de Estados Unidos (2.32 USD/Gal) sus ventajas ecológicas dominan el panorama de las alternativas energéticas actuales.

En su modalidad de gas natural licuado, aún cuando es una opción limitada actualmente, es una alternativa para los vehículos pesados, en donde las características físico-químicas del gas natural facilitan su utilización en motores base diesel, modificados a encendido por chispa.

Quizá el elemento futuro más importante para esta alternativa energética, es que el gas natural está preparando el desarrollo de la estructura futura del hidrógeno. En este sentido, la industria está trabajando en una opción denominada hithane , que es una mezcla de 30% de GNC y 70% hidrógeno a 5,000 lb/pulg 2 . Por todo lo anterior, aún cuándo esta industria reconoce que “ el gas natural no es para todos”, también hace notar que hoy en día este combustible “cada vez es para más” y yo cada vez estoy más de acuerdo con este comentario.

Gas LP

Esta opción alternativa se hizo presente a través de PERC (Propane Education and Research Council), siendo la alternativa energética tradicional por excelencia, ya que se derivó de las limitaciones generadas por la 2a. Guerra Mundial. El Gas LP también tiene la mayor población vehicular. En Estados Unidos solamente casi un millón de vehículos, de los cuales 600,000 son montacargas, usan gas LP y a nivel mundial, cerca de 15 millones de vehículos operan diariamente empleando este combustible.

Con precios para la flotilla americana oscilando entre 1.72 y 1.97 USD/Gal durante 2007, la industria del gas LP se ha concentrado en generar opciones de post-producción, tomando vehículos neutros de las distintas líneas de ensamble e integrando el sistema de gas LP en una planta satélite, desde luego teniendo esta operación de manufactura certificada y autorizada por la empresa automotriz, por lo que se respeta la garantía original, además de que se cuenta con soporte y servicio post-venta.

La industria del gas LP ha hecho avances tecnológicos significativos, especialmente a nivel sistemas de carburación; sin embargo, su esfuerzo promocional parece escaso y falto de integración ante una gran oportunidad que se ha venido generando debido a factores tan contundentes como las tendencias alcistas de los precios del petróleo, las dificultades estructurales de los biocombustibles y los efectos incrementales del cambio climático. Desde mi punto de vista, a nivel mundial el gas LP representa la alternativa más probada para la transición hacia un esquema futuro de transporte sustentable; esto dada su flexibilidad de aplicación, su menor intensidad de capital y sobre todo su bajo contenido de carbón molecular. A diferencia de las demás alternativas, para este combustible el reto es interno… ¿podrá su industria llevar al gas LP a desempeñar el rol que la nueva oportunidad requiere, o simplemente se conformará esta industria con aceptar el rol que los impulsos de otras alternativas energéticas de menor viabilidad le asignen?

Electricidad

Actualmente se ve como un sueño realizado el depender de un auto eléctrico que se conecte en casa y que produzca cero emisiones por el escape. De hecho, este auto ni escape tiene, pero como ya se comento, lo que sí tiene, son emisiones.

En todos los países, el balance energético es un factor estratégico que requiere de planeación avanzada, así la infraestructura eléctrica está calculada sin considerar necesidades de transportación. Cada país tiene un factor eléctrico de emisiones expresado en toneladas de dióxido de carbono equivalente por kilowatt hora (tCO2e/kWh) y conforme se rebasa la capacidad de generación planeada, la generación adicional afecta a este factor .

Así, cada kWh obtenido de la red para efecto de transportación (carga de baterías) está produciendo emisiones en la unidad de generación eléctrica y dependerá de la mezcla de generación de cada país (térmica, hidráulica, nuclear, etcétera), así como de su tecnología de refinación, el definir si en verdad existe una ventaja ecológica al sustituir un hidrocarburo por electricidad.

Considerando el efecto de la infraestructura de generación, transmisión y distribución eléctrica; así como las pérdidas inherentes a los tres procesos, se comprenderá porqué la industria automotriz ha optado por la electricidad autogenerada; es decir, vehículos híbridos y celdas de combustible.

Hidrógeno

Como el elemento más abundante de la naturaleza, la industria automotriz lo considera el combustible del futuro. El hidrógeno tiene tres posibilidades de uso, sólo que tomando en cuenta su escasa densidad energética, el hidrógeno debe comprimirse entre 5,000 y 10,000 lb/pulg 2 para cada aplicación:

Bajo presión (como hidrógeno comprimido), se puede usar como un gas para alimentarse directamente a un motor de combustión interna. Esta aplicación es la menos difundida por sus limitaciones técnico-económicas.

En la segunda opción, se hace a través de una celda de combustible que se suministra como una mezcla de 30% de hidrógeno con 70% de gas natural comprimido, para formar un compuesto denominado hithane.

Para la tercera opción, al igual que la segunda, se hace con una celda de combustible que recibe 100% de hidrógeno, el cual se convierte en electricidad para cargar las baterías del vehículo, que opera al 100% todo el tiempo en modo eléctrico.

A nivel vehículo, las emisiones son nulas, teniéndose que contabilizar las de los procesos de producción, distribución y compresión del hidrógeno. Con un gran potencial tecnológico, pero con serios retos en el desarrollo de la infraestructura, el hidrógeno se presenta como la alternativa más viable a futuro. El riesgo que enfrenta esta alternativa energética, consiste en la fuerte inversión requerida hoy, para desarrollar la infraestructura de una opción que no se sabe si se podrá convertir en una alternativa oportuna.

conclusiones

1) Se tienen claramente identificas las fuerzas que impulsan el futuro de la transportación mundial y son estas fuerzas las que forjan la naturaleza de las acciones tomadas:

  • Disponibilidad del Petróleo (hay petróleo, lo que ya no hay es petróleo barato)
  • Los cambios geo-políticos (ahora que hay que ahorrar, es cuando más demanda hay)
  • Los efectos secundarios de las alternativas existentes (alimentación o transportación)

2) La industria automotriz trabaja a dos niveles distintos:

  • A corto plazo se tienen acciones muy definidas y de rápida aplicación que disminuirán la demanda de combustible a través de mejoras de eficiencia
  • A largo plazo, la industria automotriz está usando los fondos disponibles parta aprender y experimentar, pero sin comprometerse aún con ninguna alternativa energética

3) Las alternativas energéticas están cobrando cada vez mayor importancia, sin embargo la mayoría de estas alternativas continúan vivas más debido a la habilidad de sus promotores para conseguir fondos y subsidios que como resultado de su desempeño real en el campo.

comentario final

Mientras no tengamos la facilidad del Capitán Kirk en Viaje a las Estrellas y podamos decir “beam me up Spock”, debemos resolver nuestras necesidades de transporte de otra manera y esta otra manera hasta hoy en día requiere en un 96% del petróleo. Los precios de este hidrocarburo son un reflejo de una compleja situación mundial que sólo tiende a complicarse con aspectos como los cambios geopolíticos y el calentamiento global, por lo que cada vez es más importante modificar el esquema actual de transportación

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