REVISTA TRANSPORTE PROFESIONAL
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Las baterías eléctricas se inventaron en el siglo XIX. El primer prototipo de acumulador eléctrico fue creado por Alessandro Volta en 1800. Esta batería estaba formada por discos de zinc y cobre separados por otros discos de papel empapados en una solución de ácido sulfúrico. En los años siguientes, se desarrollaron otros tipos de baterías eléctricas, como las de plomo-ácido, las de níquel-cadmio y las de níquel-metal hidruro. Algunas de ellas pueden recargarse un número finito de veces -ciclos-, lo que las hace ideales para aplicaciones que requieran una fuente de energía constante para accionar equipos electrónicos portátiles, herramientas eléctricas y, por supuesto, automóviles.
Los primeros vehículos eléctricos utilizaban baterías de plomo-ácido. Estos elementos tenían una densidad energética baja, lo que limitaba su autonomía.
El primer vehículo eléctrico se fabricó en 1834 por el inventor escocés Robert Anderson. Este carruaje de dos ruedas se movía a una velocidad de 6 km/h. Sin embargo, el primer vehículo eléctrico comercialmente exitoso fue el Phaeton eléctrico de Thomas Davenport, que se produjo en 1838. El Phaeton podía alcanzar una velocidad de 15 km/h y tenía una autonomía de 24 km.
El primer camión eléctrico vio la luz en 1891, fue fabricado por la compañía alemana Dorner Electric Vehicle Company, tenía una capacidad de carga de 1,5 toneladas y podía alcanzar una velocidad de 12 km/hora. Sin embargo, el primer camión eléctrico comercialmente viable lo produjo la Compañía Eléctrica de Detroit en 1906. Su capacidad de carga era de dos toneladas y podía alcanzar una velocidad de 25 km/hora. En la década de 1890 estos vehículos tuvieron cierto éxito, su popularidad disminuyó hacia 1910 debido al desarrollo de los vehículos de gasolina, que eran más baratos y tenían mayor autonomía.
En los 70, se generalizó el uso de las baterías de litio metal como electrodo negativo -ánodo-. Esta tecnología aumentó el voltaje de los acumuladores y redujo su tara al ser mucho más ligero el litio que el plomo. La densidad del litio es de 0,534 g/cm3, por los 11,34 g/cm3 del plomo. El principal problema de estos acumuladores resultó ser la formación de dendritas.
Las dendritas son depósitos metálicos filamentosos que crecen en el cátodo -electrodo positivo-. Estas estructuras pueden crecer hasta alcanzar una longitud considerable y, de esta forma, perforar la membrana que separa el ánodo del cátodo. Esto puede provocar un cortocircuito en la batería, y causar un incendio o explosión. Estos residuos son también la causa del efecto memoria. En la carga de la batería se mueven iones en una dirección entre el ánodo y el cátodo, mientras que en la descarga se mueven en dirección contraria. La falta de homogeneidad en la deposición de estos iones es lo que produce las dendritas, que son como estalactitas.
Los iones de litio
En 1991, Sony lanzó el primer acumulador de iones de litio comercial. Desde entonces se ha democratizado su uso. En la actualidad se utilizan tres tipos diferentes de estas baterías en el mundo de la automoción: las LFP -fosfato de hierro y litio-, las NMC -níquel, magnesio-, y las NCA -níquel, cobalto, aluminio-. Las dos primeras son las que, como norma, se utilizan en el mundo del camión.
Las LFP tienen menor densidad energética, lo que influye en la tara del vehículo. A pesar de este hándicap son las más utilizadas por los camiones destinados a larga distancia. Al estar construidas con fosfato de hierro y litio son más seguras y baratas. Otra de sus virtudes es que pueden alcanzar los 5.000 ciclos de recarga. Si se realizaran dos recargas al día su vida útil podría alcanzar los 10 años.
Las NMC son las que ofrecen mayor densidad energética y, por tanto, reducen la tara de la unidad y dejan más sitio en el chasis para montar equipos adicionales. Aunque tienen peor rendimiento en frío que las LFP. Su vida útil es de unos 3.000 ciclos o unos seis años.
Las NCA tienen una capacidad energética similar a las NMC y su rendimiento en frío es peor que en los otros dos casos. Apenas se usan en el mundo del transporte, son más caras y solo alcanzan los 2.000 ciclos, unos 4 años de vida útil. Además, al igual que las NMC utilizan cobalto, un metal caro, escaso y que puede crear problemas para la salud humana.
Radiografía de una batería
La unidad básica de una batería de tracción son las celdas. Suelen ser cilíndricas, no obstante, también pueden encontrarse en forma de prisma. Este último diseño les confiere mayor densidad energética, a costa de ser más caras de construir. La medida estándar de las celdas cilíndricas es de 18 mm de diámetro por 65 mm de largo. Son algo más grandes que las pilas tipo AA. Pueden estar conectadas en serie o en paralelo y alcanzan entre los 3,2 y 3,6 voltios para amperajes de 2,0 a 3,0 Ah. Un conjunto de entre 20 y 100 celdas constituyen un módulo. Estos módulos se conectan en serie entre sí para alcanzar entre 400 y 800 voltios. En esto se asemejan a la pila de Volta, dado que el nombre de pila viene del apilamiento de celdas básicas.
El peso de una batería del tipo LFP varía de 1,4 a 2,0 kilogramos el kWh y su precio va de 80 € a 100 € por kWh. En el caso de una del tipo NMC sería entre 1,2 y 1,8 kilogramos el kWh para pagar de 100 € a 120 € por kWh. En el supuesto de las NCA los cálculos habría que hacerlos teniendo en cuenta que su peso es de 1,0 a 1,6 kilogramos el kWh para pagar de 120 a 140 € por kWh.
Según los datos publicados en 2022 por la Agencia Europea de Medio Ambiente -AEMA-, en su informe: “Consumo de energía de los vehículos eléctricos pesados en Europa” un camión eléctrico de 40 toneladas consume unos 210 kWh por cada 100 kilómetros recorridos. Un camión eléctrico de 18 toneladas puede necesitar unos 160 kWh por cada 100 kilómetros recorridos. Y un camión eléctrico de 12 toneladas unos 120 kWh por cada 100 kilómetros recorridos.
Estas cifras no concuerdan con las que ofrecen los fabricantes de camiones, a veces demasiado entusiastas. Un ejemplo: Mercedes-Benz asegura que su tractora eActros 600, con un bloque de baterías que suministran 621 kWh, tiene una autonomía de 500km, lo que supondría utilizar 124,2 kWh para recorrer 100 km. Esta cifra es casi la mitad de lo publicado por AEMA. El resto de las marcas ofrecen cifras muy similares a las de Mercedes-Benz.
Volvamos a hacer cálculos, para conseguir 500 km de autonomía se tiene que invertir en un bloque de baterías de 600 kWh que pagados a 100 € el kWh nos supondrá una inversión de 60.000 €. El peso aproximado de este conjunto de baterías a 2,0 kilogramos por kWh equivale a 1.200 kg de tara total. La vida útil será de entre 4 a 10 años dependiendo del tipo de baterías que utilicemos.
Hay que tener en cuenta que, si bien el aumento de tara del vehículo eléctrico debido al peso de las baterías, le perjudica al subir pendientes, se compensa este hándicap parcialmente en las bajadas si se dispone de un freno eléctrico regenerativo. Por otra parte, se ahorra peso al prescindir de parte del “power train” y ser los motores eléctricos más ligeros que los de combustión interna.
La gran ventaja del vehículo eléctrico, siempre que se efectúe la recarga de las baterías con energías renovables, es la descarbonización -reducción de las emisiones de CO2-, si bien el transporte no es el sector más contaminante, ya que sólo representa el 10,08% de las emisiones de CO2 globales.