¿Qué es lo que mueve a los autobuses de Barcelona?

28/05/2018 0 comentarios
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Los autobuses de Barcelona, y los de otras ciudades, usan una variedad de carburantes y de tecnologías. Se analizan las principales opciones, desde el punto de vista energético y medioambiental.

La publicidad de Transportes Metropolitanos de Barcelona (TMB ) afirmaba que "tú eres lo que nos mueve". Es una licencia poética emotiva, pero desde el punto de vista físico lo que mueve los transportes públicos es la energía que circula por las redes eléctricas o la almacenada en los carburantes.

Centrándonos en los autobuses, ¿qué los mueve? Diversos tipos de carburantes, y varias tecnologías. Todos los autobuses se asemejan por fuera y por dentro en la parte de los pasajeros, pero sus motores y sistemas de almacenaje de energía son muy diferentes. Y ¿por qué tanta variedad? Porque, después de un largo período en que los carburantes derivados del petróleo han sido absolutamente hegemónicos -la gasolina y, para autobuses, el gasóleo-, ahora se está procediendo a variar los sistemas de propulsión, por cuatro razones técnicas interconectadas, y por otra razón no técnica quizás más poderosa.

Por un lado, desde hace años se nos anuncia que la era del petróleo está llegando a su fin. Hay petróleo para años, porque los nuevos descubrimientos de crudo en la Ártico y en aguas profundas, y las nuevas técnicas de extracción tipo fracking ponen en el mercado grandes cantidades de crudo. En todo caso, habría que ir reduciendo la dependencia del mismo, dado que es una fuente de energía importada, y por razones ambientales. Por lo tanto, hace falta menos consumo de gasóleo tanto en los vehículos como en todo el proceso de fabricarlo y distribuirlo.

El cambio climático es una evidencia experimental, y la contribución al mismo de los gases de efecto invernadero está fuera de todo duda. Por ello, suprimir o reducir las emisiones de CO2 parece una tarea colectiva imprescindible. Por lo tanto, debería reducirse el consumo de gasóleo y de gas natural, tanto en los vehículos como en otras aplicaciones.

La reducción de la contaminación atmosférica local por partículas y óxidos de nitrógeno, producidos esencialmente por la combustión de gasóleo, es también una necesidad sanitaria de primer orden. El ahorro de energía, por la vía que sea, parece también de imperiosa necesidad. Por lo tanto menos gasóleo y otros combustibles, y mejores sistemas de combustión.

Y, finalmente, hay que tener presente que el impacto de cada tecnología no se limita al lugar donde se aplica, se usa o se consume, sino que hay que analizar todo el ciclo de vida de los materiales usados, tanto en su fabricación como en su reutilización o reciclaje, una vez acabada su vida útil. Y este aspecto entra en muchos casos en contradicción con algunos de los puntos anteriores. Por lo tanto, se requiere más ahorro energético de todo tipo en cualquier punto del ciclo de fabricación, uso y reciclaje.

En un aspecto no técnico pero también determinante, la voluntad de las empresas públicas como TMB es estar siempre en la cresta de la ola de las nuevas tecnologías, tanto por orgullo de ciudad y de empresa como para sacar provecho de las ayudas públicas para renovación de la flota, para experimentar nuevas tecnologías y, eventualmente, para vender tecnología y know-how desarrollado en los procesos de cambio tecnológico.

Todo ello lleva a que la gama de autobuses que circulan o han circulado por Barcelona -y por otras ciudades, como Madrid- es muy variada, muy avanzada tecnológicamente, y cada modelo satisface algunas de las necesidades citadas. A primera vista no es fácil distinguir cada modalidad de vehículo, pero podemos examinar la parte derecha de los autobuses en el sentido de la marcha y allí observaremos varios sistemas de carga de carburante, con siglas poco habituales. Esto nos dará una pista de cómo funciona aquel vehículo.

Autobuses con gasóleo y AdBlue

El gasóleo es una mezcla de hidrocarburos, menos volátiles que la gasolina, derivados del crudo. Es un combustible económico y el diseño de los vehículos que lo usan es convencional y muy conocido. Se aprovecha su energía en los motores diésel, que trabajan a alta presión y temperatura, y con mucho exceso de aire de combustión. En estas condiciones la termodinámica ineludible nos anuncia la generación de óxidos de nitrógeno, y también de partículas sólidas de diámetro muy pequeño, y estos dos contaminantes están en el punto de mira de las normativas anticontaminación.

Boca de carga de AdBluePara modificar la composición de los gases de escape y hacerlos menos nocivos se usan los catalizadores. Estas sustancias provocan que determinadas reacciones secundarias que reducen los contaminantes tengan lugar a velocidades muy superiores a las que tienen en ausencia de catalizador. En los motores de combustión interna los catalizadores son metales como platino, rodio o paladio depositados sobre cerámica, y todo ello ubicado situado en el tubo de escape. Los hidrocarburos no quemados de la gasolina, y el monóxido de carbono, reaccionan para dar dióxido de carbono y vapor de agua, inocuos desde el punto de vista de la contaminación local.

La reducción de la concentración de óxidos de nitrógeno en los humos de salida se ha hecho más perentoria desde que se ha aprobado la directriz europea Euro6, en vigor desde 1 de noviembre de 2015, que limita la concentración de óxidos de nitrógeno a 80 mg/km, en lugar de las 180 anteriores. La concentración máxima de partículas en los humos de salida se mantiene en 5 mg/km. Esta reducción en los vehículos pesados se consigue actualmente con la tecnología SCR (Reducción Catalítica Selectiva), que es un procedimiento de catálisis homogénea, es decir, que el catalizador no es sólido sino en el mismo estado que la mezcla a la que se aplica.

La denominación comercial del producto que se usa más ampliamente es AdBlue, porque los fabricantes le han dado un color azul que impide confundirlo con el gasóleo. Es una disolución acuosa de urea muy pura al 32,5 % en agua (denominado AVES32, aqueous urea solution), un catalizador no divulgado y un colorante, que se carga a un depósito complementario del vehículo, y que se inyecta junto con el gasóleo. La urea se descompone, a la alta temperatura del motor, en amoníaco y dióxido de carbono, y el amoníaco reacciona con los óxidos de nitrógeno dando nitrógeno y vapor de agua.

Se gasta de un 3 a un 5 % de disolución de urea respecto del gasóleo usado. Este aditivo se vende en algunas gasolineras en garrafas, y las flotas de autobuses lo cargan en las terminales. Algunos vehículos domésticos grandes tienen ya esta tecnología, como el Toyota Land Cruiser o el Seat Alhambra. Sin embargo, el AdBlue no reduce la producción de gases de efecto invernadero.

Autobuses a gas

El uso de gases es habitual en los vehículos. En épocas de penuria de carburantes los coches acarreaban un gasógeno [+]  alimentado con todo tipo de combustible vegetal -leña, carbón, cáscaras de almendra- que, calentado con poco aire, daba una mezcla de gases denominada gas pobre, básicamente CO e hidrógeno, que se alimentaba al motor. También se ha usado el gas butano como carburante de vehículos.

El gas que usan los buses actualmente es metano (CH4) muy puro, con pequeñas fracciones de etano C2H6, composición similar al gas que circula por la red doméstica. Deriva del gas natural, que es un mineral fósil mucho más abundante que el crudo, y que a veces se encuentra en yacimientos sólo de gas, y otras veces asociado al crudo. En muchas ocasiones hay que refinarlo para conseguir tener un gas con una alta proporción de metano. También es muy rico en metano el biogás procedente de los vertederos, que requiere también depuración.

Los motores que queman metano son de explosión, como los de gasolina, pero ajustados adecuadamente, porque el octanaje -el número de octano- del metano es de más de 120, comparado con las gasolinas (93 a 98). Esto quiere decir que se puede comprimir más sin que detone, y que el motor puede tener algo más de rendimiento. La combustión del gas natural no genera partículas sólidas ni dióxido de azufre, reduce mucho la producción de óxidos de nitrógeno, y además reduce las emisiones de CO2 porque tiene más rendimiento térmico que el gasóleo. Los humos no tienen mal olor ni son opacos, y los motores hacen menos ruido, comparados con los diésel. Hay dos formas de almacenar el gas natural: como gas comprimido (GNC) y como líquido, a presión atmosférica y muy frío (GNL).

Boca de carga de gas natural comprimido

Los autobuses con gas comprimido llevan depósitos a presión, a la temperatura ambiente. La cantidad de gas que se puede almacenar es así proporcional a la presión del recipiente. El metano tiene una densidad muy baja, por lo que hay que comprimirlo hasta 25 MPa (250 bar), y ello requiere recipientes tipo bombona alargados, de diámetro no muy grande, y de paredes gruesas. En estas condiciones, y para hablar con rigor, el combustible está en condiciones de fluido supercrítico, indistinguible de un gas convencional. Cada autobús transporta diversas bombonas en su techo, que les da una autonomía de unos 250 a 300 km. Esta tecnología es muy común en distintos países de todo el planeta, como Irán, Pakistán, Brasil o Argentina, desde los años 80 del siglo pasado. En Barcelona se han probado desde 1995, y actualmente hay más de 400 autobuses de estas características.

La forma alternativa de almacenar el gas natural es como líquido a baja temperatura (-165 ºC) y a presión atmosférica (GNL). Es una tecnología menos explorada y menos difundida que la del GNC. Requiere depósitos aislados térmicamente, que pueden ser de diámetro muy superior y más cortos que los de GNC porque no van a presión. La densidad energética del GNL es superior a la del GNC, y por ello, a igual volumen de depósito, los autobuses tienen más autonomía.

Autobuses con hidrógeno

Los autobuses con gas natural producen gases de efecto invernadero, pero menos que los de gasóleo. No generan partículas, y pocos óxidos de nitrógeno. El gas natural es un combustible económico, pero el diseño de los vehículos es más caro que los buses de gasóleo. Es una tecnología en crecimiento.

El hidrógeno no es un carburante primario porque no lo hay como tal en la naturaleza, y se tiene que fabricar a partir de otras materias primas. Se puede obtener a partir de hidrocarburos líquidos y gaseosos, del carbón, de la biomasa residual o del agua, usando diferentes fuentes energéticas como los combustibles clásicos, el calor residual de centrales nucleares, o la electricidad distribuida a partir de placas fotovoltaicas o turbinas eólicas. Por otro lado, el hidrógeno puede ser quemado en motores de explosión convencionales, o en pilas de combustible que generan electricidad en el propio vehículo, y tiene como único subproducto en su uso el vapor de agua. Esta versatilidad ha hecho concebir, desde hace más de cincuenta años, la idea de que todo podría funcionar con hidrógeno: la economía del hidrógeno. Se han intentado diferentes aproximaciones para conseguirlo. Islandia, que tiene enormes disponibilidades de fuentes renovables, apostó por la economía del hidrógeno en 1998, pero las expectativas actuales han menguado mucho.

TMB, en el marco de un proyecto europeo, hizo pruebas con tres autobuses de hidrógeno comprimido almacenado en el techo del vehículo. El hidrógeno se obtenía de una planta fotovoltaica. El proyecto no tuvo éxito porque el peso de las bombonas requeridas era muy elevado teniendo en cuenta la poca cantidad de hidrógeno que podían transportar. Una tecnología alternativa es el uso de pilas o células de combustible, que se alimentan de hidrógeno, con oxígeno del aire y generan energía eléctrica local que alimenta un motor eléctrico. Hay algún vehículo de demostración con esta tecnología, pero no ha avanzado comercialmente.

La combustión del hidrógeno no produce gases de efecto invernadero, y el impacto sobre el aire local es nulo. Desde el punto de vista medioambiental global, el hidrógeno es más o menos limpio según cuál sea el proceso usado para obtenerlo.

Autobuses eléctricosCarga de bus eléctrico mediante pantógrafo

Un vehículo autónomo exclusivamente eléctrico circula movido por la electricidad que acumula en sus baterías, que accionan un motor eléctrico. La autonomía que se requiere para un autobús es de unas 15 o 16 horas. Los acumuladores o baterías no son lo suficientemente grandes para una autonomía tan larga, y por ello se tienen que recargar a lo largo del día. Hay actualmente varios autobuses de este tipo, que se cargan al 100 % en carga lenta -unas 3 horas- en las cocheras, o en carga rápida en los extremos de la línea con un sistema de pantógrafo elevado similar al de un tranvía. Esta carga rápida permite recargar un 80 % de las baterías en unos 8 minutos. Actualmente hay una docena de autobuses de este tipo, y se prevé una expansión del sistema.

Como los buses de hidrógeno, el impacto medioambiental local es nulo, y el impacto global dependerá de cuál haya sido el proceso de obtención de la energía eléctrica. En el caso de Barcelona el objetivo es obtenerla toda a partir de fuentes renovables.

Autobuses híbridos

La denominación de híbrido se aplica a todo tipo de vehículo que pueda usar dos formas de energía para moverse. Se denominaron así los automóviles de gasolina con baterías de litio, que tenían el sistema de regeneración de electricidad cuando frenan o en los descensos. El paradigma de estos vehículos es el Toyota Prius, del que ya se está en la cuarta generación [+]. En el caso de los autobuses, se denominan híbridos los que pueden combinar el gasóleo y la electricidad, o el GNC y la electricidad. Tienen dos motores, uno de carburante y el otro eléctrico, que combinan según las prestaciones que se requiere del vehículo y la carga disponible de las baterías.

Un aspecto importante en estos vehículos híbridos, y en general en todos los que tienen acumuladores, es la recuperación de energía. Las frenadas y los descensos permiten recargar las baterías en lugar de disipar la energía de frenada como calor. Esto, junto con el sistema start-stop de parada total de los motores en las paradas y detenciones durante la circulación genera un ahorro de energía que puede llegar a ser del 30 %. En Barcelona hay más de 200 autobuses de esta tecnología.

Instrumentación de un bus eléctrico

La evolución de los costes de la energía     -tanto su obtención como su almacenaje-, las investigaciones en el rendimiento de los motores y las decisiones de política energética globales, como la promoción o no de plantas eléctricas con energías renovables, harán decantar el transporte público hacia potenciar una u otra forma de energía. Parece claro que se va hacia una menor dependencia de los combustibles fósiles, una reducción drástica del uso de gasóleo, y una potenciación de los vehículos híbridos gas-electricidad, especialmente los GNC. El uso del hidrógeno no parece una solución a corto o medio plazo.

Y todo ello no tiene nada que ver con el tema de si el tranvía debe pasar por la Diagonal, discusión que se lleva en Barcelona desde hace más de diez años...